Universidad Nacional Experimental de las Fuerzas Armadas

UNEFA

Núcleo Portuguesa

Complejo Docente Acarigua

Operaciones Unitarias

Profesor: Autores:Claudimar Perdomo

C.I:

Diciembre, 2014

ÍNDICE

Introducción.................................................................................................................................3

Humidificación y Acondicionamiento de Aire..........................................................................4

1. Equilibrio Liquido - Vapor para una sustancia pura............................................4

1.1) Presión de Vapor..................................................................................................5

2. Mezclas Vapor-Gas Humedad y Saturación..............................................................6

2.1. Aire seco y Aire Atmosférico.........................................................................................6

2.2 Humedad Específica y Relativa del Aire.......................................................................7

2.3 Temperatura de Bulbo seco...........................................................................................9

2.4 Punto de Rocío.................................................................................................................9

2.5 Volumen Húmedo..........................................................................................................10

2.6 Calor Húmedo................................................................................................................10

3. Temperatura de Saturación Adiabática y de Bulbo Húmedo........................................10

4. Sistemas Aire-Agua.......................................................................................................12

5. Diagrama Psicométrico.................................................................................................13

5.1. Manejo del Diagrama Psicométrico............................................................................16

6. Curvas de Saturación Adiabática...............................................................................17

7. Operaciones de Humidificación..................................................................................18

7.1 Operaciones Adiabáticas.....................................................................................19

7.2 Operaciones no Adiabáticas................................................................................19

7.3 Humidificación del Aire.........................................................................................20

7.4 Deshumidificación del Aire..................................................................................21

7.5 Enfriamiento de Agua............................................................................................21

7.6 Cámaras de Aspersión..........................................................................................21

8. Ecuaciones fundamentales del Diseño.....................................................................22

8.1 Balance de Materia y Energía..............................................................................22

8.1.1 Balance de Materia.............................................................................................23

8.1.2 Balance de Energía............................................................................................23

Conclusión.................................................................................................................................24

Bibliografía................................................................................................................................25

Anexos.......................................................................................................................................26

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Introducción

Las operaciones implicadas en los procesos de interacción aire-agua (u operaciones de humidificación), se refieren a la transferencia de materia y energía a través de la interfase resultante en un sistema formado por un gas y un líquido puro en el que es prácticamente insoluble. Estos procesos se basan en la evaporación superficial de líquido o condensación parcial de su vapor, sin fuente externa de calor. Además, se caracterizan por el hecho de que la transferencia de materia está siempre acompañada de transmisión de calor, y por tanto su velocidad depende de ambos fenómenos. Así pues, deben conocerse tanto las características del equilibrio como las entalpías del sistema.

Este tipo de operaciones tienen una amplia aplicación de en la industria y en la vida cotidiana. Los procesos implícitos en estas operaciones son principalmente usados en el acondicionamiento de ambientes y fluidos de procesos. Por ejemplo, en la industria petroquímica se usa el agua como fluido ya sea como refrigerante o en la generación vapor. En muchas ocasiones esta agua de proceso debe cumplir con temperaturas mínimas adecuadas en la entrada. Entonces, el agua que sale del proceso puede dirigirse a torres de enfriamiento para reutilizarse en las condiciones necesarias al principio.

En la presente monografía se hará un análisis de la humidificación y su proceso contrario, la deshumidifcacion. Para ello, se estudiarán los términos básicos que deben conocerse para el manejo de la carta psicométrica como: la humedad absoluta, humedad relativa, temperaturas de bulbo seco y húmedo, temperatura de saturación adiabática, calor húmedo, volumen húmedo, entre otras. Luego se aprenderá a utilizar la carta psicométrica y determinar las diferentes variables implícitas en un ambiente determinado. De igual manera se analizarán los procesos con operaciones adiabáticas, estas últimas de gran importancia en las aplicaciones industriales

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Humidificación y Acondicionamiento de Aire

1. Equilibrio Liquido - Vapor para una sustancia pura

La Humidificación es una operación que relaciona tanto la transferencia de calor como la de masa de manera simultánea, es decir, cuando dos sustancias se ponen en contacto estas intercambian masa en una dirección especifica y a su vez energía.

