practica 1 unitarias

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUAFACULTAD DE CIENCIASQUÍMICAS

RREPORTEEPORTE DEDE L LABORATORIOABORATORIO

Humidificación

Operaciones Unitarias III

Dr. Armando Quintero

Alejandra Sáenz Visconti207480

30/09/2010

Se realizó una práctica de humidificación en el Tecnológico de Chihuahua para determinar parámetros de diseño de una torre de enfriamiento y de una cámara de saturación adiabática.

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OOPERACIONESPERACIONES U UNITARIASNITARIAS III IIIPPRÁCTICARÁCTICA DEDE HUMIDIFICACIÓNHUMIDIFICACIÓN

RRESUMENESUMEN Se realizó una práctica en la cual se determinó la altura global de cada unidad de transferencia (H tg), el número de unidades de transferencia global (Ntg) y el coeficiente de transferencia de masa global (K) para una torre de enfriamiento y el coeficiente de transferencia de masa (kya) para una cámara de humidificación adiabática a partir de los datos obtenidos experimentalmente. Obteniéndose una Ntg de 0.935, una K de 1.72 kg agua/m2 y una Htg de 0.839 m para la torre de enfriamiento y en la cámara de humidificación adiabática se obtuvó una kya de 6.32 kg agua/m2. Concluyéndose que los datos obtenidos experimentalmente siguen como guía en la determinación de los parámetros de diseño tanto de una torre de humidificación como de una cámara adiabática.

IINTRODUCCIÓNNTRODUCCIÓN Las operaciones de humidificación y deshumidificación implican transferencia de materia entre una fase líquida pura y un gas permanente que es insoluble en el líquido. Estas operaciones son algo más sencillas que las de absorción y stripping, ya que el líquido contiene solamente un componente y no hay gradientes de concentración ni resistencia a la transferencia en la fase líquida. Por otra parte, tanto la transmisión de calor como la transferencia de materia son importantes y se condicionan mutuamente. 1

Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los más antiguos que se conocen, por lo general, el agua se enfría exponiendo su superficie al aire. El proceso de transferencia de calor comprende 1) la transferencia de calor latente debido a la evaporación de una porción pequeña de agua, y 2) la transferencia de calor sensible debido a la diferencia de temperatura entre el aire y el agua. La posible eliminación teórica de calor en una torre de enfriamiento depende de la temperatura y el contenido de humedad del aire. La temperatura de bulbo húmedo es un indicador del contenido de humedad del aire. Por tanto, desde el punto de vista ideal, ésta es la temperatura teórica más baja a la que se puede enfriar el agua.4

Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico, comparado con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared.2

En el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría. En las torres se colocan deflectores o eliminadores de niebla que atrapan las gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la posible pérdida de agua.1

El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora, causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración.Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. Además, en el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.El enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación.2 En la superficie del agua que esta en contacto con aire no saturado sucede lo siguiente:

1. Inicialmente el agua toma calor de sí misma para evaporarse y así se crea un gradiente de temperatura entre el seno del agua y la superficie de contacto.

2. El aire recibe humedad (vapor) y por lo tanto energía en forma de calor latente de vaporización

AALEJANDRALEJANDRA S SÁENZÁENZ V VISCONTIISCONTI 207480 207480

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3. Después el aire le proporciona energía al agua, la que se evapora cada vez más a expensas de la energía del aire que de sí misma, hasta establecerse un estado de equilibrio a la temperatura de bulbo húmedo del aire.

La evaporación depende de:1. Las propiedades del sistema

· Presión total: La evaporación es más rápida a bajas presiones o en el vacío y más lenta a presiones altas.· Área de contacto (A). La masa de agua evaporada es proporcional a la superficie en la cual se efectúa la evaporación.· Coeficiente de transferencia de calor (h) el cual depende entre otras variables, de la velocidad del aire. La evaporación se acelera a mayor velocidad de las corrientes de aire, el viento desplaza las capas de aire sobre la superficie de evaporación y arrastra consigo la humedad.· Diferencia de temperatura (T) entre el agua y el aire.

2. Efecto difusional de masa· Humedad del aire: La evaporación es más rápida, cuanto más seco esté el aire o menos saturado de vapor.

