FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA
QUIMICA
Practica N1: Humidificacin
DOCENTE : Ing. WALTER MORENO EUSTAQUIO. CURSO : LOU II
ALUMNOS:ADAUTO TERRONES, MNIQUEFLORES GLVEZ, DUBERLLOZANO HERRERA,
ALEXANDERMAURICIO PARDES, DAVIDRODIGUEZ RUIZ, ALEJANDRO
CICLO:IX
TRUJILLO PER2011Practica 1: HUMIDIFICACIONI. IntroduccinLa
humidificacin es una operacin unitaria en la que tiene lugar una
transferencia simultnea de materia y calor sin la presencia de una
fuente de calor externa. De hecho siempre que existe una
transferencia de materia se transfiere tambin calor. Pero para
operaciones como extraccin, adsorcin, absorcin o lixiviacin, 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 ebullicin, condensacin, evaporacin o
cristalizacin, las transferencias simultneas de materia y calor
pueden determinarse considerando nicamente la transferencia de
calor procedente de una fuente externa.Todos estos problemas del
aire son un problema de ingeniera aplicado en la ventilacin de
locales. A nosotros nos interesa como una operacin de transferencia
de calor previa a la desecacin o a los procesos mencionados con
anterioridad al ser expuestos a l aire.La transferencia simultnea
de materia y calor en la operacin de humidificacin tiene lugar
cuando un gas se pone en contacto con un lquido puro, en el cual es
prcticamente insoluble.Generalmente la fase lquida es el agua, y la
fase gas el aire. Su principal aplicacin industrial es el
enfriamiento de agua de refrigeracin, que ser el objeto de estudio
de la prctica que nos ocupa. A grandes rasgos, el proceso que tiene
lugar en la operacin de humidificacin 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
atmosfrico. Parte del agua se evapora, enfrindose as la interfase.
El seno del lquido cede entonces calor a la interfase, y por lo
tanto se enfra. A su vez, el agua evaporada en la interfase se
transfiere al aire, por lo que se humidifica.En la
deshumidificacin, agua fra se pone en contacto con aire hmedo. La
materia transferida entre las fases es la sustancia que forma la
fase lquida, que dependiendo de cmo estemos operando, o se evapora
(humidificacin), o bien se condensa (deshumidificacin.)Existen
diferentes equipos de humidificacin, entre los que destacamos las
torres de enfriamiento por su mayor aplicabilidad.
II. Objetivos: Determinar el coeficiente de transferencia de
masa. kga Determinar la variacin del flujo del liquido (agua).
Determinar el flujo de gas (aire). G Desarrollar un programa que
permita simular el proceso de humidificacin. Evaluar la performance
de la torre de Humidificacin.
III. Materiales y Mtodos.
1. Material de estudio. Aire extrado del medio ambiente. Agua
potable.2. Descripcin del mdulo de Equipo.
El equipo es una torre de enfriamiento de 7 pisos con un rea de
0.95*0.4 y una altura de 2.4; acoplado un ventilador y 3 duchas de
dispersin, la cual opera adiabticamente a rgimen estacionario.
3. Procedimiento Experimental.La presente prctica se desarrollo
con un caudal de gas constante, y variamos los caudales del agua.
Se prendi el calentador elctrico 3 horas antes de iniciar la
prctica. Se fij el flujo de agua caliente va rotmetro del
intercambior de calor; primero se ley a 40, luego se prendi el
compresor para fijar el caudal del aire, se tomaron los datos de la
temperatura inicial. Despus de haber realizado este experimento, se
procedi hacer lo mismo para las diferentes lecturas del
rotmetro.
4. Fundamento terico:Sistema de Interaccin AireAgua
El estado de una masa de aire seco queda definido por la presin
y la temperatura. El aire hmedo contiene vapor, y para definir su
estado habremos de indicar la concentracin de este. Es decir: En un
proceso de humidificacin el agua caliente se pone en contacto con
aire seco o poco hmedo; la materia (agua) y el calor se transfieren
hacia la fase gaseosa a travs de la interfase, como se muestra en
la figura 1. Como resultado, el lquido cede calor a la interfase,
enfrindose tambin. Y el gas se humidifica.
