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• ÁngelAlbertoGòmezSandoval

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA III Grupo: 5

Práctica 2. Torre de Pared Mojada.

Integrantes del equipo:

Abonza Sotres Diego

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Moreno Rojo Luis Gabriel

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Velázquez Rueda David Mauricio

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Introducción: La humidificación es una operación que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a través de un líquido que se evapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusión y en la interfase ocurre simultáneamente transferencia de calor y materia. El proceso que tiene lugar en la operación de humidificación es el siguiente:    

Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo contenido de humedad), por lo general aire atmosférico. Parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase. El seno del líquido cede entonces calor a la interfase y por lo tanto se enfría. A su vez el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se humidifica.

La faceta industrialmente más importante de esta operación es el enfriamiento de corrientes de agua. Los dispositivos empleados son las denominadas torres de enfriamiento, provistas en su parte superior de distribuidores de agua. Ofrecen una gran superficie interfacial. El aire asciende por la torre por tiro natural o forzado. Las aplicaciones de la humidificación son principalmente:

 

Acondicionamiento de corrientes de aire, para modificar sus condiciones de humedad y temperatura. Enfriamiento de corrientes de agua procedentes de las unidades de condensación de plantas industriales.

Humedad molar o saturación molar: Relación entre el número de moles de vapor y de gas contenido en una determinada masa gaseosa.

Humedad absoluta o saturación absoluta: Relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa.

Mv y Mg son respectivamente, las masas moleculares del vapor y del gas. Humedad relativa o saturación relativa: Cociente entre la presión parcial del vapor y la tensión del vapor a la misma temperatura.

Humedad porcentual o saturación porcentual: Relación entre la humedad existente en la masa gaseosa y la que tendría si estuviera saturada.

Presión de vapor: Conocida comúnmente como presión de saturación, es la presión a la que cada temperatura la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En el equilibrio a las fases se les denomina líquido saturado y vapor saturado.

Desarrollo: OPERACIÓN DEL EQUIPO

Arranque de la compresora de aire seco.

Cerrar todas las válvulas.

Colocar dos termómetros de cristal en las cámaras superior e inferior de la columna.

Tanque de suministro lleno con agua destilada,

Purgar líneas de aire y vapor.

Válvulas V1A o V1B totalmente abiertas. Alimentar aire a gasto bajo con la válvula V5

Regular el flujo de aire al gasto deseado

Regular el flujo del agua con las válvulas V2A o V2B, que la película del líquido sea lo más uniforme

Abrir una vuelta la válvula V2A o V2B y encienda la bomba.

Asegurar que la bomba esté purgada.

Abrir la válvula V4, hacer funcionar el cambiador de calor a temperatura baja.

Aumentar el flujo de vapor para calentar la corriente de agua que se alimenta al cambiador de calor y se alcancen los 30ºC en el agua de recirculación. Que se alcance el régimen permanente

Tomar los datos de las temperaturas del aire de entrada y salida de la columna, las temperaturas del agua de entrada y salida con los termómetros de cristal y los flujos de aire y agua con los rotámetros del equipo.

No operar la bomba en seco.

Esperar a que la cámara de líquido de las columnas desborde el agua. Cerrar totalmente la válvula V4 y simultáneamente abrir la válvula V3A o V3B.

Resultados: Columna A Aire Entrada Gaire ft3/h 100 200 300 400 500 600

TBSe °C 16 16 16 16 16 16

TBHe °C 10 10 10 10 10 10

Ye gH2Ov/gAS 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008

TBSe °C 19 21 22 21 22 21.5

Salida TBHe °C 16 19 19.5 17.5 18 17.5

Ys gH2Ov/gAS 0.014 0.017 0.017 0.015 0.015 0.015

Agua Entrada QH2O TH2Oe gal/min °C 20 34.5 20 33.5 20 32 20 31 20 30 20 30

Salida TH2Os °C 34 33 31.5 30 29 29.5

Tprom Pa° Kg PAG NA Caida de presion 1/kg °C 34.25 40.462552 0.00034165 8.07692308 0.01106456 32.38562889 2926.96862 33.25 38.2666035 0.001127295 9.77876106 0.0321142 28.48784241 887.079396 31.75 35.1665051 0.001879517 9.77876106 0.04771669 25.38774406 532.051638 30.5 32.7519321 0.002085091 8.6453202 0.05026448 24.10661192 479.5954 29.5 30.9252249 0.002803344 8.6453202 0.06245823 22.27990467 356.716884 29.75 31.3733961 0.003302764 8.6453202 0.07506548 22.7280759 302.776663 Gaire ft3/h 100 200 300 400 500 600 Yr salida 78.4 81.4 79 77.2 75 71.4 TBs °C 18.9 20.3 19.2 17.7 17.5 16.8 Ys gH2Ov/gAS 0.07430628 0.06999134 0.06395846 0.05930656 0.05581417 0.05666887 Columna B Aire Entrada Gaire ft3/h 100 200 300 400

