UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUIMICA Y AMBIENTAL LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIN, REACCIN Y CONTROL2015720 02 2012-1 INFORME HUMIDIFICACIN RESUMEN Elenfriamientodeaguaessindudalaoperacinmsimportante,entrelasdiferentes operacionesgas-liquido,Elaguadeproceso,entibiadaporelpasoatravsde intercambiadoresdecalor,condensadoresysimilares,seenfra porcon-tactoconelaire atmosfricoparaserutilizadanuevamente.Esteoperacintienecomoprincipioel proceso de humidificacin que es la transferencia simultnea de masa y energa que tiene lugar cuando un gas se pone en contacto con un lquido puro en el cual es prcticamente insoluble.Enestecasosepretenderealizarvariaspruebaspilotosenloslaboratoriosde IngenieraQumicadelauniversidadNacionaldeColombia,teniendocomofinenfriarel aguadeentradadesde50Chasta20Cyaspoderdeterminarloscoeficientesde transferenciademasaylarelacindeliquido/gasnecesarias,paraqueconestas relacionessepuedalograreldimensionamientodeunatorreindustrialquepermita enfriar 2500Kg/h de agua desde 50C hasta 20C. Palabras Claves: Humidificacin, Torres de enfriamiento, Agua de proceso. INTRODUCCIN Un gran nmero de procesos industriales generan una cantidad significativa de calor que debe ser disipada para garantizar una operacin segura y eficiente. Lastorresdeenfriamientosonempleadaspararegularelprocesodeenfriamientopor mediodelaevaporacincontrolada,loquereducelacantidaddeaguaconsumida.Este enfriamiento se consigue cuando una gota de agua se pone en contacto con aire que tiene una temperatura inferior y se realiza tanto por calor sensible como por calor latente. Loquesepretendeconseguirenlatorreesquelagotadeaguaestelmayortiempo posibleencontactocon elaire,estoselograconlaalturadelamismay adicionalmente Rosarito Orozco R. rorozcoram@unal.edu.co Santiago Daza M. dsdazam@unal.edu.coGustavo R. Lpez P. grlopezp@unal.edu.co interponiendoobstculosquelavandeteniendoylavanfragmentandoparafacilitarla evaporacin. La capacidad de enfriamiento de una torre integra una serie de variables involucradas en el diseo e indica la cantidad de agua que enfra en condiciones de operacin comparada con las condiciones de diseo, en otros trminos, es equivalente a la eficiencia trmica. Lo que se pretende con la presente prctica es conocer los parmetros caractersticos de unsistemadehumidificacinapartirdepruebasqueserealizarnenlatorredel Laboratorio de Ingeniera Qumica con el fin de disear una torre que sea til para enfriar 2500kg/h de agua de 50C a 20C empleando aire en contracorriente. OBJETIVOS General: Determinar los parmetros de diseo de una torre de enfriamiento para enfriar 2500Kg/h de aguade 50C a 20C con aire en contracorriente: Altura, Dimetro, rea. Especficos: Realizarundiagnosticodedesempeodelatorredeenfriamientoubicadaenel LIQ (puntos de fuga, falencias, limpieza). Determinar el flujo de aire a usar para la primera prueba. Teniendo en cuenta que la relacin de L/Gmin es de: 1.369 Determinarlasvariablesdelprocesoamodificar(FlujodeVaporoFlujo deAgua) en la segunda y tercera prueba con el fin de conseguir los resultados esperados.Determinarlosparmetrosycaractersticaspropiasdelsistemacomolos Coeficientes de transferencia de calor y masa para que con ellos se puede disear la torre que se desea. Descripcin del procedimiento Serealizarondossesionespracticasenelequipodehumidificacinqueseencuentraen los laboratorios de ingeniera qumica para determinar los mejores parmetros a fijar y de estaformacumplirconlasespecificacionesdadasenunproblema,endondesepide enfriarun flujo de2500 kg/hdeaguade50Ca 20C.Enla primerasesinselocalizaron losposibles puntosdefallaenelequipo,loscualesprincipalmentesondebidosafugas. Igualmente se hicieron calibraciones de los rotmetros de aire y agua para conocer el flujo de agua y de aire. Mediantelavariacindelosflujosdeaireyaguafueposibleencontrarlasmejores condicionesoperacionalesquepermitancumplirconlasolucindelproblema,enesta parte se encontr que a flujos entre 60 y 100 en el rotmetro de agua eran los de mejores resultados,mientrasqueparaelairesemanejaronrangosdeflujodeaireenel rotmetros entre 60 7 80. Resultados MedicinLectura Rotmetro Volumen (mL)Tiempo (s) Flujo agua (mL/s) 168854,5118,85 21461604,4236,20 31161454,3433,41 4821105,4720,11 52302954,2669,25 62043004,6264,94 Tabla 1. Datos calibracin rotmetro agua. MedicinLectura Rotmetro Lectura Anemmetro (m/s) 12211,1 22613,5 33014,6 43616,5 54218,1 Tabla 2. Datos calibracin rotmetro aire. Tabla 3. Datos recolectados durante las dos sesiones. EnsayoFlujo de agua (rotmetro) Flujo de aire (rotmetro) T Agua entrada T2 (C) T Agua salida T2 (C) T Aire entrada T2 (C) T Aire salida T2 (C) Humedad del aire (%) a la entrada Humedad del aire (%) a la salida P (cm agua) a1681647,823,317,236,182990,6 2641850,025,617,236,779990,6 b11001852,227,817,843,375990,7 21201849,427,217,842,218990,6 31401850,034,417,841,175990,6 41601846,135,617,840,075990,6 c1804547,825,024,437,847991,7 2805048,924,424,436,742991,7 3806546,723,325,636,746991,4 4808051,123,326,138,335991,6 d1807050,022,226,736,138991,6 2807050,022,226,736,135991,6 3807050,022,827,236,140991,6 4807050,022,827,837,836991,6 La etapa (a) compuesta por los ensayos 1 y 2 consisti en la estabilizacin del equipocon el fin de evaluar la relacin de flujo de aire y el flujo de agua requeridos para satisfacer las condiciones del problema. La etapa (b) consisti en 4 ensayos en los que se evalu la incidencia del flujo de agua en la humidificacin del aire, manteniendo el flujo de aire constante. Lasegundasesininiciconlaterceraetapa,la(c),quesebasenrevisarel comportamiento de la temperatura del agua a la salida manteniendo constante el flujo de agua a la entrada y variando el flujo de aire en el sistema. Finalmente,paralaetapa(d)seemplearonlosflujosdeaguaydeairequemejorse aproximaronalascondicionesdeseadas.Aclaracin:Latemperaturadesalidadelagua que se deseaba enfriar alcanz un mnimo de 22,2C por las condiciones ambientales en el da que se desarroll la prctica. - La cada de presin a travs del lecho empacado por altura del lecho se calcula con la siguiente ecuacin: La cada de presin se tomo por medio de un manmetro que se encuentra instalado en el equipo. Los valores de la cada de presin se presentan en la ltima columna.

