Propuesta humidificación

8/16/2019 Propuesta humidificación

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EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE HUMIDIFICACIÓNFelipe Muñoz Pinilla - Andrés García Ocampo - Víctor Roa

Laboratorio Operaciones de Separación, Reacciones y Control.

Planteamiento del problema:

Para la etapa de humidificación alguien ha propuesto aprovechar un equipo que tenemosdisponible en el LIQ; se trata de un par de columnas de cobre, empacadas, provistas, entreotras cosas, con un sistema para mover aire, y medidores de caudal y temperatura.Se solicita establecer con detalle el estado actual de dicho equipo y sus aditamentos, ydeterminar si cumple con los requerimientos del proceso, para trasladarlo a Cali.Por otra parte, ya que el secado es muy sensible a las condiciones del aire que se use, sepide recomendar la instrumentación necesaria para verificar dichas condiciones durante laoperación del secador, y elaborar un presupuesto para su adquisición.

Objetivo general:

Establecer condiciones óptimas de operación del equipo de humidificación del laboratorio deIngeniería Química para la obtención del flujo deseado, que permita el funcionamiento delequipo a las condiciones especificadas, a la temperatura y humedad de la ciudad de Cali.

Objetivos específicos:

Evaluar el equipo para las condiciones de humedad y temperatura especificadas deaire en la obtención de un flujo de gas con especificaciones dadas de humedad ytemperatura

Caracterizar el equipo mediante mediciones de flujos, humedades relativas ytemperaturas.

Registrar las condiciones de temperatura y humedad de Bogotá y compararlas conlas de Cali.

Marco Teórico:

La humidificación es una operación en la cual se aumenta la cantidad de vapor presente enuna corriente gaseosa, el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido quese evapora en el gas. Esta operación tiene lugar por difusión, y se presenta transferenciasimultánea de masa y calor en la interface.Para obtener una mayor eficiencia en la transferencia de calor y permitir una mayoraproximación de la temperatura, en aire entra por debajo de la capa de relleno y circula en

contracorriente ascendente hacia el flujo de agua descendente.La reducción de la temperatura del agua en la torre de enfriamiento se produce principalmentepor evaporación, y aun cuando la temperatura sea baja, también se registra ciertatransferencia de calor sensible hacia el aire. Sin embargo, incluso cuando el aire está máscaliente que el agua, es posible que el agua se enfríe por evaporación si la temperatura delbulbo húmedo es inferior que la del agua.Humedad: Es el contenido de vapor de un gas, la humedad solo depende de la presión parcialdel vapor en la mezcla cuando se fija una presión total.

= −=



Donde y son los pesos moleculares de agua y aire seco.Humedad relativa: Es la relación entre la presión parcial del vapor y la presión de saturacióndel vapor a la temperatura del gas. Generalmente se expresa sobre una base porcentual, 0%corresponde al gas libre de vapor y 100% es gas saturado.

ℎ= ∗ ·100

Porcentaje de humedad absoluta: se define como la relación entre la humedad real y lahumedad de saturación, a la temperatura del gas. Para todas la humedades diferentes de 0o 100%, el porcentaje de humedad es menor que la humedad relativa.

ℎ=ℎ·100=ℎℎ∗·100= −∗

−∗ ·100

Calor húmedo: es la energía calorífica necesaria para aumentar la temperatura de 1 mol degas y cualquier vapor que pueda estar contenido, en 1°C.

= +

Donde y son los calores específicos del aire seco y del vapor de aguarespectivamente.

Volumen húmedo: es el volumen total de una unidad de masa de gas libre de vapor, más elvapor que pueda estar contenido con él, a 1 atm y a la temperatura del gas. De acuerdo conla ley de los gases ideales y los valores del volumen molar estándar, ⱱh está relacionado c onla humedad y la temperatura por medio de la ecuación:

=0.0224273(1+ℎ)

Donde está en metros cúbicos por gramo y T en grados Kelvin.Temperatura de bulbo húmedo: Para poder determinar la variable de temperatura de bulbohúmedo, debe considerarse que el calor transferido por convección desde el seno del fluidodebe ser igual al transferido termodinámicamente. Asumiendo que el calor húmedo no esfunción de la temperatura (o es función débil de la misma), se tiene que:

− =∆ℎ · −

ℎ́

Donde y son las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo del gas respectivamente,∆ℎ el calor latente del agua a la temperatura de bulbo húmedo, y , las humedadesabsolutas de saturación y del aire medido respectivamente. El coeficiente modificado detransferencia de calor (que incluye la transferencia de masa) concerniente al denominador dela expresión anterior, se puede definir como:

ℎ =́ ·



Donde para el caso del sistema agua-aire, A toma el valor de 1 (Treybal, 1988) (Foust,Wenzel, Clump, Maus, & Anderson, 2006) y Cs se resuelve como se explicó utilizando loscalores específicos del aire seco y del vapor de agua. Tenga en cuenta que las humedadesabsolutas dependen de la presión de vapor del agua a la temperatura de bulbo seco yhúmedo.

