humidificacion

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILO ING: QUIMICA

ENFRIAMIENTO DEL AGUA

1. TITULO: HUMIDIFICACIÓN

2. OBJETIVOS:

Determinación del coeficiente de transferencia de masa kga.

Determinación del flujo del líquido.

Determinar el flujo del gas.

Evaluar la performance de la Torre de enfriamiento

Elaborar un programa que permita hacer los cálculos de los objetivos

anteriores.

3. FUNDAMENTO TEORICO La humidificación es una operación unitaria en la que tiene lugar una transferencia

simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa. De

hecho siempre que existe una transferencia de materia se transfiere también calor.

Pero para operaciones como extracción, adsorción, absorción o lixiviación, la

transferencia de calor es de menor importancia como mecanismo controlante de

velocidad frente a la transferencia de materia. Por otro lado, en operaciones como

ebullición, condensación, evaporación o cristalización, las transferencias simultáneas

de materia y calor pueden determinarse considerando únicamente la transferencia de

calor procedente de una fuente externa.

La transferencia simultánea de materia y calor en la operación de humidificación tiene

lugar cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro, en el cual es

prácticamente insoluble. Este fenómeno nos conduce a diferentes aplicaciones además

de la humidificación del gas, como son su deshumidificación, el enfriamiento del gas

(acondicionamiento de gases), el enfriamiento del líquido, además de permitir la

medición del contenido de vapor en el gas.

Generalmente la fase líquida es el agua, y la fase gas el aire. Su principal aplicación

industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración, que será el objeto de estudio de

LOU II TEMA: HUMIDIFICACION


la práctica que nos ocupa. A grandes rasgos, el proceso que tiene lugar en la

operación de humidificación es el siguiente:

Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco

(o con bajo contenido en humedad), normalmente aire atmosférico.

Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase. El seno del líquido

cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría. A su vez, el

agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se

humidifica.

En la deshumidificación, agua fría se pone en contacto con aire húmedo. La materia

transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase líquida, que dependiendo

de cómo estemos operando, o se evapora (humidificación), o bien se condensa

(deshumidificación.)

Existen diferentes equipos de humidificación, entre los que destacamos las torres de

enfriamiento por su mayor aplicabilidad. Una torre de enfriamiento (refrigeración) es un

intercambiador de calor cuyo objeto es la eliminación de una cantidad de calor de un

sistema hidráulico. Este calor se transmite a la atmósfera, siendo el agua retornada a

una temperatura inferior. El aire se usa como un medio de refrigeración por medio del

fenómeno físico de la evaporación. La transferencia de calor desde el agua al aire se

lleva a cabo por convección y por evaporación. Teniendo en cuenta las condiciones del

aire cuando entra en la torre de refrigeración, sólo el 10 - 15 % del calor se elimina por

convección; el agua suele introducirse por la parte superior en forma de lluvia

provocada, y el aire fluye en forma ascendente, de forma natural o forzada. En el

interior de la torre se utilizan rellenos de diversos tipos que favorecen el contacto entre

las dos fases.

Hay dos factores principales que determinan una torre de enfriamiento (refrigeración):

La cantidad de aire empleada.

La superficie de intercambio.

El aire se mueve por el interior de la torre por medio de:

Tiro natural



Ventilación forzada.

La evaporación es el fenómeno predominante, su eficiencia está directamente ligada

al diseño de las superficies de intercambio. El límite teórico de refrigeración es la

temperatura de bulbo húmedo del aire entrante. La superficie de intercambio consiste

en la película de agua sobre el relleno (relleno laminar), o las gotas de agua (tipo de

goteo).el cálculo térmico nos da la cantidad de aire necesaria y la superficie que

debemos de emplear, esto nos permite determinar las dimensiones de la torre de

refrigeración.

El tamaño de las torres de refrigeración varía de acuerdo a su aproximación al límite

de enfriamiento. Esto es de capital importancia por lo que es preciso conocer

anticipadamente:

Condiciones ambientales de la futura localización de la torre.