3. Propiedades del agua.· Presión de vapor.· Conductividad térmica del agua (k).La alta conductividad térmica favorece la evaporación.1

La cámara de saturación adiabática es una cámara bien aislada en la que un gas que entra en contacto con un chorro de agua de recirculación y el gas que sale de la cámara se encuentran en un mayor nivel de humedad y temperatura más baja que el gas que entra. La evaporación de agua en vapor resulta en una saturación del gas mediante la conversión de parte del calor de entalpía (sensible) del gas que entra en calor latente de vaporización de agua. El intercambio de calor entre el gas y el agua sin pérdida a través de las paredes de la cámara se define como la saturación adiabática.5

Fig. 1 diagrama de cámara de saturación adiabática

La temperatura del agua que se recircula en el primer proceso llega a una temperatura de saturación adiabática T (SAT). This T sat is attained when a large amount of water continuously contacts the entering gas in an adiabatic chamber. Esta T Sat se alcanza cuando una gran cantidad de agua está en contacto con el gas que entra en una cámara adiabática. The enthalpy balance over the chamber (Fig. 11 can be expressed as follows: El balance de la entalpía sobre la cámara se puede expresar de la siguiente manera:

where T and W are gas temperature (°C) and absolute humidity (kg water per kg dry gas) at entering conditions, respectively; W sat is absolute humidity (kg water per kg


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dry gas) at saturation conditions; C s is humid heat or specific heat of the entering gas-water vapor mixture (kJ kg -1 °C -1 ); and λ as is latent heat of vaporization of water (kJ kg -1 ).

donde T y W son la temperatura del gas (° C) y humedad absoluta (kg de agua por kg de gas seco) en condiciones de entrada, respectivamente; W SAT es la humedad absoluta (kg de agua por kg de gas seco) en condiciones de saturación; C s es el calor húmedo o el calor específico del gas que entra en la mezcla de vapor de agua (kJ kg -1°C -1), y λ como es el calor latente de vaporización del agua (kJ kg -1).

In the other process, when a small amount of water is exposed to a continuous stream of entering gas under adiabatic conditions, the water temperature decreases to a steady-state nonequilibrium temperature. En el proceso, cuando una pequeña cantidad de agua está expuesta a un flujo continuo de gas que entra en condiciones adiabáticas, la temperatura del agua disminuye a una temperatura de estado de no equilibrio. As the amount of liquid is small, the temperature and humidity of the gas are not modified, as is the case in the first process, adiabatic saturation. Como la cantidad de líquido es pequeña, la temperatura y la humedad del gas no se modifican, como es el caso en el primer proceso, la saturación adiabática. Rather, the cooling effect of evaporating water into gas decreases the temperature of the remaining water to what is known as the wet bulb temperature ( T wet ). Más bien, el efecto de enfriamiento de la evaporación del agua en el gas disminuye la temperatura del agua que queda a lo que se conoce como la temperatura de bulbo húmedo (Tbh). This temperature of the water also describes the wet bulb temperature of the gas. Esta temperatura del agua también se describe la temperatura de bulbo húmedo del gas.5

MMETODOLOGÍAETODOLOGÍA Torre de enfriamiento

Se colocaron dos gasas húmedas en dos de los termómetros y se pegaron con la cinta adhesiva. Se colocó un termómetro con gasa y uno sin gasa en la salida de la torre de humidificación y otro en la entrada, además de un termómetro sin gasa en el agua de entrada. Se tomaron las mediciones y se registraron. Se llenó la bandeja por un tiempo determinado, el cual fue tomado con el termómetro; se peso la bandeja en una balanza granataria, se registró y se repitió en dos ocasiones mas. Se coloco el anemómetro en la salida de aire del ventilador a diferentes radios. Se tomaron las mediciones y se registraron. Se midieron con la cinta métrica las dimensiones tanto de la torre como del ventilador.

Cámara de saturación adiabática

Se preparó la cámara de saturación adiabática llenando la bandeja de recirculado y llenando los tubos donde se encontraban los termómetros adheridos a la cámara. Se colocaron dos gasas húmedas en dos de los termómetros y se pegaron con la cinta adhesiva. Se colocaron estos termómetros en la entrada de aire de la cámara y uno a la salida para corroborar las temperaturas de los otros termómetros. Se hizo funcionar la bomba para succionar el aire y se estuvieron tomando lecturas de bulbo húmedo y bulbo seco hasta que casi se alcanzó el equilibrio. Se coloco el anemómetro en la salida de la cámara. Se midieron las dimensiones tanto de la cámara, como del ducto de salida de aire.

