Universidad Nacional Autónoma de
LABORATORIO LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA III
TORRE DE ENFRIAMIENTO DE AGUA
Profeso: Antonio García Vila Integrantes:
Bárcenas Lugo Dulce Maria Moreno Rodrígue Carla !aola Oli"ares #i$%ne Adileil& 'argas !e(aloa A)el Ga*riel
+,-./-+/.0
México Facultad de Química
Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua y otros medios a temperaturas próximas a las ambientales en grandes volúmenes. Su principio de funcionamiento es que extraen calor del agua mediante evaporación o conducción. Su uso se da en plantas de energa! refineras de petróleo! plantas petroqumicas! plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales. Las torres de enfriamiento usan la evaporación del agua para rec"a#ar el calor de un proceso tal como la generación de energa el$ctrica. Las torres de enfriamiento varan en tama%o desde peque%as a estructuras muy grandes que pueden sobrepasar los 1&' metros de altura y 1'' metros de longitud. (orres más peque%as son normalmente construidas en fábricas! mientras que las más grandes son construidas en el sitio donde se requieren. )n las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de enfriamiento mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. * fin de me+orar el contacto aire, agua! se utili#a un entramado denominado -relleno. )l agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utili#ando pulveri#adores. /e esta forma! se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosf$rico. )l relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. 0na ve# establecido el contacto entre el agua y el aire! tiene lugar una cesión de calor del agua "acia el aire. sta se produce debido a dos mecanismos2 la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire! con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. )n la transmisión de calor por convección! se produce un flu+o de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos. La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento alrededor del 4' 5 es debida al fenómeno difusivo. *l entrar en contacto el aire con agua se forma una fina pelcula de aire "úmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. )sto es debido a que la presió parcial de vapor de agua en pelcula de aire es superior a la del aire "úmedo que circula por la torre! produci$ndose una cesión de vapo de agua 6evaporación7. )sta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vapori#ación del propio lquido. )ste calor latente es cedido al aire! obteni$ndose u enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire L
)l principio de traba+o de estos equipos de proceso es la "umidificación! la cual es una operación unitaria en la que tiene lugar una transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa. /e "ec"o siempre que existe una transferencia de materia se transfiere tambi$n calor. Pero para operaciones como extracción! adsorción! absorción o lixiviación! transferencia de calor es de menor importancia como mecanismo controlante de velocidad frente a la transferencia de materia. Por otro lado! en operaciones como ebullición! condensación! evaporación o cristali#ación! las transferencias simultáneas de materia y calor pueden determinarse considerando únicamente la transferencia de calor procedente de una fuente externa. La transferencia simultánea de materia y calor en la operación de "umidificación tiene lugar cuando un gas se pone en contacto con un lquido puro! en el cual es prácticamente insoluble. )ste fenómeno nos conduce a diferentes aplicaciones además de la "umidificación del gas! como son su des"umidificación! el enfriamiento del gas 6acondicionamiento de gases7! el enfriamiento del lquido! además de permitir la medición del contenido de vapor en el gas. Metodología Experimental Resultados Memoria de !lculo uestionario "#$ :uántos grados centgrados se enfrió el agua desde su temperatura de entrada a la
torre "asta la temperatura de salida en cada corrida experimental! ;:ómo nombra la literatura a $stas diferencias de temperaturas
1 & 3 ?
( *gua de entrad a
( agua de salida
>: ?@.' ?@.' ?@.' ?@.'
>: 3'.' &A.' &@.' &?.'
/iferencia s de temperatu ra
>: 1@.' 1A.' &'.' &&.'
* esto se la llama Bango y es una función directa de la cantidad de agua circulada. %#$ Presente en otra tabla comparativa las diferencias en grados centgrados entre las
temperaturas del agua de salida y la temperaturas de bulbo "úmedo del aire de entrada para cada corrida experimental! ;:ómo nombra la literatura a $stas diferencias de temperaturas<.
de salida >: 3' &A &@ &?
1 & 3 ?
entrad a >: &'.' &'.' &'.' &'.'
tura >: 1'.' A.' @.' ?.'
* esto se le llama acercamiento o grado de aproximación y es la temperatura más ba+a a la que puede llegar el agua. &#$ Llenar la siguiente tabla de datos experimentales y describir los cambios que sufre
la corriente de agua desde la entrada a la salida de la torre as como tambi$n los de la corriente de aire que circula por la torre. Ta'la de datos experimentales
=o de corrid a
1 & 3 ?
Elu+o de agua en la entrad a
LGmin
Elu+o de aire de entrada a condicion es del laboratori o 3 m G "
&' &' &' &'
4' 1J' &J' 33'
( agua de entrad a
( agua de salida
(CS en la entrad a
(CS en la salida
>:
>:
>:
>:
?@ ?@ ?@ ?@
3' &A &@ &?