Es por ello que, para comprender estos procesos es necesario estudiar a fondo el fenómeno entrañado que ocurre. Tal fenómeno es conocido como el equilibrio líquido-vapor (ELV).

Este tipo de equilibrio se basa en principalmente en la Ley de Raoult. La representación matemática queda de la siguiente forma:

pA=PA∗x A (1 )

Donde:

pA: Presión parcial del componente A en atmosferas

PA: Presión de vapor del componente A puro en atmosferas

x A: La fracción Mol de A en el líquido

Para que la evaporación se lleve a cabo es necesario aplicar al líquido una cantidad de energía tal que permita vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas del propio líquido.

Esto provoca la liberación de moléculas que salen al espacio gaseoso que las rodean. La energía suministrada al líquido se conoce como el calor de vaporización. Al aumentar la temperatura en el líquido se acelera el proceso de vaporización, es decir, habrá una mayor cantidad de vapor, presente en el gas, el proceso de evaporación continúa hasta la última gota de líquido.

Si se añade energía a un liquido hasta su temperatura de ebullición, y se aísla térmicamente, se podrá observar que bajo una condición de temperatura y presión, existe un número determinado de moléculas de líquido que se integraron a la fase vapor (Nv) y que por choques entre moléculas y las paredes

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del recipiente existe otro número determinado de moléculas de vapor que se condensan (NL) y regresan al seno del liquido.

Durante este proceso el número de moléculas de líquido presentes en el gas aumentará y cuando se alcance estabilidad en las condiciones de temperatura y presión se obtiene un equilibrio, en el cual, el número de moléculas que salen del líquido por evaporación es igual al número de moléculas que entran por condensación, lográndose un equilibrio dinámico. Este equilibrio se obtiene para cada temperatura y presión.

Una manera de representar el comportamiento del equilibrio Liquido-Vapor es mediante un diagrama de fases de una sustancia pura. En ella se muestra de forma grafica los limites existentes entre cada una de las fases que puede tener esa sustancia en función de la Presión y la Temperatura.

Fig. 1. Diagrama de fases del agua pura.

1.1) Presión de Vapor

Se define como la presión a la que cada temperatura, la fase liquida y de vapor se encuentran en equilibrio. El valor de la presión de vapor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas especies.

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Esta propiedad de las sustancias es de amplio interés en la industria química y de procesos puesto que no solo es aplicable a especies puras sino también a mezclas donde existen relaciones soluto-solvente las propiedades de transferencia de masa con un tercer componente y propiedades coligativas.

Fig.2. comportamiento de la presión de vapor, especie pura y mezcla

2. Mezclas Vapor-Gas Humedad y Saturación.

A temperaturas por debajo de la temperatura crítica, a la fase gaseosa de una sustancia se le denomina frecuentemente como vapor. Este término implica estado gaseoso que se encuentra cerca de la región de saturación de la sustancia. Lo cual incrementa la posibilidad de condensación durante el proceso.

2.1. Aire seco y Aire Atmosférico El aire es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y pequeñas cantidades de otros gases. Normalmente, el aire en la atmósfera contiene cierta cantidad de vapor de agua (o humedad) y se conoce como aire atmosférico. En contraste, el aire que no contiene vapor de agua se denomina aire seco. Es conveniente tratar al aire como una mezcla de vapor de agua y aire seco, porque la composición del aire seco permanece relativamente constante, pero la cantidad de vapor de agua varía por la condensación y evaporación de los océanos, lagos, ríos, regaderas e incluso del agua del cuerpo humano.

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A pesar de que la cantidad de vapor de agua en el aire es pequeña, desempeña un importante papel en la comodidad cotidiana del ser humano. En consecuencia, es importante tomarlo en cuenta en los dispositivos de acondicionamiento de aire.