Tprom °C 33.5 33.5 31.5 30.5

TBSe °C 10 10 10 10

TBHe °C 16 16 16 16

Pa°

Ye gH2Ov/gAS 0.008 0.008 0.008 0.008

Kg

TBSs °C 25 24 25 24

PAG

Salida TBHs °C 20 18.5 18 22

Ys gH2Ov/gAS 0.015 0.014 0.014 0.019

NA

Agua Entrada QH2O TH2Oe gal/min °C 20 34 20 34 20 32 20 31

Caida de presion

Salida TH2Os °C 33 33 31 30

1/kg

38.8056692 0.00042286 8.6453202 0.01275349 30.16034902 2364.86959 38.8056692 0.00071826 8.07692308 0.02207128 30.72874614 1392.2501 34.6716042 0.00123509 8.07692308 0.03284694 26.59468116 809.654811 32.7519321 0.0034373 10.9077527 0.07508505 21.84417941 290.925813 Gaire ft3/h 100 200 300 400 Yr salida 84.7 84.4 81.8 79.1 TBs °C 20.3 21.9 23.1 22 Ys gH2Ov/gAS 0.07104737 0.07104737 0.06300166 0.05930656

Análisis de Resultados Columna A

Columna B

Cuestionario 1.- Con base en los resultados obtenidos en las Tablas A y B de los resultados experimentales. Mencionar y describir los fenómenos que ocurren entre el agua caliente y el aire seco en la torre de pared mojada El fenómeno que ocurre entre el agua caliente y el aire seco es un proceso de transferencia de masa (humidificación), el cual se lleva a cabo mediante difusión de vapor en el medio o fase gaseosa, en este caso aire seco. Es necesario destacar que el agua que se encuentra en la interfase se evapora y se transfiere a la fase gaseosa para disminuir la energía de la interfase puesto que el agua se encuentra a una temperatura mayor que la del aire del ambiente. 2.- Precisar el fenómeno físico que se manifiesta a lo largo de la interfase aireagua que causa la humidificación del aire El fenómeno físico que ocurre en la interfase agua-aire es evaporación. La evaporación ocurre debido a que el agua se encuentra a una temperatura mayor que la temperatura del aire y la energía de la interfase debe disminuir para alcanzar un equilibrio entre ambas fases.

3.- Escribir la expresión de gradiente que origina la rapidez de transferencia de masa para humidificar el aire que circula por la columna Na = kg (PAi – PAG)

4.- Explicar por qué en este caso no se considera el coeficiente individual de transferencia de masa convectiva en la fase líquida, k L El coeficiente individual de transferencia de masa convectiva en la fase líquida resulta ser muy pequeño comparado al coeficiente en la fase gaseosa. Es decir, el gradiente de concentraciones del líquido no es significativo comparado con el del vapor.

5.- Utilizar un diagrama interfacial para representar el contacto del agua caliente con el aire frío de baja humedad, para describir los perfiles de temperatura desde el agua líquida al seno de la corriente gaseosa, de la humedad absoluta molar desde la interfase al seno de la fase gaseosa y del calor sensible transferido desde el agua líquida a la fase gas

Parte Alta de la Torre.

Parte Baja de la Torre.

6.- Establecer un balance diferencial para la masa molar del vapor de agua por unidad de tiempo, aplicando el principio del balance de coraza a un elemento diferencial de volumen y obtener la ecuación sin integrar

      

 Vapor de agua que  Vapor de agua en el   pasa de la int erfase   del agua al aire aire de entrada Z     tiempo tiempo       

   Vapor de agua en     el aire de salida Z  Z   tiempo       

      

Considerar: a.- La selección de una envoltura cilíndrica de columna de altura  Z y área A   Di  Z

b.- Despreciar el espesor de la película de agua c.- Introducir el coeficiente convectivo individual de transferencia de masa molar kg (gmol H2Ov / h cm2 atm) d.-Utilizar la siguiente nomenclatura Gs  Flujo de aire libre de soluto gmol AS / h

Y A  Humedad molar del aire gmol H2Ov / gmol AS

Y A1  En la entrada, Y A2  En la salida kg  Coeficiente convectivo individual de transferencia de masa molar

gmol H2Ov / h cm2 atm

p A i  Presión de vapor de agua en la interfase en atm

p A G  Presión parcial del vapor de agua en el seno de la corriente del aire atm

A = Área normal a la dirección de la transferencia de masa molar cm^2 Di = Diámetro interno de la columna cm

Balance de coraza

Tomando el límite cuando

→0

Debido a que Gs no depende de z:

7.- En base a la ecuación diferencial obtenida en la pregunta anterior, escribir p A i como la presión de vapor p A0 y p A G en términos de la humedad molar