Temperatura del agua fría óptima para los propósitos deseados.

Esto varía de acuerdo al tipo de torre de refrigeración, sea tiro natural o forzado:

En tiro natural, el rendimiento está afectado por la densidad y la temperatura del

bulbo húmedo y seco del aire entrante en la unidad.

En el tiro forzado el flujo de aire es prácticamente constante; esta operación es

determinada sólo mediante la temperatura del bulbo húmedo del aire entrante.

FÓRMULAS EMPLEADAS PARA LOS CÁLCULOSLas ecuaciones básicas de intercambio de calor se usan para efectuar los cálculos,

pero sólo por medio de la experimentación se consigue la experiencia necesaria en

el cálculo de los factores de intercambio en términos de los diferentes parámetros

(cantidad de relleno, velocidad de aire, caudal de agua,...). La pérdida de carga

también se evalúa mediante el estudio / desarrollo y pruebas de campo en las

diferentes ubicaciones y climas.

Entalpías (H, Kcal / Kg)



H=(0.24+0.46 yi )×t i+597.2 yi

Pendiente de la Línea de Operación (m, Kcal / Kg ºC)

m=LCLG

=HG2−HG 1TL2−T L1

Flujos del Líquido ( Kg H2O / h)

L2=(LR−10)19 .2 ×60

w=L1−L2=G( y2−y1)

Coeficiente de Transferencia de Masa (KGa ,Kg / atm.m3.h)

NOG=∫HG 1HG 2 dHG

HG¿−HG=zKya sG

KGa=

KyaP

Donde:

H,HG,HG*: Entalpías del gas (Kcal/Kg)

yi : Humedad absoluta del aire saturado con agua (Kg H2O/Kg aire)

ti : Temperaturas del aire( ºC)

Ti : Temperaturas del líquido ( ºC)

L,L1,L2: Flujos másicos líquidos ( Kg H2O/h)

CL: Calor Latente del agua ( Kcal/Kg ºC)

G: Flujo másico gaseoso (Kg aire/h)

LR : Lectura del Rotámetro

w : Cantidad de agua evaporada (Kg H2O/h)

NOG : Integral

z : Altura de la torre (m)

s : Área transversal de la torre (m2)



Kya : Coeficiente individual de transferencia de masa ( Kg/m3.h)

P : Presión del aire (atm)

Fig. N0 1 ESQUEMA DE UNA TORRE DE HUMIDIFICACION

4. EQUIPO Y MATERIALES:

Torre de enfriamiento de 80 x 30 cm.

Equipo de Intercambiador de calor tubular (calentador eléctrico y rotámetros).

Manómetros, balde, termómetros

Material de estudio: Aire extraído del medio ambiente y agua potable.

Descripción del módulo de Equipo.- es una torre de enfriamiento de 7 pisos con un

área de 0.95*0.4 m y una altura de 2.4 m; acoplado un ventilador y 3 duchas de

dispersión, la cual opera adiabáticamente a régimen estacionario.

Según se muestra en el presente diagrama:



Fig.N0 TORRE DE ENFRIAMIENTO

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La presente práctica se desarrolló con un caudal de gas constante, y variamos los

caudales del agua.

Se prendió el calentador eléctrico 3 horas antes de iniciar la práctica.

Se fijó el flujo de agua caliente vía rotámetro del intercambiador de calor; primero se

leyó a 40, luego se prendió el compresor para fijar el caudal del aire, se tomaron los

datos de la temperatura inicial.

Después de haber realizado este experimento, se procedió hacer lo mismo para las

diferentes lecturas del rotámetro

6. RESULTADOS Tabla Nº1 Temperaturas de entrada y salida de la torre de enfriamiento, tanto del

agua como del aire.