La entalpía del vapor de agua a 0°C es 2500.9 kJ/kg. El valor cp promedio del vapor de agua en el intervalo de temperatura de -10 a 50°C puede considerarse igual a 1.82 kJ/kg · °C. Por lo tanto, la entalpía del vapor de agua se determina aproximadamente a partir de

hg (T )=2500,9+1.82T ( kJKg ) (2 )

Siendo:

T: Temperatura en °C

hg: Entalpia del vapor de agua en kJ/kg.

2.2 Humedad Específica y Relativa del AireLa cantidad de vapor de agua en el aire puede determinarse de varias maneras. Es probable que la más lógica sea precisar directamente la masa de vapor de agua presente en una unidad de masa de aire seco, a la que se denomina humedad absoluta o específica.

Esta puede medirse o determinarse mediante la siguiente ecuación:

ω=0,622Pv

P−Pv

(3 )

Donde:

P: es la Presión total

Pv: Presión de Vapor

Para comprender mejor este proceso se puede considerar 1 kg de aire seco. Por definición, el aire seco no contiene vapor de agua y, por ende, su humedad específica es cero. Ahora se añade algo de vapor de agua a este aire y de esta forma la humedad específica comienza aumentar. A medida que se añade más vapor o humedad, la humedad específica crecerá hasta que el aire

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ya no pueda contener más humedad. En este punto se dice que el aire estará saturado y se le denomina aire saturado. Cualquier humedad agregada al aire saturado se condensará.

La cantidad de humedad en el aire tiene un efecto definitivo en las condiciones de comodidad que ofrece un ambiente. Sin embargo, el nivel de comodidad depende más de la cantidad de humedad que el aire contiene respecto a la cantidad máxima de humedad que el aire puede contener a la misma temperatura. La relación entre estas dos cantidades se conoce como humedad relativa.

∅=mV

mg

=

PV V

RTPgVRT

=Pv

Pg

(4 )

Siendo:

Ø: humedad relativa adimensional

mv: cantidad de vapor en el aire

mg: cantidad máxima de vapor permisible en el aire

Pv: presión de vapor

Pg: Presión del sistema

La humedad relativa varía de 0 para aire seco a 1 para aire saturado. Es importante destacar que la cantidad de humedad que el aire puede contener depende de su temperatura. Por lo tanto, la humedad relativa del aire cambia con la temperatura aunque su humedad específica permanezca constante.

El aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua, por ello la entalpía del aire se expresa en términos de las entalpías del aire seco y del vapor de agua. En la mayor parte de las aplicaciones prácticas, la cantidad de aire seco en la mezcla de aire-agua-vapor permanece constante, pero la cantidad de vapor de agua cambia. En consecuencia, la entalpía del aire

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atmosférico se expresa por unidad de masa del aire seco, y no por unidad de masa de la mezcla de aire-vapor de agua.

La entalpia total del aire atmosférico es entonces la suma de las entalpias del aire seco y del vapor de agua:

H=H a+H v=maha+m vhv (5 )

Cuando se divide esta ecuación entre la masa del aire se obtiene

h= Hma

=ha+mv

ma

hv=ha+ωhv (6 )

Siendo:

ha: entalpia del aire seco

hv: entalpia del vapor

ω: humedad absoluta

Es importante destacar además que, la temperatura ordinaria del aire atmosférico se conoce como la temperatura del bulbo seco.

2.3 Temperatura de Bulbo secoSe refiere a la temperatura de una mezcla vapor-gas determinada de

forma ordinaria por inmersión de un termómetro en la mezcla

2.4 Punto de RocíoEs la temperatura a la cual una mezcla de vapor-gas se satura cuando se

enfría a presión total constante sin contacto con el líquido. El conocimiento de esta temperatura es usada para determinar la humedad en algunos casos. Por ejemplo una superficie metálica se enfría en la presencia de mezcla vapor-gas y se empaña su superficie indica que se ha alcanzado el punto de formación de rocío.

