laboratorio nº 01 humidificación

Alumnos:

Chvez Cortavitarte, Taylor

Livias de Freitas, Katherine

Saldaa Staroverova, Wilton

ENFRIAMIENTO DE AGUA HUMIDIFICACIN

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II 1

ENFRIAMIENTO DE AGUA

1. TTULO

Humidificacin

2. OBJETIVOS

Determinar coeficiente de transferencia de masa

Determinar variacin del flujo de lquido

Determinar flujo de gas

Elaborar un programa en computacin para simular la presente prctica

3. FUNDAMENTO TERICO

Proceso unitario que implica trasferencia de materia entre una fase lquida pura y

un gas que es casi insoluble con el lquido. En dicha operacin ocurre de manera

simultnea transferencia de masa y de calor, condicionada mutuamente.

Con frecuencia es necesario preparar aire con una temperatura y una humedad

conocidas. Esto puede efectuarse poniendo al aire en contacto con agua en

condiciones tales que alcance la humedad deseada.



APLICACIONES INDUSTRIALES

El proceso de humidificacin pude llevarse a cabo para controlar la humedad

de un espacio o bien, con mayor frecuencia, para enfriar y recuperar poniendo

en contacto con aire de baja humedad.

El proceso de deshumidificacin por lo general se practica como un paso del

sistema de acondicionamiento de aire tambin puede utilizarse como parte de

un sistema de recuperacin de disolvente; en este caso el vapor condensable

no es agua sino disolventes como tricloroetileno, benceno o metanol.

TORRES DE ENFRIAMIENTO

Una de las operaciones de transferencia por contacto directo ms comunes es el

enfriamiento del agua de servicio en instalaciones industriales. En plantas de

proceso o de generacin de energa se debe disponer de un servicio de agua de

enfriamiento, para ser usado en diferentes lugares de la planta. Esta agua se

destina a enfriar fluidos de proceso en diferentes intercambiadores o

condensadores de la planta, saliendo de ellos con una temperatura que debe ser

bajada para que el agua se pueda volver a usar como agua de enfriamiento.

Si la temperatura de salida de esta agua es alta, se puede aprovechar su calor

residual. Pero si es baja (no mayor de 40 C) no se puede recuperar calor de ella,

y se descarta. El enfriamiento para volver a usar el agua se realiza en la torre de

enfriamiento.

La torre de enfriamiento es generalmente un cilindro vertical en el cual se ponen

en contacto el agua a enfriar y aire atmosfrico, en contracorriente, con el agua

descendente, a contacto entre ambos fluidos ser ms efectivo si se aprovecha

todo el volumen de la torre. La torre puede ser de bafles o de relleno, siendo esta

ltima la que mejor aprovecha el volumen. En el proceso el aire se humidifica. El

agua pierde una pequea fraccin de su caudal por evaporacin hacia el aire. 8

calor necesario para evaporar esta agua se extrae del agua no evaporada, que

como resultado, se enfra al nivel requerido.



Factores que afectan el proceso

Los siguientes factores afectan el rendimiento de una torre de refrigeracin:

La velocidad del flujo del aire y del agua.

La temperatura del agua

La temperatura del aire y la humedad en la entrada, en especial la temperatura de

bulbo hmedo.

El tipo de empaque que se use

El rea y volumen del empaque.

Tipos de torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo al medio utilizado para

suministrar aire a la torre:

Torres de enfriamiento Tiro Inducido: el ventilador se encuentra instalado en la

parte superior de la torre, con lo cual el aire es succionado para que pase a travs

de la misma.

Torres de enfriamiento Tiro Natural: no existe ventilador y el flujo de aire es

consecuencia nicamente de la conveccin natural.

Torres de enfriamiento de Tiro Mecnico: El agua caliente que llega a la torre

puede distribuirse por boquillas aspersores o compartimientos que dejan pasar

hacia abajo el flujo de agua a travs de unos orificios. Proporcionan un control

total sobre el caudal de aire suministrado, adems son torres compactas con

seccin transversal y altura de bombeo pequeas en comparacin con las de tiro

natural, proporcionan un control preciso de la temperatura del agua de salida.

Torres de enfriamiento de Tiro Forzado: el aire se fuerza por un ventilador

situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior; o el ventilador

se encuentra instalado en la parte inferior de la torre, de manera que el aire es

empujado para que fluya a travs de ella. Estas torres estn sujetas

particularmente a la recirculacin del aire caliente y hmedo que es descargado.