Para el primer dato

Los dems valores se muestran en la siguiente tabla: Flujo de aire Cada Por unidad de lecho Cada total. (mm) 450,961210375166,77 500,961210375166,77 650,791585014137,34 800,904668588156,96 Tabla No.4: Cada de Presin a diferentes Flujos de aire.lecho del Alturacolumna la de travs a presin de CadaZP =A Lacadadepresinseobservquesloseveafectadaporelflujodeaire,latablaanterior muestra la cada depresin a diferentes flujos de aire trabajados. -ClculodeFlujosmsicosdeaguaydeaire:Losflujosmsicosdeaguaydeairese determinaron con la calibracin de los rotmetros Enelcasodelflujodelairesedeterminoelflujovolumtricomultiplicandolavelocidad por el rea del tubo (2in) por donde entraba el aire. (

)(

)

Flujo Volumtrico Aire (L/s) Flujo Msico Del aire (Kg/s) 0,0195568820,017428845 0,0209148580,018639056 0,0209148580,018603463 0,0209148580,018603463 0,0209148580,018603463 0,0209148580,018603463 0,0392475350,034128062 0,0426424750,037080164 0,0528272950,045765597 0,0630121150,05448762 0,0562222350,048526213 0,0562222350,048526213 0,0562222350,048436461 0,0562222350,04834704 Tabla 5. Flujos de aire -Clculo de las unidades de transferencia de masa: Pararealizarestosclculosesnecesariotenerunosdatospreviossobredimensionamientodela torre y las caractersticas del empaque (como el tipo de empaque y su dimetro). Dimetro columna (cm) 20,52 Altura empaque Z (cm) 173,5 ds(Anillos Rashing de 1)(m) 0,0356 rea transversal (m2) 0,0331 Presin (atm) 0,7368 Primero es necesario calcular el coeficiente de transferencia de calor en el lquido. La correlacin que se va a utilizar es: 5 . 045 . 0Pr *' *1 . 25LLssthLL ddkh||.|

\|= Donde: Kth es la conductividad trmica PrL es el nmero de Prandtl para el lquido ds es el dimetro de una esfera de la misma superficie que una nica partcula de empaque L es la viscosidad del lquido L es la velocidad superficial de masa lquida. Para calcular Prandtl tenemos: kCpL = Pr Donde: CPliq= 0,993 Kcal/KgC Liq= 0,0085 Kg/m*s Kth=0,625Kcal/smK

Con el nmero de Prandtl se procede a determinar el coeficiente de transferencia de Calor.