Figura N 1: Condiciones de transferencia de calor.L: caudal
msico de lquidoG: caudal msico de gasH: humedad del gasTL:
temperatura del lquidoTG: temperatura del gasq: calor transferido a
la columna desde el exteriorz: altura de la columnaA: superficie
interfaciala: rea interfacial del volumen dela columna (m2/m3)S:
seccin transversal de la torreAnalizando la torre de enfriamiento y
haciendo los balances necesarios:
Balance de materia:L= Flujo de agua.G=Flujo de aire.
dY=GdYdY=Diferencial de la concentracin de la humedad.
Balance de calor:GCsDt + GdYm= LCLdTLCS= 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:
Q= m.Ce.t.Capacidad Calorfica
GCS(T1-T2)=hgav(tL1 tL2)
Hga= Coeficiente de transferencia de calor.
Transferencia de masa:G(Y1 Y2)= Kgav(Y*-Y)
Y*= Humedad de equilibrio.Y= Humedad de aire medio.
El proceso que ahora nos ocupa se aplica en la desecacin de
sustancias o en el acondicionamiento del aire. Al ser limitada la
cantidad de aire, la humidificacin y el enfriamiento afectan a toda
la masa. Durante el proceso varan continuamente la humedad y la
temperatura del aire. Con la saturacin se alcanza una temperatura
constante llamada SATURACIN ADIABTICA. Ahora bien determinaremos
las condiciones de saturacin con ayuda de un balance calorfico
aplicado a todo el sistema. En el balance intervienen el calor
latente de vaporizacin del lquido y el calor sensible del aire
hmedo. Teniendo la siguiente ecuacin como resultado de la
transferencia de masa en la humidificacin, siendo los trminos de
calor sensible despreciable en compaa con el calor latente:
LCa,ldt1= GsCsdtG + GS 0Dy= GsdH.(1)
Integrando con la suposicin adicional de que L es bsicamente
constante:
LCA,L(tl1- tl2)= Gs(H2-H1).(2)
Si la rapidez de transferencia de masa es pequea, como
generalmente lo es, se puede interpolar por las siguientes
ecuaciones:
GsdY= Kya(Yi-Y)dz(3)GsCsdta=hGaH(ti-tG)dz(4)
Ignorando el calor sensible del vapor transferido, se tiene
que:
LCA,LdtL= hLaH(tl-ti)dz(5)
Sustituyendo las ecuaciones (3) y (4) en la ecuacin (1).
Gs Dh = hGAH(ti-tG)dz + 0 kyaH(Yi Y)dz.(6)
Si hs Dh= kyaH [(CS rti+0 Yi) (Cs rtG + 0Y)]dz (7)
Para el caso en que r=1 y Ah=aLa ecuacin (6) se convierte
en:
Gs Dh = kYa(Hi- H)dz (8)Se tiene combinando las ecuaciones (1),
(5) y (7).
Gs Dh= kYa(Hi-H)dz = hLa(tl-ti)dz (9)Entonces, suponiendo que
KYA ES CONSTANTE, la ecuacin (9) da:
En donde la parte media de la ecuacin es el nmero de veces que
la fuerza motriz promedio se divide entre el cambio d entalpa. Esta
es una medida de la dificultad de la transferencia de entalpa,
llamada Nmero de unidades de entalpa del gas NtG. En
consecuencia:
En donde la altura de una unidad de transferencia de entalpia
del gas= HTg = GS/kya.
Ahora utilizando una fuerza motriz global, que represente la
diferencia de entalpa para las dos fases totales:
Z=Altura de la columna, m.S= Seccin transversal, m2.G= Flujo
msico del gas.K= Coeficiente de transferencia de masa.
Luego para hallar la entalpa del gas en la entrada y a la salida
se tiene:
HG=(0.24 + 0.46Yi)tGe + 0 Yi (13)
tGe= Temperatura del gas en la entrada.0= Calor latente del aire
a temperatura de referencia.
Para el clculo de la pendiente:
L= Flujo del lquido.CL= Calor latente del aire a temperatura de
referencia.
