UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL AREA ACADEMICA DE INGENIERIA QUIMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

INFORME Nº4

TORRE DE ENFRIAMIENTO

CURSO : PI – 136 – B ALUMNOS : AYCHASI NAUPARI DIEGO CLAROS RAMIREZ JOHAN REYES SIFUENTES DANY TORRES ALTAMIRANO JUAN PROFESOR : ING. ALEX PILCO NUÑEZ 2012-I

INDICE

1. OBJETIVOS ………………………… 1

2. INTRODUCCIÓN ………………………… 1

3. FUNDAMENTO TEÓRICO ………………………… 1

4. SIMULACIÓN EN HYSYS ………………………… 4

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS ………………………… 12

6. CONCLUSIONES ………………………… 16

7. BIBLIOGRAFÍA ………………………… 16

8. APÉNDICE ………………………… 17

1

TORRE DE ENFRIAMIENTO 1. OBJETIVOS

Determinar la curva experimental del empaque, a diferentes velocidades de aire.

Comprobar los resultados hallados con los resultados del simulador HYSYS V 7.1 2. INTRODUCCIÓN En todos los casos que involucran a la transferencia de masa, necesariamente debe transferirse también calor. Entre las operaciones en donde tanto la transferencia de calor como la de masa afectan a la velocidad, la humidificación y deshumidificación son las más simples y también las que tienen una aplicación más directa de la teoría. Aquí, participan sólo dos componentes y dos fases.La fase líquida, que con mucha frecuencia es el agua, es un solo componente, y la fase gaseosa consiste en un gas incondensable, por lo general aire, en donde está presente algo de vapor de la fase líquida. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1 HUMIDIFICACIÓN: Los procesos de humidificación pueden llevarse a cabo para controlar la humedad de un espacio o bien, con mayor frecuencia, para enfriar y recuperar agua poniéndola en contacto con aire de baja humedad. El agua que ha perdido calor a la atmósfera puede utilizarse una vez más de esta manera en intercambiadores de calor en toda la planta. De manera alternativa, el agua podría enfriarse en intercambiadores de calor de superficie. La selección cae dentro del ámbito económico, con el diseñador evaluando la pérdida de agua de enfriamiento inherente al contacto aire-agua, contra el costo de suministro y manejo de la fuente de enfriamiento al enfriador de superficie y el mayor costo de las unidades de superficie. 3.2 EQUIPO A medida que el agua de enfriamiento para procesos ha sido más valiosa, el reenfriamiento y reuso de esta agua se ha vuelto muy común. Con mayor frecuencia se utilizan torres de enfriamiento de convección natural o mecánica, aunque dicho enfriamiento también puede realizarse en estanques de aspersión o en grandes estanques de retención. Las torres de enfriamiento se utilizan con mayor frecuencia, en especial para grandes cargas de enfriamiento, Por lo general, estas torres se construyen de madera con cubiertas múltiples de tablillas. También se han llegado a utilizar materiales tales como aluminio, acero, ladrillo, concreto y tablero de asbesto. El agua se dispersa por encima de la última cubierta y desciende a través de las diversas cubiertas hasta una base de recolección en el fondo de la torre. Para evitar la corrosión se utilizan materiales de construcción inertes tales como pino de California, acero inoxidable y porcelana. En las aplicaciones de agua de enfriamiento en tamaños intermedios, se suelen utilizar torres de tiro forzado o inducido. Se prefieren las torres de tiro inducido debido a que evitan la recirculación del aire húmedo. En estas torres, los ventiladores se colocan en su parte superior.

2

Fig 1. Vista de la sección transversal de una torre de enfriamiento de tiro inducido con doble flujo

3

3.3 DEFINICIONES DE TERMINOS DE HUMEDAD

4

4. SIMULACIÓN EN HYSYS

Se realizaran corridas con velocidades de aire 590.6 ; 427.9; 350.7 pie/min y para cada una de estas velocidades se deberá trabajar con cuatro flujos de líquidos de alimentación, de tal manera que se pueda obtener valores diferentes de L/G , se muestra a continuación el procedimiento para la determinación de los flujos de agua con los que trabajo la torre con diferentes tipos de empaques, de esta tesis solo tomaremos un empaque , el cual es empaque laminar.