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2.5 Volumen HúmedoEl volumen húmedo de a una mezcla vapor-gas se define como el

volumen de masa por unidad de gas seco y de su vapor acompañante a la temperatura y presión dominantes. La ley de los gases ideales expresa el volumen húmedo como:

vH=8315 ( 1M B

+ 1M A )

tG+273pt

(7)

Siendo:

vH: Volumen húmedo (m3/Kg)

MB y MA: Masa del vapor y del gas respectivamente (Kg)

tG: Temperatura de Saturación (°C)

pt: Presión total del sistema (N/m2)

2.6 Calor HúmedoEs el calor que se requiere para aumentar la temperatura de la masa

unitaria del gas y su vapor acompañante 1 °C a presión constante. Para una mezcla de humedad absoluta conocida se tiene

CS=CB+ωCA (8)

3. Temperatura de Saturación Adiabática y de Bulbo Húmedo La humedad relativa y la humedad específica se emplean con frecuencia

en Ingeniería y en la Meteorología, y es deseable relacionarlas para medir fácilmente cantidades como la temperatura y la presión.

Una manera de determinar la humedad absoluta o relativa se relaciona con un proceso de saturación adiabático. Para estudiar este fenómeno se planeta un caso práctico (ver fig. 3). El sistema se compone de un canal largo aislado que contiene agua. Por el canal se hace pasar una corriente uniforme de aire no saturado que tiene una humedad específica de ω1 desconocida y una temperatura de T1. Cuando el aire fluye sobre el agua, un poco de ésta se evapora y se mezcla con la corriente de aire. El contenido de humedad del aire aumentará durante este proceso y su temperatura descenderá. Si el canal tiene

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un largo suficiente, la corriente de aire saldrá como aire saturado (ø = 100%) a la temperatura T2, que se llama temperatura de saturación adiabática.

La ecuación para determinar la temperatura de saturación adiabática es la siguiente:

ω1=C P (T 2−T 1 )+ω2h fg2

hg1−hf 2

(9)

Siendo:

ω1 y ω2: Humedades absolutas en la entrada y salida del proceso

h fg2 : Entalpia saturada a la salida el proceso

hg1 y h f 2: Entalpias del gas y líquido en la entrada y salida el proceso

respectivamente

Fig. 3. Proceso de saturación adiabática

Un planteamiento más práctico consiste en emplear un termómetro cuyo bulbo esté cubierto con un poco de algodón saturado con agua, y soplar aire sobre ella. La temperatura media de esta manera se denomina temperatura de bulbo húmedo y se emplea comúnmente en aplicaciones de acondicionamiento de aire. El principio básico implicado es similar al de la saturación adiabática. Cuando el aire no saturado pasa sobre el trozo de algodón húmedo, un poco del agua del algodón se evapora. Teniendo como resultado la disminución de la temperatura del agua y se crea un delta de temperatura entre el aire y el agua.

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Luego de un tiempo, la pérdida de calor del agua por evaporación es igual a la ganancia de calor del aire y la temperatura del agua se estabiliza. En este punto, la lectura del termómetro es la temperatura de bulbo húmedo, que se mide con un termómetro con algodón húmedo colocado en un soporte unido a una manivela y girando el soporte rápidamente: es decir, se mueve el termómetro en lugar del aire.

Fig.4. Representación esquemática de un termómetro con bulbo húmedo

4. Sistemas Aire-Agua

Cuando una corriente de aire se pone en contacto con una corriente de agua, se transfiere agua y energía calorífica de una corriente a otra modificándose las condiciones de humedad y temperatura. Este proceso es conocido como la humidificación.