EXP LR

Temperatura de salida del

Aire t1(ºC)

Temperatura de entrada del

Aire t2(ºC)

Temperatura de entrada del Agua TL1(ºC)

Temperatura de salida del Agua TL2(ºC)

1 50 33 23 52 312 70 33 23 54 322 90 35 23 56 374 110 35.5 23 56 395 130 36.5 23 58 43



CÁLCULOS: Aplicando las ecuaciones anteriores, se obtienen los siguientes resultados.

Para esto usaremos la carta psicométrica y las siguientes ecuaciones:

HG1=(0.24+0.46Y 1 ) t 1+597.2Y 1

HG2=(0.24+0.46Y 1 ) t 2+597.2Y 2Para LR= 50

S=0.392 m2

z=2.4 m

Entalpía del aire de entrada ( HG1 )

t = 23 ºC y1 = 0.014

HR = 85 % (Carta Psicométrica)

HG1=(0.24+0.46Y 1 ) t 1+597.2Y 1

HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014

HG1=14.029 kcal /kgaire seco

Entalpía del aire de salida ( HG2 )

t2 = 33 ºC y2 = 0.032


HG2=(0.24+0.46Y 1 ) t 2+597.2Y 2

HG1= (0.24+0.46∗0.032 )∗33+597.2∗0.032




Pendiente de la Línea de Operación ( m )

m=L2CLG

=HG 2−HG1

T L 2−T L1

m=27.51616−14.02952−31

m=0.64225 kcal /kgaire seco℃

Flujo del Agua de entrada ( L2 )

L2=(LR−10)19.2

∗60

L2=(50−10)19.2

∗60

L2=125 kg agua/h

Flujo gaseoso ( G )

m=L2CLG

G=L2C L

m

CL=1kcal /kg℃

G=125 kg /h∗1kcal /kg℃0.64225 kcal/kg℃

G=194.62956 kgaire /h

Cantidad de Agua Evaporada ( w )



w=G ( y2− y1 )=194.62956∗(0.032−0.014 )

w=3.5033 kg agua/h

Flujo del Agua de salida ( L1 )

L1=w+L2=3.5033+125

L1=128 .5033kgagua/h

Coeficiente de Transferencia de Masa ( KGa)

Graficamos TL vs HG obteniendo valores de “Tabla Nº 02”, donde:

NOG=0.3650

Kya=G∗0.36502.4∗0.392

Kya=194.62956∗0.3650

2.4∗0.392

Ky a=75.05998Kg /m3 . h

KGa=K yaP

=75.05998Kg /m3. h

1atm

KGa=75.05998Kg /m3. h . atm

Para LR= 70


t1 = 23 ºC y1 = 0.014


HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014





t2 = 33 ºC y2 = 0.032


HG1= (0.24+0.46∗0.032 )∗33+597.2∗0.032



m=L2CLG

=HG 2−HG1

T L 2−T L1

m=27.51616−14.02954−32



L2=(LR−10)19.2

∗60

L2=(70−10)19.2

∗60

L2=187.5 kg agua/h

Flujo gaseoso ( G )

m=L2CLG



G=L2C L

m

CL=1kcal /kg℃

G=187.5 kg /h∗1kcal /kg℃0.6130527 kcal /kg℃

G=305.84646 kgaire /h


w=G ( y2− y1 )=305.84646∗(0.032−0.014)

w=5.50524 kgagua/h


L1=w+L2=5.50524+187.5

L1=193.005kgagua /h



NOG=0.3650

Kya=G∗0.36502.4∗0.392

Kya=305.84646∗0.3650

2.4∗0.392

Kya=118.6585Kg /m3 . h

KGa=K yaP

=118.6585Kg /m3 . h1atm



KGa=118.6585Kg /m3 . h. atm

Para LR= 90


t1 = 23 ºC y1 = 0.014


HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014



t2 = 35 ºC y2 = 0.037


HG1= (0.24+0.46∗0.037 )∗35+597.2∗0.037

HG2=31.0921kcal /kgaire seco


m=L2CLG

=HG 2−HG1

T L 2−T L1

m=31.0921−14.02956−37



L2=(LR−10)19.2

∗60



L2=(90−10)19.2

∗60

L2=250 kg agua/h

Flujo gaseoso ( G )