Para el clculo de flujo del lquido en la entrada:
(14) [Kg/h]
Para el clculo del flujo del lquido en la salida.
(15)
Finalmente, el clculo para el coeficiente de transferencia de
masa para el aire (total).
(17)
IV. Calculos y resultados.
Tabla N1 Temperaturas de entrada y salida de la torre de
enfriamiento, tanto del agua como del aire.
Exp.L.RTemperatura de entrada del Aire TA2(C)Temperatura de
salida del Aire TA1(C)Temperatura de entrada del Agua
TL1(C)Temperatura de salida del Agua TL2(C)
1402326,53723
25023285723
370233262,531
48023356437
51002336,565,541
612023376644
Fuente: Datos obtenidos en el equipo de laboratorio de
operaciones unitarias.
Clculos: aplicando las ecuaciones anteriores, se obtienen los
siguientes resultados.
condiciones del aire
T C entradaY1i 1 TC salidaY2i 2
230,01414,02926,50,01917,938
230,01414,029280,02421,362
230,01414,029320,03126,650
230,01414,029350,03731,092
230,01414,02936,50,0433,320
230,01414,029370,04234,677
Estos valores se obtuvieron de las tablas del libro de
transferencia de masa de Treybal y tambin de Ocon/tojo
LR= 40S=0.392 m2z=2.4 m
T Cii*i1/(i*-i)(1/(i*-i))promi*(1/(i*-i))prom
2314,0316,20,970,46060,34930,3392
261519,20,800,23810,19370,1549
2915,822,50,400,14930,12410,0497
3216,226,30,800,09900,08570,0686
351730,80,940,07250,06740,0632
3717,94340,0623
area integral=0,6756
CL=1Kcal/KgC
LCL/G=0,2792
Ls1=160,2kg/h
G aire=573,68Kg aire/h
W agua evaporada=2,868Kg agua/h
Ls2=157,33Kg agua/h
Ky=411,99kg aire/h.m3
LR= 50
T Cii*i1/(i*-i)(1/(i*-i))promi*(1/(i*-i))prom
2314,0316,21,870,46060,29360,5493
3015,923,81,100,12660,09270,1020
3717341,600,05880,04620,0740
4418,648,31,400,03370,02710,0380
512068,61,360,02060,04990,0679
5721,36340,0791
area integral=0,8312
CL=1
LCL/G=0,2157
Ls1=192,23kg/h
G aire=891,29Kg aire/h
W agua evaporada=8,913Kg agua/h
Ls2=183,31Kg agua/h
Ky=787,42kg aire/h.m3
LR= 70
T Cii*i1/(i*-i)(1/(i*-i))promi*(1/(i*-i))prom
3114,03252,970,09110,07230,2148
381735,73,000,05350,04170,1251
462053,43,200,02990,02380,0761
5423,2801,800,01760,01560,0281
582598,51,650,01360,01190,0197
62,526,651240,0103
area integral=0,4638
CL=1
LCL/G=0,4007
Ls1=256,29kg/h
G aire=639,68Kg aire/h
W agua evaporada=10,875Kg agua/h
Ls2=245,42Kg agua/h
Ky=315,37kg aire/h.m3
LR=80
T Cii*i1/(i*-i)(1/(i*-i))promi*(1/(i*-i))prom
3714,03343,970,05010,04150,1650
441848,33,000,03300,02780,0834
502165,35,200,02260,01870,0975
5726,293,23,300,01490,01330,0439
6129,51151,590,01170,01070,0170
6431,091350,0096
area integral=0,4067
CL=1
LCL/G=0,6320
Ls1=288,32kg/h
G aire=456,22Kg aire/h
W agua evaporada=10,493Kg agua/h
Ls2=277,82Kg agua/h
Ky=197,22kg aire/h.m3
LR= 100
T Cii*i1/(i*-i)(1/(i*-i))promi*(1/(i*-i))prom
4114,0341,62,170,03630,03370,0732
4416,248,32,900,03120,02810,0815
4819,1594,200,02510,02200,0926
5323,375,94,200,01900,01650,0695
5827,598,55,820,01410,01140,0666
65,533,321470,0088
area integral=0,3833
CL=1
LCL/G=0,7874
Ls1=352,38kg/h
G aire=447,54Kg aire/h
W agua evaporada=11,636Kg agua/h
Ls2=340,744Kg agua/h
Ky=182,353811kg aire/h.m3
LR=120
T Cii*i1/(i*-i)(1/(i*-i))promi*(1/(i*-i))prom
4414,0348,33,870,02920,02680,1036
4817,9595,600,02430,02100,1177
5423,5803,500,01770,01580,0554
582798,54,000,01400,01250,0502
62311213,680,01110,00990,0362
6634,681510,0086
area integral=0,3631
CL=1
LCL/G=0,9386