Clculos para operaciones de humidificacin

Los subndices 1 y 2 se refieren al fondo y a la parte superior de la columna

L2 = flujos de lquido en el domo de la columna lbmol / h o Kgmol/h

V1, = flujo de la fase Gaseosa que entra a la columna, Lbmol / h o Kgmol/h

V = flujo del solvente o gas seco Ibmol / h o Kgmol/h

Y2 = relacin molar de soluto del gas solvente que entra en el domo de la columna

HV1= entalpa de la fase gaseosa que entra a la columna, Btu / lbmol de gas seco

HL1= entalpa de la fase lquida que entra en el domo de la columna, Btu / Ibmol

de lquido.

Q = calor transferido a la columna desde los alrededores Btu/hr

TL, TV= temperatura de las fases lquida y gaseosa

dz = altura diferencial de la columna empacada (pie)

A = superficie interfacial (pie2)

a = rea interfacial del volumen de la columna (pie2/pie3)

S = seccin transversal de la torre (pie2)



Balance de materia:

=

L= Flujo de agua.

G=Flujo de aire.

dY=Diferencial de la concentracin de la humedad.

Balance de energa:

+ =

CS= Calor especifico medio de aire.

m= Calor latente de vaporizacin medio de H2O en la torre.

CL= Capacidad calorfica de lquido.

Dt= Diferencial de temperatura en el gas.

Dtl= Diferencial de temperatura del lquido.

Transferencia de calor:

= . .

( ) = ( )

Hga= Coeficiente de transferencia de calor.

Transferencia de masa:

( ) = ( )

Y*= Humedad de equilibrio.

Y= Humedad de aire medio.



CLCULOS PARA OBTENER LOS FLUJOS Y COEFICIENTE DE

TRANSFERENCIA DE MASA

Obtenemos la humedad del aire para cada temperatura. (Ver anexo A)

Luego, para hallar la entalpa del gas en la entrada y a la salida se usa la siguiente

ecuacin:

= (. + . ) +

Para el clculo de la pendiente:

=

Para el clculo de flujo del lquido en la entrada [Kg/h]:

=( )

,

Para el clculo del flujo del lquido en la salida.

= [ ( )]

( )

Para el clculo del flujo de gas en la entrada y salida [kg/h]:

=

CL= Calor latente del aire a temperatura de referencia.

Elaborar una tabla, con las temperaturas de entrada y salida del lquido, y crear

un rango.

Con las temperaturas del lquido a la entrada y salida, as como con las entalpas

del gas, se construye una recta que permitir hallar las entalpas del lquido en el

rango de temperaturas.



Obtener las entalpas de equilibrio para cada temperatura. (Ver anexo A)

En la tabla adems, se harn los clculos respectivos para obtener:

( )

El resultado de esta operacin sustituir la integral, obteniendo as Ntg:

( )

=

Calcular el coeficiente de transferencia de masa para el aire (total).

= [

]

.

Finalmente, calculamos tambin el coeficiente de transferencia de masa para el

lquido, hLa:

=

4. EQUIPOS Y MATERIALES

Termmetros



Equipo de intercambio de calor tubular (rotmetros y termocuplas)

Torre de enfriamiento



5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Prender el calentador elctrico antes de iniciar la prctica.

Fijar el flujo de agua caliente va rotmetro del intercambiador de calor; primero

se lee a 50, luego se prende el compresor para fijar el caudal del aire.

Medir la temperatura que marca el rotmetro, este indicar la temperatura de

entrada del lquido caliente.

Medir la temperatura de salida del lquido y gas en la torre de enfriamiento.

Despus se procede hacer lo mismo para las diferentes lecturas del rotmetro.

Para la toma de datos se utilizar la siguiente tabla:

Exp LR Tg1 Tg2 TL1 TL2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Despus de la toma completa de datos, apagar el equipo.

Para medir la temperatura del aire, se colocar un termmetro en hielo. Observar

la temperatura que marca al momento de aparecer la primera gota sobre el

termmetro.

Proceder a hacer los clculos necesarios para obtener los flujos del gas y lquido,

as como el coeficiente de transferencia de masa.



6. RESULTADOS

TABLA N 1. Temperatura de entrada y salida de la torre de enfriamiento, tanto del

agua como del aire.