m=L2CLG

G=L2C L

m

CL=1kcal /kg℃

G=250 kg /h∗1kcal /kg℃0.8906 kcal /kg℃

G=280.709634 kgaire /h


w=G ( y2− y1 )=280.709634∗(0.037−0.014)

w=6.456322 kgagua /h


L1=w+L2=6.456322+250

L1=256.456322 kgagua /h



NOG=0.3650



Kya=G∗0.36502.4∗0.392

Kya=280.709634∗0.3650

2.4∗0.392

Kya=108.90627 Kg /m3 . h

KGa=K yaP

=108.90627Kg /m3 .h

1atm

KGa=108.90627 Kg /m3 .h . atm

Para LR= 110


t1 = 23 ºC y1 = 0.014


HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014



t2 = 35.5 ºC y2 = 0.0375


HG1= (0.24+0.46∗0.0375 )∗35 .5+597.2∗0.0375

HG2=31.527375 kcal /kg aire seco


m=L2CLG

=HG 2−HG1

T L 2−T L1



m=31.527375−14.02956−39



L2=(LR−10)19.2

∗60

L2=(110−10)19.2

∗60

L2=312.5 kg agua/h

Flujo gaseoso ( G )

m=L2CLG

G=L2C L

m

CL=1kcal /kg℃

G=312.5 kg /h∗1kcal /kg℃1.029316 kcal /kg℃

G=303.5996 kgaire /h


w=G ( y2− y1 )=303.5996∗(0.0375−0.014)

w=7.134592 kgagua /h




L1=w+L2=7.134592+312.5

L1=319.63459 kgagua /h



NOG=0.3650

Kya=G∗0.36502.4∗0.392

Kya=303.5996∗0.36502.4∗0.392

Kya=117.7868346Kg /m3 .h

KGa=K yaP

=117.7868346Kg /m3 . h1atm

KGa=117.7868346Kg /m3 . h .atm

Para LR= 130


t1 = 23 ºC y1 = 0.014


HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014



t2 = 36.5 ºC y2 = 0.041




HG1= (0.24+0.46∗0.041 )∗36 .5+597.2∗0.041

HG2=33.93359kcal /kgaire seco


m=L2CLG

=HG 2−HG1

T L 2−T L1

m=33.93359−14.02958−43



L2=(LR−10)19.2

∗60

L2=(130−10)19.2

∗60

L2=375kg agua/h

Flujo gaseoso ( G )

m=L2CLG

G=L2C L

m

CL=1kcal /kg℃



G=375 kg /h∗1kcal /kg℃1.3269727 kcal /kg℃

G=282.59813 kg aire /h


w=G ( y2− y1 )=282.59813∗(0.041−0.014 )