La humidificación de aire se consigue al poner en contacto el aire no saturado con agua, a una temperatura tal que el aire aumenta su contenido de humedad. El agua se enfría al tener que ceder calor para evaporar la porción de líquido que se incorpora al aire como vapor de agua. Este enfriamiento del agua es quizá la faceta industrialmente más importante de esta operación unitaria: el agua caliente procedente de la refrigeración de las unidades de una planta

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puede enfriarse si se pone en contacto con un gas (preferiblemente más frío) no saturado. El caudal de la corriente de agua se reduce en una cierta cantidad por la evaporación de una parte de la misma.

Los dispositivos más empleados para el enfriamiento de líquidos y más concretamente de agua son las denominadas torres de enfriamiento. Son columnas de relleno de madera o de material plástico por las que asciende el aire, provistas en su parte superior de distribuidores de agua.

Fig. 5. Representación esquemática de una torre de enfriamiento

La deshumidificación del aire en cambio, se conseguirá siempre que se ponga en contacto aire húmedo con un líquido más frío, de modo que la temperatura del gas disminuya por debajo del punto de rocío y condense agua, disminuyendo la humedad absoluta del aire hasta el valor deseado.

5. Diagrama Psicométrico

Es una representación grafica de las ecuaciones analíticas indicadas en esta monografía anteriormente. Los diagramas psicométricos generalmente están representados para mezclas de aire y vapor de agua a la presión atmosférica normal. En la figura 6. Se muestra un ejemplo de carta psicométrica, en dicho diagrama se puede encontrar la humedad absoluta en el eje de las ordenadas frente a la temperatura en el eje de las abscisas. Esta

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limitado por la curva de humedad relativa del 100% o curva de saturación, la cual, como ya se explico anteriormente determina la humedad del aire saturado en función de su temperatura. El cálculo de los distintos puntos de dicha curva se realiza determinando las humedades absolutas para distintas temperaturas.

Los puntos situados a la izquierda de la curva de saturación representan mezclas de aire saturado y agua líquida que forman nieblas y corresponden a condiciones inestables del sistema aire-vapor de agua. Por el contrario, cualquier punto situado a la derecha de la curva de saturación representa una mezcla definida de aire y vapor de agua que corresponden a condiciones de calentamiento. Las curvas situadas entre el eje de las abscisas y la curva de saturación son las correspondientes a las distintas humedades relativas, y el cálculo de sus distintos puntos para cada una se efectúa determinando las humedades absolutas para diferentes temperaturas aplicando la ecuación 4.

Las líneas inclinadas con pendiente negativa corresponden a la temperatura de saturación adiabática (también conocido como temperatura de bulbo húmedo) y el cálculo de sus puntos para cada valor de la temperatura de saturación adiabática, se realiza determinando el valor de la humedad de saturación ω2 correspondiente a cada temperatura. Generalmente a este diagrama viene con gráficos auxiliares de calor específico, latente y volúmenes específicos de aire seco y del aire saturado.

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Fig. 6. Carta Psicométrica

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5.1. Manejo del Diagrama Psicométrico Considere una habitación que tiene aire a 1 atm, 35°C y 40% de humedad relativa. Con el diagrama psicométrico determine, a) la humedad especifica, b) la entalpia, c) la temperatura del bulbo húmedo, d) la temperatura del punto de rocío y e) el volumen especifico del aire.

Análisis: a una presión dada el estado del aire atmosférico se establece mediante dos propiedades independientes, como la temperatura del bulbo seco y la humedad relativa. Otras propiedades se determinan al leer directamente sus valores en el estado especificado.

a) La humedad específica se determina al dibujar una línea horizontal del estado especificado hacia la derecha que intercepta al eje ω. Para ello basta con observar la figura 7. En el punto de intersección se lee

ω=0,0142kgH 2O

Kgaire seco

b) La entalpia del aire por unidad de masa de aire seco se determina al trazar una línea paralela a las líneas de h = constante desde el estado especificado hasta que intercepta la escala de la entalpia. En la intersección se lee:

h=71,5 kJkg

aireseco

c) La temperatura del bulbo húmedo se determina al trazar una línea paralela a la línea Tbh = constante desde el estado especificado hasta que intercepta la línea de saturación, resultado:

T bh=24 ° C

d) La temperatura del punto de rocío se determina al trazar una línea horizontal desde el estado especificado hacia la izquierda hasta interceptar la línea de saturación :

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T pr=19,4 ° C

e) El volumen especifico del aire por unidad de masa de aire seco se determina al observar las distancias entre el estado especificado y las líneas de v = constante a ambos del lado del punto. El volumen se obtiene mediante la interpolación visual como:

v=0,893 m3

Kgaire seco

Fig. 7. Esquema para el sistema estudiado

6. Curvas de Saturación Adiabática

Como ya se explico anteriormente, la temperatura de saturación adiabática se determina estudiando un proceso donde se pone en contacto aire seco con agua en una canal y que, por acción de fuerzas impulsoras como la diferencia de concentración y temperatura, se transfería masa de agua en forma de vapor al aire y a su vez este aire se enfriaba. En ese instante estaba ocurriendo la saturación adiabática.

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La carta psicométrica para un sistema aire agua (ver figura 6) contiene una familia de curvas de saturación adiabática. Cada punto sobre la curva representa una mezcla cuya temperatura de saturación adiabática está en la intersección de la curva con la curva de humedad a 100%.

Se puede explicar el uso de estas curvas mediante el siguiente ejemplo:

Se pone en contacto aire a 83°C con una humedad especifica ω= 0,030 kg agua/kg aire seco, a 1 atm de presión, con agua a la temperatura de saturación adiabática; entonces el aire se humidifica y enfría hasta la saturación al 90% ¿Cuáles son las temperatura y humedad finales del aire?

Solución:

El punto que representa el aire original se localiza sobre la carta psicométrica (fig. 6). La curva de saturación adiabática a través del punto alcanza la curva de saturación al 100% en 40°C. Esta es la temperatura de saturación adiabática, es decir, la temperatura del agua. Sobre esta curva, la saturación al 90% sucede a 41,5 °C y una humedad ω = 0,0485 kg agua/ kg aire saliente.

Un punto importante a destacar es que la curva de saturación adiabática es casi la curva de entalpia constante por masa unitaria de gas seco. Es por ello que existe una estrecha relación entre ambas propiedades en una mezcla vapor-gas.

7. Operaciones de Humidificación

Estas operaciones se ocupan de la transferencia de masa interfacial y de energía, que resulta cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro en el cual es esencialmente insoluble. La materia transferida entre las fases en tales casos es la sustancia que constituye la fase liquida la cual se puede vaporizar y/o condensar.

Este tipo de operaciones abarcan también la deshumidificación y el enfriamiento de gas, las mediciones de su contenido de vapor y el enfriamiento del líquido. De igual forma, como ya se ha mencionado con anterioridad en esta monografía, en la humidificación también ocurre transferencia de calor, es por ello la importancia que tiene el papel de las entalpias en este proceso unitario industrial.

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En las operaciones Gas-Liquido se pueden encontrar dos tipos de procesos:

Procesos de Operaciones Adiabáticas Procesos de Operaciones no adiabáticas

7.1 Operaciones Adiabáticas

Entre las operaciones de tipo adiabáticas se pueden mencionar los siguientes procesos:

a) Enfriamiento de un liquido: sucede por transferencia de calor sensible y también por evaporación

b) Enfriamiento de un gas caliente: el contacto directo proporciona un intercambio de calor directo

c) Humidificación de un gas: puede utilizar para controlar el contenido la humedad del aire para el secado.

d) Deshumidificación de un gas: El contacto con una mezcla caliente de gas y vapor con un líquido frío produce una condensación del vapor.