Exp LR Tg1 Tg2 TL1 TL2

1 50.00 26.00 22.00 42.00 23.00

2 70.00 27.00 22.00 44.00 24.00

3 90.00 29.00 22.00 46.00 28.00

4 100.00 30.00 22.00 47.00 29.00

5 110.00 30.20 22.00 48.00 33.00

6 120.00 30.50 22.00 49.00 35.00

7 130.00 30.70 22.00 49.50 36.00

8 140.00 31.00 22.00 50.00 37.00

9 150.00 31.20 22.00 50.00 38.00

10 170.00 31.30 22.00 51.00 38.50

Fuente: Equipo de Experimento, Laboratorio de Operaciones Unitarias II, de

donde:

LR: Lectura del rotmetro

Tg2: Temperatura de entada del aire

Tg1: Temperatura de salida del aire

TL2: Temperatura de entrada del agua

TL1: Temperatura de salida del agua

A. CLCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 1

Temperaturas de entrada y salida del aire con sus respectivas relaciones de

humedad.

Tg2 = 22 C Yg2 = 0,0166 kg agua/ kg aire


Y = 0,0214 0,0166 = 0,0048



Hallando Entalpias de entrada y salida del Aire

Hg = (0,24 + 0,46 Yi) Tg + (597,2kcal

kg agua Yi)

Hg2 = [0,24 + (0,46 0,0166kg agua

kg aire)] 22 + (597.2

kcal

kg agua 0,0166

kg agua

kg aire)

Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = [0,24 + (0,46 0,0214kg agua

kg aire)] 26 + (597.2

kcal

kg agua 0,0214

kg agua

kg aire)

Hg1 = 19,272 kcal

H = 19,272 15,358 = 3,914

Clculo de la pendiente

m =Hg1 Hg2TL1 TL2

m =(19,272 15,358)kcal/kg

(42 23)C

m = 0,206

Clculo del flujo del lquido de entrada

L2 =(LR 10) 60

19,2

L2 =(50 10) 60

19,2

L2 = 125 kg agua/hora



Clculo del flujo del lquido en la salida

Ls =L2 [Haire (Tg1 Y)]

Haire (Tg2 Y)

Ls =125 [3,914 (26 0,0048)]

3,914 (22 0,0048)

Ls = 124,369 kg agua/hora

Clculo del flujo de aire

G =L2 CL

m=

125 kg agua/hora

0,206

G = 606, 796 kg aire/hora

A continuacin la siguiente tabla de valores y grfica (Anexo B1):

T C H* H (1/(H*-H)) (1/(H*-H))av H (1/(H*-H))av*H

23.00 16.200 15.359 1.189

26.80 19.988 16.142 0.260 0.725 0.783 0.567

30.60 24.527 16.925 0.132 0.196 0.783 0.153

34.40 29.839 17.707 0.082 0.107 0.783 0.084

38.20 35.926 18.490 0.057 0.070 0.783 0.055

42.00 43.700 19.273 0.041 0.049 0.783 0.038

Total 0.897

dH

H H

H2

H1

= 0,897

Calculo de kya

Si Z = 2,4m donde Z es la altura del equipo

S = 0,4m x 0,98m = 0,392 m2 donde S es el rea del equipo



kya =G (

dHH H

H2H1

)