4.1 EMPAQUE LAMINAR : en base a una curva característica del empaque ( que relaciona KaV/L con el valor de L/G ) esto para empaques laminares eficientes del tipo Brentwood 1200 de poliestireno y 0.05 mm de espesor para una altura de 4 pies ( 1.22m) proporcionadas por el fabricante se tiene a continuación las relaciones de flujos másicos ( L/G) para velocidades de aire de aproximadamente 300, 450, 600 pies /min (1.524; 2.286 ; 3.048 m/s) Asi por ejemplo para

Vaire= 300 pie/min (1.524 m/s) Fagua= 20 gpm (0.074 m3/min)

Le corresponde una relación de flujo másico (L/G) Donde ρ: Densidad del agua 1000 Kg/cm3 Área: área transversal de la torre 0.422m2 ρ aire :densidad del aire 1.1236 Kg/m3 Remplazando L/G = 1.7 Al cual le corresponde según la curva característica del empaque un valor KaV/L igual a 1.31, el cual será verificado efectuando el procedimiento que se tiene en el siguiente cuadro

TABLA 1

Velocidad del aire Pie/min (m/s)

Relación L/G (Lb agua/h)/(lb aire/h)

Flujo de agua GPM

Flujo de agua m3/min

300 (1.524)

1.7 2.0 2.5 3.0

19.5 22.9 28.6 34.3

0.074 0.087 0.108 0.130

5

4.2 DATOS TEORICOS

Datos obtenidos del empaque laminar TABLA 2

Flujo de aire

(cfm)

Velocidad del aire

(pie/min)

Flujo de agua

(gpm)

Temp. del agua ( oC)

Temp del aire entrada ( oC)

Temp del aire salida ( oC) Humedad

entrada (%)

Temp . bulbo seco entrada

(oC)

DP (cm

H2O) entrada salida bulbo

húmedo bulbo seco

bulbo húmedo

bulbo seco

2752.5 590.6

30 27 22 18

40 40 40 40

29.2 28.7 28.3 27.8

21.5 21.5 22.0 22.0

26.5 26.5 26.5 26.5

28.2 27.3 26.0 24.6

28.6 27.8 26.4 25.0

81 81 84 84

26 27 27

27.5

0.15 0.15 0.15 0.15

4.3 CUADRO DE RESULTADOS

Resultados obtenidos para empaques laminares TABLA 3

Flujo de aire

(lb/h)

Flujo de agua

(lb/h)

Temp. del agua ( oC)

Temp del aire entrada ( oC)

Temp del aire salida ( oC)

Humedad entrada Humedad salida

entrada salida bulbo

húmedo bulbo seco

bulbo húmedo

bulbo seco

lbH2O/lb aire % lbH2O/lb aire %

11624

15012.0 13510.8 11008.8 9007.2

104 104 104 104

84.56 83.66 82.94 82.04

70.70 70.70 71.60 71.60

79.70 79.70 79.70 79.70

82.76 81.14 78.80 76.28

83.48 82.04 79.52 77.00

0.01426 0.01426 0.01503 0.01503

65.7 65.7 69.1 69.1

0.02439 0.02302 0.02128 0.01964

95.7 96.3 97.4 97.2

Resultados obtenidos para empaques laminares TABLA 4

Flujo de aire (lb/h)

Flujo de agua

(lb/h)

Rango de enfriamiento

( oF)

Carga calor ( BTU/ h)

Entalpia de entrada aire

( BTU / lb aire seco)

Entalpia de salida aire

( BTU / lb aire seco)

Carga calor

( BTU/ h)

Relación L/G

NUMERO DE UNIDADES KaV/L

11624

15012.0 13510.8 11008.8 9007.2

19.44 20.34 21.06 21.96

291833.3 274809.2 231845.3 1977981

27.10 27.10 27.94 27.94

39.25 37.29 34.75 32.33

290710.9 268802.1 240548.6 213560.2

1.291 1.162 0.947 0.775

1.257 1.321 1.360 1.387

6

TABLA 5

VELOCIDAD (cfm)

Entalpia de entrada aire

( BTU / lb aire seco)

Temperatura de saturación a la salida

(oC)

Temperatura de saturación a la salida

(oF)