En el anexo 1 se presenta la entrada y salida del aire en las cuales se tienen que colocar los termómetros tanto en la torre de enfriamiento como en la cámara de saturación, así como la salida de agua de la torre en la que se tiene que colocar otro termómetro.

TTABLASABLAS DEDE DATOSDATOS, , RESULTADOSRESULTADOS YY DISCUSIONDISCUSION

Torre de enfriamiento

En la tabla 1 se presentan los valores de los datos experimentales a partir de los cuales se realizaron los cálculos para determinar los parámetros de diseño de la torre:

Tabla 1: Valores experimentales de una torre de enfriamiento obtenidos


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experimentalmenteTemperaturas Dimensiones de la torre

Tg1 3’°C Vista superior 0.62m*0.7mTg2 26.5°C Sección transversal 0.67m*0.785mTw1 19°C Dimensiones de las rejillasTw2 21.8°C Ancho 78.5cmTl1 27°C Espesor 1cmTl2 23°C Numero de rejillas 20

Velocidad del aire Velocidad de llenado del agua1.9 m/s Tiempo =25.16s Peso=7.082 kg3.85 m/s Tiempo =25.34s Peso=7.082 kg2.2 m/s Tiempo =24.34s Peso=7.082 kg

Para realizar los cálculos se eliminaron algunos valores de velocidad de aire, ya que se salieron del rango.

En la tabla 2 se presentan los valores de los datos calculados experimentalmente así como los resultados que a partir de estos se obtuvieron:

Tabla 2: Resultados de los parámetros de diseños para una torre de enfriamiento obtenidos

matemáticamente Gx 0.283 kg/m2s

Gy 1.702 kg / m2s

hyb 49.51 kJ/kghya 52.29 kJ/kgZ 0.785 ma 0.52438m2

Y abs 0.009 kg agua/kg a.sKy 1.72 kg/ m2s

Ntg 0.935Htg 0.839 m

Se puede observar que los parámetros de diseño de la torre son de 1.72 kg/ m2s para el coeficiente de transferencia de masa Ky, esto indica que1.72 kg de agua son transferidos al aire por unidad de área por segundo y es una relación que nos permite conocer la capacidad del aire de atrapar y transportar la energía en forma de vapor de agua dependiendo de las dimensiones de la torre; 0.935 para el numero de unidades de transferencia de entalpía del gas, valor que indica que la transferencia de entalpía se realiza con poca dificultad; y una altura global de las unidades de transferencia de 0.839 m, los cuales indican el valor que cada unidad de trasferencia debe tener para enfriar el agua.


En la tabla 3 se presentan los datos obtenidos experimentalmente para la determinación de los parámetros de diseño para una cámara de saturación adiabática:


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Tabla 3: Valores experimentales de una cámara de saturación adiabática obtenidos experimentalmenteCorrida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temperatura de entrada

Bulbo seco Tg (°C) 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32Bulbo Húmedo Tw

(°C) 20 19 18 18 18 18 18 19 19 19

Temperatura de salida

Bulbo seco Tg (°C) 25 25 24 24 23 23 23 23 23 22Bulbo Húmedo Tw

(°C) 26 21 21 21 20 20 20 20 20 20Temperatura agua que

recircula (°C) 24 23 22 22 21 21 20 20 20 20Z 0.72 mA 0.6768 m2

A ducto 0.2072m2

V 5.1 m/s

Se puede observar que en las 10 corridas, la temperatura de bulbo seco en la entrada es constante. Además se utilizaron los datos de la corrida número 10 ya que estos datos son los más estables.

En la tabla 4 se puede observar los valores obtenidos matemáticamente de Ky para los datos calculados, así como otros valores obtenidos matemáticamente, o bien, por graficas psicométricas:

Tabla 4: Resultados de los parámetros de diseños para una

cámara adiabática obtenidos matemáticamente o por cartas

psicométricas.Corrida 10

Y'1 (kg agua/ kg a.s) 0.009Ysa (kg agua/ kg a.s) 0.015Y'2 (kg agua/ kg a.s) 0.014

Gs' (kg/s) 1.028Kya (kg/ m2s) 6.32

CCONCLUSIÓNONCLUSIÓN La practica sirvió para poder determinar ciertos parámetros de diseño de la torre de humidificación

y de la cámara de saturación adiabática como son el numero y alturas de unidades de transferencia de masa, así como los coeficientes de transferencia de masa, a través de los cuales podremos calcular, en experimentos futuros con esos equipos, otros parámetros en lugar de medirlos. Además nos da una idea de la capacidad del aire de enfriar el agua, que si bien, con las condiciones con las que se realizo no fue mucho, al menos nos permitió observar el enfriamiento del agua debido a corrientes de aire.