Z S

kya =606, 796

kg airehora 0,897

0,4m 0,392m2

kya = 580,796kg aire

hora m3

Calculo del hLa

hLa = m kya

hLa = 0,206 580,796kg aire

hora m3

hLa = 119.580kg agua

hora m3

B. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 2


humedad



Y = 0,0226 0,0166 = 0,006

Entalpias de entrada y salida del Aire

Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 20,257 kcal

H = 20,257 15,358 = 3,914

La pendiente

m = 0,245



Flujo del lquido de entrada

L2 = 187,5kg agua/hora

Flujo del lquido en la salida


Flujo de aire

G = 765,306 kg aire/hora


TC H* H (1/(H*-H)) (1/(H*-H))av H (1/(H*-H))av*H

24.00 17.200 15.359 0.543

28.00 21.359 16.339 0.199 0.371 0.980 0.364

32.00 26.382 17.319 0.110 0.155 0.980 0.152

36.00 32.234 18.299 0.072 0.091 0.980 0.089

40.00 38.915 19.279 0.051 0.061 0.980 0.060

44.00 48.300 20.259 0.036 0.043 0.980 0.042

TOTAL 0.707

Constante kya


hora m3

Constante hLa

hLa = 141,502kg agua

hora m3

C. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 3


humedad





Y = 0,0256 0,0166 = 0,009


Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 22,589 kcal

H = 22,589 15,358 = 7,231

La pendiente

m = 0,4017





Flujo de aire




28.00 21.300 15.357 0.168

31.60 25.835 16.804 0.111 0.139 1.446 0.202

35.20 31.115 18.250 0.078 0.094 1.446 0.136

38.80 37.173 19.696 0.057 0.067 1.446 0.098

42.40 44.008 21.142 0.044 0.050 1.446 0.073

46.00 53.400 22.588 0.032 0.038 1.446 0.055

TOTAL 0.564



Constante kya


hora m3

Constante hLa


hora m3

D. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 4


humedad



Y = 0,0272 0,0166 = 0,0106


Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 23,819 kcal

H = 23,819 15,358 = 8,461

La pendiente

m = 0,4701


L2 = 281,25 kg agua/hora





Flujo de aire


A continuacin la siguiente tabla de valores y grafica (Anexo B4):