590.6

52.21 50.74 47.89 44.96

33.7 33.2 32.2 30.8

92.66 91.76 89.96 87.44

427.9

57.01 56.01 54.99 50.46

35.4 35.0 34.7 33.1

95.72 95.00 94.46 91.58

350.5

58.98 57.48 56.29 54.65

36.1 35.6 35.1 34.6

96.98 96.08 95.18 94.28

4.4 CORRIDA EN HYSYS Debido a que el hysys no posee los mismos anillos que se usaron para humidificar el aire, diseñaremos una torre de anillos raschig de 1” que cumpla el balance de masa de la primera experiencia y luego compararemos los resultados de las demás experiencias usando la columna diseñada en hysys. Se sigue la siguiente secuencia de pasos para la simulación:

Creamos un nuevo caso donde nuestros componentes son aire y agua. Debido a que los modelos de coeficiente de actividad se usan en sistemas que contienen sustancias polares a presiones bajas (<10 bar) usaremos el modelo NRTL. A continuación entramos a la ventana PDF-case y creamos los siguientes flujos:

Nombre = aire entrada Humedad=0.1426 (lb agua/lb aire seco) Presión = 1atm Temperatura = 26.5ºc Flujo másico= 11624 lb/h Nombre = agua entrada

Composición: H2O= 1

Presión = 1atm Temperatura = 29.2ºc Flujo másico = 15012 lb/h

7

Adicionar al PDF un absorbedor. En la paleta de operaciones damos click en .

Completamos las especificaciones como se muestra en la siguiente figura. Aspen hysys resuelve de forma predeterminada suponiendo que es una columna de platos. Posteriormente veremos cómo se cambia a lecho relleno.

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Pasamos a la siguiente pantalla. Especificamos la presión en cabeza y en fondos, en este caso consideramos presión atmosférica (1 atm).

La pantalla posterior es para especificar parámetros opcionales. Hacemos click en “done” (hecho).

Luego se abre automáticamente la pantalla de especificaciones de la columna de absorción. Vamos a la pestaña performance y hacemos click en “run” observaremos que las composiciones de los flujos de salida son calculadas (especificamos que deseamos ver composiciones en masa)

Se observa que la humedad del agua vendría a ser 0.0417/0.9583 =0.0400 lbh2o/lb aire seco; en los datos que tenemos la humedad es 0.02439 lbH2O/lb aire seco; para llegar a esa humedad variamos el número de platos y la eficiencia. Para un número de platos igual a 1 y una eficiencia de 51%, se obtiene un valor aproximado a la humedad que deseamos.

9

Ahora reemplazamos los platos por lecho relleno. Vamos a “tolos”/”utilities”. Agregamos, la utilidad “Tray sizing”. Seleccionamos el absorbedor en “select ts”

Le damos ok, luego vamos a “auto section”, seleccionamos lecho relleno (packed) y luego el tipo de empaque raschig rings (ceramic) 1_inch (glitsch). Finalmente complete “autosection”.

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En la pestaña performance, seleccionar packed en “section results”. Observar los resultados de diseño. Por lo tanto para una humidificación tal cual se realizó en la primera experiencia una columna de relleno con anillos raschig (cerámica) de 1 pul debe tenerlas siguientes dimensiones

Con la misma columna diseñada se determinaron las propiedades más importantes de los fluidos que salen del absorbedor y lo comparamos con las medidas experimentales.

Flujo de aire Flujo de agua Temp, del agua salida (ºF) Temp del aire salida ( ºF) Humedad salida (kg H2O/KgAire seco)

(lb/h) (lb/h) Experimental Hysys Experimental Hysys Experimental Hysys

11624

15012 84,56 93,59 83,48 93,59 0,02439 0,02438

13510,8 83,66 92,92 82,04 92,92 0,02302 0,02406

11008,8 82,94 91,68 79,52 91,68 0,02128 0,02364

9007,2 82,04 90,5 77 90,5 0,01964 0,002913

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Ahora diseñamos una columna de absorción pero esta vez ya no en base a la humedad del aire de salida sino en base a la temperatura del agua que sale del equipo, siguiendo el mismo procedimiento para la primera experiencia y el mismo tipo de anillos los datos de diseño son:

Con esta columna simulamos las demás experiencias y obtenemos:

Flujo de aire Flujo de agua Temp, del agua salida (ºF) Temp del aire salida ( ºF) Humedad salida (kg H2O/KgAire seco)