Materiales y reactivos:

Materiales

- Termómetro de humedad relativa.- Anemómetro- Rotámetro- Cronómetro- Probeta plástica de 1L

-

Metodología propuesta:

Evaluar las condiciones del aire que entra al humidificador, con respecto a lascondiciones de Bogotá, debido a que el cambio de las condiciones de humedad ytemperatura del aire van a cambiar al momento del traslado del equipo a la ciudad deCali.

Realizar toma de datos cada 3 minutos, los cuales permitirán observar elcomportamiento del equipo, además de establecer un tiempo de estabilización delequipo.

Cronograma de experimentación:

Tabla 1. Cronograma de actividades.Felipe Víctor AndrésPedir material Preparar el equipo Pedir materialEncendido del equipo Verificar la

instrumentación delequipo.

Bitácora

Toma de muestras Bitácora Verificación de losinstrumentos.

Procedimiento: Calibración del rotámetro de flujo de agua

- Abrir la válvula de agua V-2 totalmente para determinar el valor máximo que marca elrotámetro. Medir el tiempo necesario para llenar una probeta de un litro.

- Cerrar la válvula V-2 hasta obtener una cantidad mínima de flujo de agua en la salidade la torre 2. Medir el tiempo necesario para llenar una probeta de un litro.

- Determinar un delta en la medición del rotámetro utilizando la siguiente ecuación

á =−5

- Abrir la válvula hasta obtener otros 3 valores del rotámetro, obtenidos deRmin+ΔR .

- Medir el tiempo necesario para llenar una probeta de un litro, para cada uno de losvalores.



Calibración del rotámetro de aire

- Cerrar la válvula V-3 y encender el compresor de aire. - Para 5 mediciones del rotámetro, con deltas de rotámetro obtenidos similarmente al

procedimiento para la calibración del rotámetro de agua, realizar le medida del flujocon un anemómetro.

Incidencia del flujo de agua en la humidificación de aire- Para un flujo de aire constante, variar el flujo de agua, se debe registrar los valores de

los rotámetros, las temperaturas de entrada y salida de agua y aire, la humedad delaire en la entrada y en la salida de la torre 2 y la pérdida de presión.

Incidencia del flujo de aire en la humidificación.- Para un flujo de agua constante, variar el flujo de aire, se debe registrar los valores de

los rotámetros, las temperaturas de entrada y salida de agua y aire, la humedad delaire en la entrada y en la salida de la torre 2 y la pérdida de presión.

Descripción del equipo:El equipo de humidificación está representado en la figura 1. Vapor proveniente de la calderade la planta piloto (corriente 1) entra al sistema, éste transfiere energía al agua de proceso(corriente 2) mediante un intercambiador de calor de doble tubo. A la vez, una corriente deaire atmosférico (corriente 3) es presurizada mediante el uso de un compresor yposteriormente calentada en una torre empacada con anillos Rasching. Tanto el agua caliente(corriente 6) como el aire caliente (corriente 7) entran a una segunda torre empacada endonde el aire es humidificado obteniendo de esta manera aire húmedo (corriente 8) y agua(corriente 9).

La entrada de vapor y agua de proceso están controladas por la válvula 1 y 2 respectivamente. Así mismo la válvula 3 controla el flujo de aire comprimido que entra a la primera torreempacada.

El equipo de humidificación está compuesto por unos termosensores para medir lastemperaturas del agua que ingresa a la torre 2, así como la del aire y del agua a la salida deesta misma torre. También posee un manómetro de agua para medir la caída de presión. Esnecesario utilizar un anemómetro para medir la velocidad del flujo de aire húmedo obtenido,un rotámetro para el caudal de agua caliente y un termómetro de medición de humedadrelativa.



Figura 1 Diagrama del equipo de humidificación del LIQ.

Tabla de datos a tomar en el laboratorio

Tabla 2 Calibración del rotámetro de flujo de agua.

Medición Lectura del rotámetro Volumen (mL) Tiempo (s) Flujo de agua (mL/s)

1 (mín)

2

3

4

5 (máx)

Tabla 3 Calibración del rotámetro de flujo de aire

Medición Lectura del rotámetro Lectura anemómetro (m/s)

1

2

3

4

5



Tabla 4 Toma de datos a lo largo de la práctica.

Ensayo Flujo

deagua

Flujode

aire

T agua(entradaT-2) ºC

T agua(salida T-

2) ºC

T aire(entradaT-2) ºC

T aire(salidaT-2) ºC

Humedaddel aire (%) a

la entrada

Humedaddel aire (%)a la salida

Alturamanómetro(cm agua)

1

2

3

4

5

Tratamiento de datos:

Los datos serán evaluados conforme se muestra en el marco teórico, y se espera elaborarunas gráficas que permitan la observación del estado del equipo y de su funcionamientodurante el arranque y la operación normal.

Resultados esperados:

Se espera obtener datos precisos para las condiciones de operación requeridas y con estaspresentar la evaluación de los costos de operación, de transporte y un precio estimado delequipo.

Bibliografía:Foust, A., Wenzel, L., Clump, C., Maus, L., & Anderson, L. (2006). Principios de

Operaciones Unitarias. Ciudad de México: Compañia Editorial Continental.

McCabe, W., Smith, J., & Harriot, P. (1991). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Madrid: McGraw-Hill.

Treybal, R. (1988). Operaciones de Transferencia de Masa. México: Mc Graw Hill.

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