29.00 22.500 15.359 0.140

32.60 27.217 17.052 0.098 0.119 1.692 0.202

36.20 32.741 18.744 0.071 0.085 1.692 0.144

39.80 39.087 20.436 0.054 0.063 1.692 0.106

43.40 46.255 22.129 0.041 0.048 1.692 0.080

47.00 56.200 23.821 0.031 0.036 1.692 0.061

TOTAL 0.593

Constante kya


hora m3

Constante hLa


hora m3

E. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 5


humedad


Tg1 = 30,2 C Yg1 = 0,0275 kg agua/ kg aire

Y = 0,02752 0,0166 = 0,01092




Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 24,065 kcal

H = 24,065 15,358 = 8,707

La pendiente

m = 0,5805





Flujo de aire




33.00 27.700 15.359 0.081

36.00 32.318 17.101 0.066 0.073 1.742 0.128

39.00 37.636 18.842 0.053 0.059 1.742 0.104

42.00 43.654 20.584 0.043 0.048 1.742 0.084

45.00 50.372 22.325 0.036 0.040 1.742 0.069

48.00 59.000 24.067 0.029 0.032 1.742 0.056

TOTAL 0.440

Constante kya


hora m3



Constante hLa


hora m3

F. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 6


humedad.-



Y = 0,0280 0,0166 = 0,0114


Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 24,434 kcal

H = 24,434 15,358 = 9,076

La pendiente

m = 0,6483





Flujo de aire






35.00 30.800 15.359 0.065

37.80 35.481 17.174 0.055 0.060 1.815 0.108

40.60 40.870 18.989 0.046 0.050 1.815 0.091

43.40 46.919 20.804 0.038 0.042 1.815 0.076

46.20 53.626 22.619 0.032 0.035 1.815 0.064

49.00 62.100 24.435 0.027 0.029 1.815 0.053

TOTAL 0.393

Constante kya


hora m3

Constante hLa


hora m3

G. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 7


humedad



Y = 0,02832 0,0166 = 0,01172


Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 24,681 kcal

H = 24,681 15,358 = 9,323



La pendiente

m = 0,6906





Flujo de aire




36.00 32.400 15.358 0.059

38.70 37.020 17.223 0.051 0.055 1.865 0.102

41.40 42.440 19.088 0.043 0.047 1.865 0.087

44.10 48.580 20.952 0.036 0.040 1.865 0.074

46.80 55.438 22.817 0.031 0.033 1.865 0.062

49.50 63.015 24.681 0.026 0.028 1.865 0.053

TOTAL 0.378

Constante kya


hora m3

Constante hLa


hora m3



H. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 8


humedad



Y = 0,0288 0,0166 = 0,0122


Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 25,050 kcal

H = 25,050 15,358 = 9,692

La pendiente

m = 0,7455





Flujo de aire






37.00 34.000 15.357 0.054

39.60 38.772 17.295 0.047 0.050 1.938 0.097

42.20 44.230 19.233 0.040 0.043 1.938 0.084

44.80 50.422 21.171 0.034 0.037 1.938 0.072

47.40 57.348 23.110 0.029 0.032 1.938 0.061

50.00 65.300 25.048 0.025 0.027 1.938 0.052

TOTAL 0.367

Constante kya


hora m3

Constante hLa


hora m3

I. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 9


humedad



Y = 0,02916 0,0166 = 0,01256


Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 25,321 kcal

H = 25,321 15,358 = 9,963



La pendiente

m = 0,8303





Flujo de aire




38.00 35.700 15.359 0.049

40.40 40.215 17.352 0.044 0.046 1.993 0.093

42.80 45.416 19.345 0.038 0.041 1.993 0.082

45.20 51.275 21.338 0.033 0.036 1.993 0.071

47.60 57.792 23.330 0.029 0.031 1.993 0.062

50.00 65.300 25.323 0.025 0.027 1.993 0.054

TOTAL 0.362

Constante kya


hora m3

Constante hLa


hora m3



J. CALCULOS DE VARIABLES DE LA LECTURA DEL EXPERIMENTO 10


humedad



Y = 0,02934 0,0166 = 0,01274


Hg2 = 15,358 kcal

Hg1 = 25,456 kcal

H = 25,456 15,358 = 10,098

La pendiente

m = 0,8078





Flujo de aire






38.50 36.715 15.356 0.047

41.00 41.586 17.376 0.041 0.044 2.020 0.089

43.50 47.205 19.395 0.036 0.039 2.020 0.078

46.00 53.572 21.415 0.031 0.034 2.020 0.068

48.50 60.686 23.434 0.027 0.029 2.020 0.059

51.00 68.547 25.454 0.023 0.025 2.020 0.051

TOTAL 0.344

Constante kya


hora m3

Constante hLa


hora m3

7. CONCLUSIONES

En una torre de humidificacin, al aumentar el caudal de gas aumentamos el

coeficiente de transferencia de materia, por lo que estamos favoreciendo la

humidificacin del gas al aumentar el caudal de lquido, el coeficiente de

transferencia de calor por conveccin de la fase lquida aumenta.

La velocidad de flujo lquido es inversamente proporcional a la velocidad del flujo

gaseoso.

Los resultados ms exactos y precisos son los calculados en el lenguaje de

programacin, pues los clculos manuales se prestan a mayor error.



8. RECOMENDACIONES

Se debe esperar a que la cabeza del rotmetro se estabilice para la lectura

deseada; de esta manera se obtendr un flujo constante en la entrada de la torre

de enfriamiento.

Tener mayor precisin en la toma de datos de temperatura, ya que stas son la

base para los clculos.

9. BIBLIOGRAFA

Treybal, R.E. (1980) Operaciones de transferencia de masa Ed. Mc. GrawHill.

Costa, Cervera, Cunill, Espulgas, Mans, Mata (1999) Curso de ingeniera

qumica Ed. Revert.

Fernndez, Y. Humidificacin Torres de enfriamiento. Issuu. Recuperado de:

http://issuu.com/yoly10/docs/humidificaci_n-torres_de_enfriamiento

Geankoplis, Ch. J, "Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias", CECSA

2da.Ed., Mxico 1995.

Ocon J. & Tojo G. (1986). Problemas de ingeniera qumica. Editorial Aguilar.



10. ANEXO

Anexo A. Tensiones de vapor del agua y humedades y entalpas de saturacin de

la mezcla aire agua (1 atm)



ANEXO B. Grficas de los experimentos.

B1. Experimento 1

y = 0.206x + 10.621

y = 0.0268x2 - 0.344x + 9.9587

0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00



B2. Experimento 2

B3. Experimento 3

y = 0.0259x2 - 0.2982x + 9.4031

y = 0.245x + 9.4792

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00

y = 0.03x2 - 0.5373x + 12.857

y = 0.4017x + 4.1098

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00



B4. Experimento 4

B5. Experimento 5

y = 0.0317x2 - 0.6464x + 14.6

y = 0.4701x + 1.7264

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00

y = 0.0389x2 - 1.145x + 23.124

y = 0.5805x - 3.7974

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00



B6. Experimento 6

B7. Experimento 7

y = 0.042x2 - 1.3679x + 27.176

y = 0.6483x - 7.332

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

y = 0.0493x2 - 1.9413x + 38.312

y = 0.6906x - 9.5033

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00



B8. Experimento 8

B9. Experimento 9

y = 0.0543x2 - 2.3426x + 46.388

y = 0.7455x - 12.227

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

y = 0.0571x2 - 2.5835x + 51.392

y = 0.8303x - 16.192

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00



B10. Experimento 10

y = 0.0598x2 - 2.8055x + 56.088

y = 0.8078x - 15.744

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

laboratorio nº 01 humidificación

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