(lb/h) (lb/h) Experimental Hysys Experimental Hysys Experimental Hysys

11624

15012 84,56 85,98 83,48 97,26 0,02439 0,03295

13510,8 83,66 84,96 82,04 96,48 0,02302 0,03199

11008,8 82,94 83,43 79,52 95,01 0,02128 0,0305

9007,2 82,04 81,61 77 93,26 0,01964 0,02881

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5. CÁLCULOS Y RESULTADOS Balance de masa:

Balance de humedad

( ) Balance de Energía

Consideraciones:

No se asumirá que el proceso será adiabático, ya que se puede observar en la TABLA 4 que los valores de CARGA CALORÍFICA de las corrientes de agua y aire son distintos (se está cediendo calor a los alrededores).

Nos basamos en los valores de CARGA CALORÍFICA de la TABLA 4, de esta manera obtendremos un promedio de las pérdidas caloríficas.

q = - 30% de la Carga Calorífica del Agua

( ) Balance de Energía:

( ) ( ) ( )

( ) … (1)

L2=velocidad de flujo del líquido que entra a la columna por el tope, lb/molh(o mol/s)

V1=velocidad de flujo de la fase gaseosa que entra a la columna, lbmolh (o mol/s)

V´=velocidad de flujo del disolvente o gas seco, lbmol/h (o mol/s)

Y2=relación molar de soluto a gas disolvente, en el tope de la columna

Hv1=entalpía de la fase gaseosa que entra a la columna, Btu/lbmol de gas seco (o J/mol)

HL2=entalpía de la fase líquida que entra al tope de la columna, Btu/lbmol de líquido (o J/mol)

q=calor transferido a la columna desde los alrededores, Btu/h (o J/s)

TL,Tv=temperatura de las fases líquida y gaseosa, respectivamente

dz=altura diferencial del empaque de la columna, pies (o m).

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Flujo Agua(lb/h) flujo(lb/hpie2)

15012.0 3304.9

13510.8 2974.4

11008.8 2423.6

9007.2 1982.9

16513.2 3635.4

14011.2 3084.6

12510.0 2754.1

10008.0 2203.3

18014.4 3965.9

16012.8 3525.2

13510.8 2974.4

11509.2 2533.7

Consideración:

Se asume que la velocidad de transferencia del soluto (agua) entre ambas fases es pequeña comparada con el flujo L2 (alimentación), en consecuencia se trabajará con

( ).

( ) … (2)

Además:

( )

… (3) La transferencia de calor en la fase líquida:

( ) … (4)

Ti = temperatura interfacial a = área interfacial de transferencia de calor S =sección transversal de la torra 0.422m2 La transferencia de calor sensible de la fase gaseosa:

( ) … (5)

Para la transferencia de calor latente de la fase gaseosa:

( ) … (6)

Consideración:

El área interfacial a de la transferencia de masa y calor no tienen siempre que ser los

mismos, pero a es el mismo siempre que las velocidades del líquido sean relativamente elevadas.

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Para nuestro caso las velocidades son relativamente altas y en consecuencia:

Combinando las ecuaciones (1), (2), (3), (4), (5) y (6):

[ ( ) ]

∫

( ) ∫

Consideración:

En la mayoría de los casos en torres empacadas sólo se pose y no todos los

coeficientes de fase individuales de transferencia de masa y calor, lo que dificultaría mucho los cálculos con entalpías y temperaturas interraciales, por lo que se sugiere convertir los coeficientes individuales a coeficientes totales (Sólo es posible hacerlo si la curva de equilibrio en el intervalo de temperatura es una recta) – Según Treybal, Operaciones de Transferencia de Masa, 2° Edición, Capítulo 7, Operaciones de Humidificación

( )

∫

(

)

( )

CURVA DE EQUILIBRIO Para un rango de Temperatura [60-120°F] se cumple ,según Foust, Principios de Operaciones Unitarias, 2°Edición, Capítulo 17 Transferencia Simultánea de Calor y Masa-Humidificación

Gráfica realizada en Excel de la curva de equilibrio del sistema agua-aire

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0 20 40 60 80 100 120

H(B

ru/l

bm

ola

ire

seco

)

T(°F)

Curva de Equilibrio Sistema Agua-Aire

Series1

15

Se evalúa la curva de equilibrio para un intervalo de [70-82°F] ya que esta aparente seguir la tendencia de una recta, y se la compara con los valores de H obtenidos a partir de una recta que tenga esos puntos de paso (T=70°F y T=82°F).