(

)

-Clculo de la entalpa de las corrientes. Paracalculaslosvaloresdelasentalpiassonnecesariosdatosdelassustanciasalatemperatura de referencia tomada. Se muestran en la siguiente tabla.CpG(Kcal/Kg C)0,24 Cpv (Kcal/Kg C)0,45 Tref (C)0 ref (Kcal/Kg )597,2 Tabla 6. Datos A Temperatura de referencia. Entonces para realizar los clculos de la entalpia del gasa diferentes puntos de la torre se uso la ecuacin que se muestra a continuacin: Losvaloresdelaentalpaobtenidaparalasdiferentestemperaturassemuestranenlasiguiente tabla: NTOG se calculo por medio de la siguiente ecuacin:

La altura del empaque de la columna se encuentra a continuacin:

Lo datos para los dems ensayos se muestran a continuacin: tG tGN H Z =| |ref* ) ( * ) ( Y T T YC C Ho pv pg Gh+ + = EnsayoHtgNTgZ (m) Entalpia del Gas (entrada) Entalpia del Gas a la salida 11,7718817180,1760,3118511813,1621275,2976363 21,7737869390,1780,3157340812,796675,2976363 31,7685964130,3980,7039013713,907678375,2976363 Tabla 6. Altura de empaque y = 6E-09x3 - 2E-06x2 + 0.0001x + 0.0142 R = 0.9996 00.0050.010.0150.020 50 100 150 2001/(H*-H) H NTG Ensayo 1 NTGPoly. (NTG)y = 6E-09x3 - 2E-06x2 + 0.0001x + 0.0141 R = 0.9996 00.0050.010.0150.020 50 100 150 2001/(H*-H) H NTG Ensayo 2 NTG Ensayo 2Poly. (NTG Ensayo 2) Grfica 1. Grficas de NTG calculados para los 3 primeros ensayos sesin 2. Escalado Para el escalado se emplea un flujo de agua a una razn de 2500 kg/h, es decir 0,6944 kg/s, adems conociendo la relacin L/G que se manejo durante las sesiones, L/G =0,013839 se encuentralacantidaddeairenecesariaparalaoperacin,esdecirG=1517,77kg/sdeaire. Repitiendolosclculoshalladosparalosdatosobtenidosdurantelassesionesseencuentrala altura del empaque con un valor de 5,6 m.

Anlisis de resultados Enlos3primerosensayosdelasegundasesinselograronconseguircondiciones establesquepermitanelenfriamientodelaguadesde50Chasta22,2Caunflujode aguade0,02032kg/sdeagua.Losdatosdealturadeempaque(tabla6)quese encuentran resultan muy bajos en comparacin con la altura de empaque real con la que cuenta el equipo, es decir entre los 30 cm y los 70 cm, esto se puede presentar debido a queelgasenestecasoairesesaturaabajasalturasporlotantoseestara desaprovechandogranpartedelequipo,paraellosepuedehacerunpretratamientoal aireconelobjetivodequeestepermitaaprovecharmejorlacolumna.Sinembargo,el equipo de humidificacin presenta mltiples fallas, debidas al amplio uso que ha tenido a lolargodelosaoslatorre,porendeestaprimeraaproximacinpararesolverel problemapropuestopuedesererrneayllevaraqueeldiseofinalnoseajusteala realidad. Losaltosflujosdeairefavorecenladisminucinenlatemperaturadelaguayaquela velocidad a la que se humedece es menor, permitiendo una mayor transferencia de calor.y = -1E-11x4 + 9E-09x3 - 2E-06x2 + 0.0001x + 0.0136 R = 0.9999 00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180 50 100 150 2001/(H*-H) H NTG Ensayo 3 NTG Ensayo 4Poly. (NTG Ensayo 4) Conclusiones -El quipo dehumidificacindelos laboratorios deingeniera qumicapermiteenfriar agua desde 50C hasta 22,2C a una razn de 0,02032 kg/s. -Se puede enfriar agua desde una temperatura de 50 C hasta 20C con un flujo msico de agua de 2500 kg/h con una altura de empaque de 5,6 m. Sugerencias -Revisar peridicamente el equipo de humidificacin para sesiones de mantenimiento. -Los rotmetros no son los indicados Bibliografa TREYBAL,Robert.Operacionesdetransferenciademasa.Segundaedicin.McGraw Hill. Mxico. 1998.