YA

p AG PT  p A G

YA

p AG PT  p A G

Integrar este resultado para obtener el modelo del coeficiente kg promediado a lo largo de la columna. Separamos variables:

Considerar: * kg es constante * La temperatura del agua de entrada con respecto a la de salida no varía notablemente, por lo que se puede sustituir el término de la presión de vapor por un promedio aritmético de las presiones de vapor en la entrada y salida de la columna * Consultar el Apéndice para aplicar la integral reportada en tablas e integrar la ecuación diferencial obtenida De esta manera la ecuación queda de la siguiente forma:

Área = π Di L Al realizar la integral con ayuda del apéndice

Evaluando de YA1 a YA2 y despejando kg:

8.- En la ecuación sin integrar obtenida en la pregunta 6, sustituir la ecuación de rapidez de transferencia de masa molar N A  kg  p A i  p A G  , para obtener el modelo del flux NA promediado a lo largo de la columna

Expresión obtenida en la pregunta 6:

Integrando esta ecuación:

El flux de masa promediado a lo largo de la columna es:

9.- Obtener el modelo del gradiente de presiones promediado a lo largo de la columna utilizando nuevamente la ecuación de rapidez de transferencia de masa molar N A  kg  p A i  p A G 

Sustituyendo

y

de las preguntas 7 y 8 obtenemos

10.- De la gráfica A. ¿Por qué razón al aumentar el flujo de aire de alimentación en la columna B lo humedece más que en la columna A, si las humedades, flujos y temperaturas de las corrientes alimentadas son iguales en cada una de las columnas? La superficie de contacto de la interfase es mayor en la columna A que en la B puesto que el diámetro es mayor. Entonces se necesita menor energía para evaporar la interfase en la columna B que en la A. Por lo tanto, la columna B se humedece más.

11.- De la gráfica A. ¿Porqué al aumentar el flujo de aire alimentado a las columnas A y B decrecen los perfiles de las humedades de salida Ys? El tiempo en el que interactúa la corriente de aire y la interfase agua-vapor se reduce al aumentar el flujo de aire y se ve afectada la transferencia de masa (humidificación de la fase gaseosa).

12.- ¿Por qué en la gráfica B, el perfil de la rapidez de transferencia de masa molar NA de la columna B, está siempre por arriba de la rapidez de transferencia de masa molar de la columna A, a pesar de que las humedades, temperaturas y flujos de las corrientes alimentadas son iguales en cada una de las columnas? De nuevo, la única variación que se hace entre ambas columnas es el diámetro. En la columna B se tiene un diámetro menor que en la columna A y por este motivo la superficie de interfase es menor; por lo cual se requiere una cantidad menor de energía para evaporar el agua.

13.- ¿Explicar por qué en la gráfica C, el perfil de la caída de presión de la columna B, está por abajo del perfil de la caída de presión de la columna A, si no hay diferencia en las humedades, temperaturas y flujos de las corrientes alimentadas en las columnas A y B? De igual manera se puede explicar este fenómeno por la diferencia entre los radios de ambas columnas puesto que al haber menor superficie de contacto la caída de presión es menor. 14.- ¿Por qué razón en la gráfica D, el perfil de la resistencia de transferencia de masa molar 1/ kg de la columna B, está siempre por abajo de la resistencia de transferencia de masa molar 1/ kg de la columna A, a pesar

de que las humedades, temperaturas y flujos de las corrientes alimentadas son iguales en cada una de las columnas? La resistencia a la transferencia de masa molar es menor debido a que a superficies de contacto menores corresponde una menor resistencia.

15.- ¿Cuál es la longitud y diámetro de la columna, el mayor gasto del aire de salida con un contenido de humedad que cumpla simultáneamente con las tres condiciones siguientes: 1.- La mayor rapidez de humidificación 2.- La mínima resistencia de transferencia de masa 3.- El menor gradiente de concentraciones Los valores de cada condición en (gmol / min cm2), (min cm2 mm de Hg / gmol) y el gradiente de concentraciones en función de las presiones en (mm de Hg).

Conclusión: En este experimento se observó la variación de la transferencia de masa debido a la variación de flujos de aire y cambio en el diámetro de columnas. Se concluye que a menores diámetros la transferencia se ve favorecida porque la interfase necesita menor energía para evaporar esa cantidad de agua; así como la relación del flujo de aire con la cantidad evaporada puesto que se necesita que la fase gaseosa y la interfase interactúen durante cierto tiempo para poder llevar a cabo la transferencia de masa. Bibliografía:  Ernest J. Henley, J.D. Seader. Separation Process Principles. John Wiley and Sons, Inc. United States of America 1998  R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot. Transport Phenomena, second edition. John Wiley & Sons, Inc. New York. 2002

 Antonio Valiente. Introducción a la Transferencia de Masa, primera edición, Facultad de Química, UNAM. México. 2005