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RREFERENCIASEFERENCIAS

1. Galicia M. (2006). Procesos de separación. Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Química, UNAM. http://depa.pquim.unam.mx/~luimary/generalidades.html2. Las torres de refrigeración o enfriamiento. Quiminet.com. Septiembre 2006.

http://www.quiminet.com/ar7/ar_zgtRsDFhgsA-las-torres-de-refrigeracion-o-enfriamiento.htm3. Mc Cabe, W.-Smith, J.-Harriott, P. (1991) Operaciones Unitarias en Ingeniería química. Capitulo

23: Operaciones de humidificación. 4ta edición. Editorial Mc Graw Hill. pp 7674. Perry. (2001) Manual del Ingeniero Químico. Capitulo 12: Enfriamiento por evaporación. 6ta

edición. Editorial Mc Graw Hill. pp 12-135. Weller, C. y Amézquita, A. (2003). Enciclopedia de agricultura, alimentación e ingeniería

biológica. Abstracto de Temperatura de bulbo Humedo. http://www.informaworld.com/smpp/401567835-7287988/content~db=all~content=a713500680


http://www.informaworld.com/smpp/401567835-7287988/content~db=all~content=a713500680

http://www.informaworld.com/smpp/401567835-7287988/content~db=all~content=a713500680

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AANEXOSNEXOS

Anexo 1: DDIAGRAMAIAGRAMA DEDE EQUIPOEQUIPO




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Anexo 2: CCÁLCULOSÁLCULOS


T(°C) H* Hy H*-Hy (H*-Hy)ln N23 68.5 49.51 18.99 2.94 0.33925 77 51.74 25.26 3.24 0.30927 85.5 53.085 32.415 3.47 0.287

Para determinar las entalpías de saturación se utilizan las cartas psicométricas. Para obtener la entalpía de entrada se utiliza la siguiente fórmula:

Hyb = Cs*T + *Yabs

Donde Cs:

Cs=1.005+1.884*Yabs

Cs=1.021kJ/kg°C

Por lo que:

Hyb= (1.021kJ/kg°C)(26.5°C) + (2495kJ/kg°C)(0.009kg agua/kg a.s)

Hyb= 49.51kJ/kg

Para obtener la entalpía de salida se utiliza el balance de entalpía:

G’y (Hyb-Hya) = Gx*CL( Txa- Tx)

Donde:

Gy=y*V*A

A= Área total - Área de rejillas = (0.67m*0.785m) – 20(0.785*0.01) = 0.52438m2

Gy= (1.225kg/m3)(2.5m/s)(0.52438m2)= 1.702 kg/s

Gx=velocidad de llenado = (7.082kg)/24.94s=0.283kg/s

Sustituyendo:

(Hyb-Hya) = (0.283kg/s)(4.18kJ/kg°C)(27°C-23°C)/ 1.702kg/s= 2.788kJ/kg

Hya=49.51kJ/kg+ 49.52kJ/kg = 52.29 kJ/kg

Ntg= N= 0.935

Z= 0.785m

Htg= Z/Ntg =0.785m/0.935= 0.839m

Kya=Ntg ∙GyZt

=1.72 kg/ m2s


1010



*Se sacan las humedades con las graficas psicrometricas

Para cada corrida se utiliza la siguiente ecuación:

Donde:

Y’ = es la humedad absoluta en kg de vapor/kg aire seco

kya = son los kg agua transferidos/seg m³ΔY’

Z = es la longitud de la cámara en m. = 1.3m

G’s = el flujo de gas en kg/seg.

A = la sección transversal de la cámara en m²= 1.13m*0.82m=0.9266 m²

Para determinar el flujo de gas en kg/s, utilizando la velocidad promedio:

G’s= *V*A = (1.225kg/m3)(5.1m/s)(0.2072m2)= 1.29kg/s

Se despeja kya:

G’s

ZA

Kya= 6.32 Kg/m2s


= = kya

practica 1 unitarias

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