Se observa que la recta representa muy bien a la curva de equilibrio en el intervalo de [70-82°F], entonces nuestra nueva curva de equilibrio sigue la ecuación:

RECTA DE OPERACIÓN Para la primera prueba V´=11624 lb/h, se tienen las temperaturas del aire en la entrada y salida.

T bulbo húmedo(°F) aire HV(Btu/lbmol aire seco)

Entrada 70.70 780

Salida 82.76 1130

Los valores de entalpía HV fueron obtenidos mediante la lectura de la carta psicométrica (ver apéndices) usando la T bulbo húmedo y la curva de Entalpía de aire saturado. La recta de operación queda definida por la siguiente ecuación:

( )

( )

NÚMERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA La expresión integral de la ecuación (7) representa el Número de unidades de transferencia, y ya puede ser resuelta analíticamente de la expresión para la primera prueba:

∫

(

)

PRUEBA V´(lb/h) T bulbo

húmedo(°F) aire HV

(Btu/lbmolaireseco) NUT HUT(pie)

Kya (lb/hpie3)

1 11624 Entrada 70.70 780

0.14 19.36 132.15 Salida 82.76 1130

2 11624 Entrada 70.70 780

0.13 22.13 115.62 Salida 81.14 1065

3 11624 Entrada 71.60 800

0.10 31.48 81.28 Salida 78.86 1000

4 11624 Entrada 71.60 800

0.08 38.38 66.67 Salida 76.28 940

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6. CONCLUSIONES

El proceso de interacción aire-agua se basa en la evaporación superficial de líquido o condensación parcial de su vapor, sin fuente externa de calor. Este proceso se caracteriza por el hecho de que la transferencia de materia está siempre acompañada de transmisión de calor, y por tanto su velocidad depende de ambos fenómenos. Así pues, deben conocerse tanto las características del equilibrio como las entalpías del sistema. La materia que se transfiere en este caso es la que forma el líquido que se vaporiza

Si en un proceso de humidificación adiabática con recirculación de agua, el contacto de ésta con el aire es suficientemente prolongado e íntimo, se alcanzará el equilibrio entre ambas fases a la salida del aparato, es decir, el aire se saturará. Estas condiciones se alcanzarían en una torre de enfriamiento infinitamente alta y aislada térmicamente, donde el gas a una determinada temperatura y humedad iniciales fluye en contracorriente con un líquido que se encuentra en condiciones tales que el aire de salida de la columna esté totalmente saturado.

El simulador Aspen Hysys no contiene un equipo de humidificación y al aproximar un equipo de absorción a un equipo de humidificación en el simulador, se vio algunos inconvenientes ya que el diseño de un equipo de absorción tiene por defecto platos y no relleno, lo que se hace es diseñar un equipo de relleno a partir de un equipo de platos, y debido a que los platos de nuestro diseño fueron muy pocos el cálculo del diseño del equipo de absorción arrojó que el diámetro era mayor que su la altura.

Los resultados dados en la simulación son para un sistema adiabático, es decir no hay perdida de calor al sistema, por lo que las temperaturas de las corrientes de salida en la simulación son mayores a los experimentales provocando que haya una mayor evaporación aumentando la humedad del aire.

7. BIBLIOGRAFIA

[1] Paucar Cuba, Karin Maria , “Diseño y construcción de una torre de enfriamiento de tiro inducido con flujo en contracorriente” Tesis (Ing.) - Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Química y Manufacturera. Especialidad de Ingeniería Química, 1999

[2] Foust Alan, “Principios de Operaciones Unitarias”, 2 Edición, Editorial

Continental, 2006, México. Capítulo 17: Transferencia Simultánea de Calor y Masa-Humidificación.

[3] Treybal,R. “Operaciones de Transferencia de Masa”. 2 Edición. Editorial McGraw-Hill. Capítulo 7: Operaciones de Humidificación

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8. APÉNDICE Carta de humedad para el sistema aire-agua

Fuente: Foust Alan, Principios de Operaciones Unitarias, 2 Edición, editorial Continental, 2006, México-Apéndice D14