7.2 Operaciones no Adiabáticas

a) Enfriamiento por evaporación: cuando un liquido o un gas dentro de un tubo se enfría con un flujo de agua en forma de película en la superficie externa del tubo. A su vez esta última se enfría por contacto directo con el aire.

b) Deshumidifcacion de un gas: cuando una mezcla de gas-vapor se pone en contacto con tubos refrigerantes y el vapor se condensa en los tubos

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7.3 Humidificación del Aire

Se pueden emplear los siguientes métodos para aumentar la humedad de un gas:

a) Se puede añadir vapor vivo en la cantidad apropiada, directamente a la corriente de gas. Se ha demostrado que este método produce sólo un ligero aumento de la temperatura del gas, pero no se suele utilizar por las posibles impurezas presentes en el vapor, que lógicamente, pasarán al aire.

b) El agua puede ser nebulizada en el gas a una velocidad tal que la completa evaporación proporcione la humedad deseada.

En este caso, la temperatura del gas descenderá, ya que el calor de vaporización requerido se obtiene a partir del calor sensible del agua y del gas.

c) El gas puede mezclarse con otra corriente de gas de mayor humedad. Este método se usa frecuentemente en el laboratorio.

d) El gas puede ponerse en contacto con el agua de tal modo que sólo parte del líquido se evapora.

Con el fin de obtener una velocidad de evaporación elevada, el área de contacto entre el aire y el agua debe ser tan grande como sea posible, suministrando el agua como una fina niebla. Alternativamente, el área interfacial puede incrementarse utilizando una columna de relleno. La evaporación tiene lugar si la humedad en la superficie es mayor que en el seno del gas, es decir, la temperatura del agua es superior a la temperatura de rocío del aire.

Cuando se lleva a cabo la humidificación en una columna de relleno, el agua que no se evapora puede ser recirculada, con objeto de disminuir el consumo de la misma. Como resultado de la recirculación continua, la temperatura del agua se aproximará a la temperatura de saturación adiabática del aire, y el aire que abandona la columna se enfriará (en muchos casos a temperaturas del orden de un grado más que la del agua).

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7.4 Deshumidificación del Aire

La deshumidificación del aire puede llevarse a cabo poniendo en contacto el aire con una superficie fría, que puede ser de sólido (contacto indirecto) o de líquido (contacto directo). Si la temperatura de la superficie es menor que la de rocío del gas, la condensación tiene lugar y la temperatura del aire desciende. La temperatura de la superficie tiende a aumentar debido a la transferencia de calor sensible y latente procedente del gas. Sería de esperar que el aire se enfriara a humedad constante hasta que alcanzara su temperatura de rocío y posteriormente empezara a condensar el agua.

7.5 Enfriamiento de Agua

El enfriamiento de agua puede llevarse a cabo en pequeña escala simplemente permitiéndole un cierto tiempo de residencia en una balsa abierta o nebulizándola en una cámara, poniéndola en contacto con aire y recogiéndola posteriormente. El enfriamiento tiene lugar por transferencia de calor sensible y de calor latente, aportando el agua, o el agua y el aire, el calor necesario.

En gran escala el proceso tiene lugar en torres de enfriamiento en las que el agua se hace circular en contracorriente con el aire, que circula bien por tiro natural o forzado. El agua fluye hacia abajo sobre el relleno, que le proporciona la superficie de contacto y la turbulencia adecuadas. El aire se humidifica y calienta conforme asciende por la torre, mientras que el agua se enfría.

7.6 Cámaras de Aspersión

Son el equipo más normal para efectuar la humidificación. Básicamente se trata de torres horizontales en las que el líquido se introduce como una neblina en el seno de una corriente de gas por medio de boquillas. La velocidad del gas es pequeña con el objeto de que el tiempo de contacto sea grande y no se produzca demasiado arrastre de líquido. Suelen utilizarse en operaciones en pequeña escala, generalmente para controlar la humedad de pequeños recintos. El equipo suele ir provisto de dispositivos pre y postcalentamiento, con el fin de lograr aire con determinadas condiciones de humedad y temperatura.