w=7.630149 kgagua/h


L1=w+L2=7.630149+375

L1=382.6301 kgagua /h



NOG=0.3650

Kya=G∗0.36502.4∗0.392

Kya=282.59813∗0.3650

2.4∗0.392

Kya=109.6389Kg /m3 . h

KGa=K yaP

=109.6389Kg /m3. h

1atm

KGa=109.6389Kg /m3. h . atm

LR= 50TABLA N0 2 RESULTADOS EXPERIENCIA



T (ºC) H*G (Kcal/h) HG(Kcal/h) 1/(H*G - HG) 1/(H*G - HG)prom ΔHG Integral

23 16,46004 14,02892 0,411333048 0,273912121 1,47864 0,405017418

29 22,83404 15,50756 0,136491194 0,103691758 1,47864 0,15332278

35 31,0921 16,9862 0,070892322 0,056256655 1,47864 0,08318334

41 42,49118 18,46484 0,041620988 0,034741346 1,47864 0,051369943

47 55,83504 19,94348 0,027861703 0,023869092 1,2322 0,029411495

52 71,4864 21,17568 0,01987648

NOG 0,722304976

20 25 30 35 40 45 50 550

10

20

30

40

50

60

70

80

TEMPERATURA VS ENTALPÍA

LR=70

TABLA N0 3 RESULTADOS EXPERIENCIA


23 16,46004 14,02892 0,411333048 0,26411871 1,72508 0,45562590530 24,308 15,754 0,116904372 0,089573383 1,72508 0,15452125237 33,5453 17,47908 0,062242394 0,048725442 1,72508 0,08405528644 47,6064 19,20416 0,035208491 0,028463291 1,72508 0,04910145551 66,9738 20,92924 0,021718092 0,01950213 0,73932 0,01441831554 79,51828 21,66856 0,017286168

NOG 0,757722213

TABLA N0 4 RESULTADOS EXPERIENCIA

LR=130




23 16,46004 14,028920,41133304

8 0,271157625 1,60186 0,434356554

29,5 23,265405 15,630780,13098220

3 0,098742149 1,60186 0,1581711

36 32,26976 17,232640,06650209

6 0,053024249 1,60186 0,084937424

42,5 44,12125 18,83450,03954640

3 0,031814842 1,60186 0,050962923

49 61,95894 20,436360,02408328

2 0,019261787 2,21796 0,042721872

58 91,905 22,654320,01444029

1NOG 0,771149873

20 25 30 35 40 45 50 55 600

102030405060708090

100

TEMPERATURA vs ENTALPÍA

TABLA Nº 05 COEFICIENTES DE MASA

LR G (Kg/h) KGa (Kg/m3.atm.h) NOG

50 194.62956 75.05998 0,722304976

90 108.90627 280.7096 0,757722213

130 109.6389 282.59813 0,771149873

TABLA Nº 06 VARIACIONES DE LOS FLUJOS DEL LÍQUIDO Y GAS


20 25 30 35 40 45 50 55 600

10

20

30

40

50

60

70

80

90

TEMPERATURA vs ENTALPÍA


LR G (Kg/h) L1 (Kg H2O/h) L2 (Kg H2O/h) w (Kg H2O/h)

50 194.62956 128.50 128.50 3.503

90 108.90627 250 254.56 6.4563

130 109.6389 125 382.63 7.601

7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Se observó un subenfriamiento, dado con la temperatura de salida del agua

( 21ºC) frente a la temperatura de aire de entrada ( 22ºC). Este fenómeno ocurre

frecuentemente en la parte inferior de las torres de enfriamiento con agua debido a

que la transferencia de calor latente cubre mucho la transferencia de calor

sensible.

En al gráfica Nº2 la Línea de Operación es más amplia en comparción con la de

las gráficas Nº3 y Nº4 debido a las diferencias de temperatura.

A medida que aunmentan los valores de la lectura del rotámetro aumentala

velocidad de flujo de agua ( L2 ), la cual ofrece resistencia al flujo de aire debido a

que ambos flujos están en contracorriente, por llo tanto, eso explica que el flujo

gaseoso ( G ) disminuya.

8. CONCLUSIONES

A medida que aumenta la lectura del rotámetro ( LR ), disminuyen los coeficientes

de transferencia de masa tanto de al fase líquida como de la gaseosa.

El flujo gaseoso ( G ) es directamente proporcional a los coeficientes KGa y Kya.

9. RECOMENDACIONES



Antes de empezar con la práctica esperar unos 3 minutos luego de haber

encendido el compresor y abierto las llaves del agua y del aire frío para que haya

una estabilidad en las temperatutas.

Tomar en forma sincronizada los datos de temperatura de entrada y salida de los

flujos de agua y aire para evitar errores.

10. BIBLIOGRAFÍA

Henley e. & Seader Operaciones de Separación por Etapas de equilibrio

enIngienria Química. 1986. Editorial Revertè S.A. Barcelona.

McCabe Smith & Harnott Operaciones Unitarias de Ingeniería Química. I

Edición. 1993. McGraw Hill.

Ocon & Tojo Problemas de Ingeniería Química. 1981. Ediciones Aguilar. Madrid.


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