Ls1=352,38kg/h
G aire=375,45Kg aire/h
W agua evaporada=10,513Kg agua/h
Ls2=341,867Kg agua/h
Ky=144,916571kg aire/h.m3
V. Conclusiones En los resultados obtenidos, se logr determinar
el coeficiente de transferencia de masa para la fase gaseosa,
determinando que al aumentar el flujo de agua, el coeficiente de
transferencia de masa disminuye. Se logr determinar el flujo de gas
(aire) para cada experimento, determinando que al aumentar la
velocidad del agua, dicho flujo gaseoso disminuye. Se desarroll un
programa en el lenguaje de MATLAB, lo cual nos ayud a desarrollar
dichos clculos de manera satisfactoria.
VI. Bibliografa
OCONTOJO Principios de Transferencia de Masa y Calor, Apndice.
Pag:375-376TREYBAL Fundamentos de Transferencia de Masa, 2da edicin
1989; pag: 271-277OCON VIAN, Elementos de Ingeniera Qumica
Operaciones Bsicas, 4 Edicin. Editorial Aguilar, Madrid ESPAA,
1979, pag. (457,459,462-470).
Apndice
Aplicacin de la humidificacin/deshumidificacinLa principal
aplicacin de la humidificacin y de la deshumidificacin es en el
acondicionamiento de aire y en el secado de gases. Un aspecto de
inters relacionado con esta operacin bsica es el enfriamiento de
aguas despus de un proceso industrial, con el fin de poder ser
utilizada nuevamente; el equipo utilizado tiene forma de torre en
la que el agua caliente se introduce por la parte superior y fluye
sobre un relleno en contracorriente con aire que entra por la parte
inferior de la torre de enfriamiento. Aplicacin en la industria de
alimentosEl conocimiento de los procesos de humidificacin y
deshumidificacin, as como sus clculos implicados en ella, sern
tiles en el diseo y anlisis de diferentes sistemas de
almacenamiento y procesado de alimentos. As mismo, resulta
imprescindible conocer las propiedades de las mezclas aire vapor de
agua en el diseo de sistemas tales como equipos de aire
acondicionado para conservar alimentos frescos, secaderos de granos
de cereal y torres de enfriamiento en plantas de procesado de
alimentos.Por qu humidificar en los almacenes frigorficos?La
demanda del consumidor hace que sean disponibles productos frescos
en cualquier poca del ao, en vez de solamente cuando sea la
temporada. Adems la expectativa de una apariencia fresca y
saludable de los productos ha llevado a cambios importantes en la
manera de cosechar, envasar los alimentos para almacenamiento y en
la manera de exponerlos. Algunos de los mayores cambios los
propician los supermercados, que tienen que anticipar cul ser la
demanda durante la semana y, especialmente, durante los fines de
semana. El sector agrcola tambin ha experimentado muchos cambios a
raz de esto.
Los grandes agricultores han sustituido los pequeos agricultores
locales y ahora se importan productos de toda parte del mundo para
satisfacer la demanda. Estos cultivos tienen que cosechar, madurar,
estar envasados y entregados de acuerdo a los requisitos de los
supermercados. Generalmente, esto no se puede hacer en unas cuantas
horas, as que los productos tienen que estar conservados en
almacenes fros para que conserven su calidad o madurar en salas de
maduracin especiales antes de la entrega. Es en esta fase que la
humedad representa un factor importante para la calidad del
producto.
Fig. Humidificadores para agua de alta presin.