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Fig. 8. Sistema de Aspersión

8. Ecuaciones fundamentales del Diseño

8.1 Balance de Materia y Energía

Se considera una columna de relleno de altura h y sección transversal A, a través de la cual circulan aire y agua en contracorriente en régimen estacionario. La figura 9 muestra un esquema de la misma. Por la base de la columna entra aire con un caudal M’ (kg de aire seco/h), con una humedad absoluta ω1, temperatura t1 y entalpía hG1, saliendo por la parte superior con una humedad absoluta ω2, temperatura t2 y entalpía hG2.

El agua entra por la parte superior con un caudal L2 (kg de agua/h), temperatura T2 y entalpía hL2, saliendo por la parte inferior con un caudal L1, temperatura T1 y entalpía hL1. Se supone también que en la interfase aire-agua se alcanza el equilibrio, por lo que el aire estará saturado a la temperatura de la interfase, Ti.

Si consideramos un elemento diferencial de la columna, tal como el mostrado en la figura 6, con las condiciones especificadas en la misma, y tomando como positivas las cantidades de materia y energía que gana el aire, los balances de materia y entalpía se pueden escribir:

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Fig. 9. Balance de masa y energía en torre de enfriamiento

8.1.1 Balance de Materia

M x' +(L+dL )=M ' ( x+dx )+L (10 )

8.1.2 Balance de Energía

Se supone que la columna es adiabática y no hay, por tanto intercambio de calor con el exterior (tanto más correcto cuanto mayor sea el diámetro de la columna):

M 'hG+ (L+dL ) (hL+dhL )=M ' (hG+dhG )+ LhL(11)

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Conclusión

Las operaciones de humidificación como ya se mencionó, se basan principalmente en las interacciones entre gas y vapor. Este tipo de equilibrio interfacial está gobernado por la influencia de coeficientes de transferencia de masa y calor que tienen como objetivo presentar una resistencia a la movilidad de las moléculas que pasan de un fluido a otro cuando se ponen ambas en contacto íntimo.

A su vez, dichos coeficientes están gobernados por las leyes del equilibrio líquido vapor (ELV). Estas leyes ayudan a estimar de forma cuasi exacta los comportamientos esperados de un proceso de humidificación. Las leyes más conocidas en este aspecto son, Ley de Raoult, Ley de Dalton y Ley de Henry.

Dichos postulados establecen que, a ciertas condiciones de presión y temperatura las moléculas pueden sufrir un cambio de fase. Estas pueden ocurrir ya sea en sustancias puras como en mezclas binarias, de liquido a vapor y viceversa hasta alcanzar un equilibrio. Gracias a este comportamiento es que la humanidad puede disfrutar de los beneficios del aire acondicionado, los procesos industriales óptimos y sistemas de refrigeración industrial.

Es por ello que, se enfatiza en esta monografía la importancia e influencia que tienen los procesos de humidificación en el campo humano y natural. De igual forma, la importancia que tiene para los estudiantes de ingeniería el estudio del diseño de torres de enfriamiento como procesos secundarios muy importantes en procesos petroquímicos de alta escala industrial.

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Bibliografía

ASHRAE. 1981 Handbook of Fundamentals, Atlanta, Georgia, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 1981.

Boles M. y Cengel Y., 2002. Termodinámica. Quinta Edicion. Editorial Mc Graw Hill.

García A. 2014. Disminución de la presión de vapor. Facultad de ciencias de la educación. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Disponible en: http://propicolquimica.galeon.com/disminucion_p.html

K. Wark y D. E. Richards, Thermodynamics, 6a. edición, McGraw-Hill, Nueva York, 1999.

S. M. Elonka, “Cooling Towers”, Power, marzo, 1963.

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Anexos

Fig. 10. Esquema de una torre de enfriamiento a contra flujo de tiro inducido

Fig. 11. Calentamiento por Humidificación

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Fig. 12. Torres de enfriamiento, cortesía Chevron Company, 2012

Fig. 12 Modelo alternativo de Carta Psicométrica

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