33 3I 3I 33
?&.A ?' 3J.I 3I
F* "ume dad absolu ta en la entrad a Hg D&' vapor G Hg *S '.''A '.''J '.''J '.''A
F* "ume dad absolu ta en la salida Hg D&' vapor G Hg *S '.'I& '.'? '.'3@ '.'1J
(#$ Proponga un nombre que describa al proceso descrito en la pregunta anterior!
considerando simultáneamente los cambios del aire y del agua que circulan por la torre. )xplique ampliamente si a este proceso se puede calificar como un proceso adiabático! ;Por qu$ adiabático< Si se tapara el domo de la torre! el proceso se podra calificar como adiabático! explique ampliamente. )#$ )n la instrucción se%alada en el punto A de la sección anterior! Kperación del
)quipo! se pide que observe cuidadosamente la corriente del aire que sale por el domo de la torre! describa qu$ fue lo que observó.
para esta transferencia de masa< +#$ ;)xplique cuál es el fenómeno fsico que causa el enfriamiento del agua caliente<
)n las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. * fin de me+orar el contacto aire,agua! se utili#a un entramado denominado -relleno. )l agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el rellen utili#ando pulveri#adores. /e esta forma! se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosf$rico. )l relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. 0na ve# establecido el contacto entre el agua y el aire! tiene lugar una cesión de calor del agua "acia el aire. sta se produce debido a do mecanismos2 la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire! con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. ,$ Plantear y resolver el balance de materia del lado del agua y reportar los Hg G
" de agua perdida por la evaporación y el arrastre "acia el ambiente de gotas de agua. Calance de agua2 L 1MNs1F1OL&MNs&F& )n donde NsONs 1ONs& Si factor i#amos a"ora la ecuación del balance de agua! tenemos2 L1,L&ONs6F&,F17 *gua evaporadaO *gua que absorbe el aire Pero si reali#amos este balance nos daremos cuenta de que el balance! no se cumple por lo que se tienen que sumar las p$rdidas de agua por arrastre! y por lo tanto tenemos que2 *gua evaporadaO *gua que absorbe el aire M *gua p$rdida por arrastre. -#$ Plantear el balance de calor en función de las entalpas y reportar las Hcal G
" que se pierden cuando el aire "úmedo y caliente sale por el domo de la columna. )ste balance se reali#ará en base al flu+o de aire seco! debido a que este permanece constante a lo largo de todo el experimento.
Por lo tanto! tenemos que2 L1D1MNsD1OL&D&MNsD& L1D1MNs 6D1, D&. OL&D& Ns 6D1, D&. OL&D& ,L1D1 M :alor absorbido por el aireO :alor perdido por el agua Para calcular la entalpia de agua tenemos que: H L = Cp L (T L − T 0 ) En donde: CpL es el calor específico del agua en Kcal/Kg°C T0 es la temperatura de referencia que se toma como 0°C TL es la temperatura del agua a la entrada de la torre (tL)! L es el flu"o m#sico del agua a la entrada de la torre (Kg $gua/%)! Para el punto : Para calcular L primero de&emos de calcular la densidad del agua a la temperatura de tra&a"o
ρ H O -!0' = (!.,' − ,!.,- *0 −, * tL (° F ) − -!'+, * 0 −. * tL (° F )) * !0' / 000
1ustitu2endo 3alores tenemos que: ρ H O = (!.,' − ,!.,- *0 −, * (!+-° F ) − -!'+, *0 −. * (!+- ° F )) *! ρ H O = 0!+'','- Kg / L Lo mismo se %i4o para calcular la densidad a la salida de la torre $%ora para calcular el flu"o m#sico (L) a la salida de la torre tenemos que utili4ar la densidad 2 tenemos que: L Kg 0 min = ,!,,- Kg L = L ρ H O -!0' = ! * 0!+'','* min L h h $%ora calcularemos el Cp del agua a la temperatura de tra&a"o!
CpL = !00 − !'' * 0 −- * tL ° F + ,!000. * 0 − * tL ° F + !,.- * 0 −+ * tL ° F
,
1ustitu2endo 3alores tenemos que: −− −+ CpL = !00 − !'' * 0 * (!+-° F ) + ,!000. * 0 * (!+- ° F ) + !,.- * 0 * CpL = 0!+++,.-kcal / Kg °C
$%ora con estos datos 2a podemos calcular el 3alor de la entalpia a la entrada de la torre! Kcal Kcal ( -!0'°C − 0°C ) = -!0, H L = Cp L (T L − T 0 ) = 0!+++,.- Kg °C Kg $%ora para calcular la entalpía del aire sa&emos que es la suma del calor sensi&le de un 5ilogramo de aire m#s el calor latente de 3apori4aci6n del 3apor que contiene! Por lo tanto tenemos que: Hg = Ch(t − t 0 ) + λ 0Y En donde: C% es el calor especifico del aire %7medo en Kcal/Kg aire °C
Cp aire
= ('!+- + (0!00-- * tG ) + (0!00000,+ * tG ) − (0!00000000+. * tG ,))( 0
Cp aire
= 0!,+.' Kcal Kg °C
Cp agua
v
= !'''
Kj Kg °C
*
,+!0cal Kj
*
Kcal 000cal
= 0!-..
Kcal Kg °C
$%ora 2a con estos datos podemos calcular C%! v Ch = Cpaire + Cp agua Y
Ch = 0!,+.'
Kg + 0!-.. Kcal * 0!00++ agua = 0!--0. Kcal Kg AS °C Kg agua °C Kg AS Kg AS °C Kcal
1a&emos que el calor latente de 3apori4aci6n 3ale .+!+,,Kcal/Kg por tanto a%ora se prosigue a calcular g!
Hg = Ch(t − t 0 ) + λ 0Y Hg = (0!--0.
Kcal 0!00++ KgAgua )( (, − 0) ) + .+!+,, * Kg AS °C Kg KLg AS
Hg = ,!-'.+
Kcal
Kcal
KgAS $%ora se 3uel3en a repetir estos c#lculos para t8 e;cepto para el c#lculo del flu"o masico de agua a la salida de la torre! Ese c#lculo se e;plicara mas adelante!
∆ ρ = ρ − ρ
∆ ρ = 0!++. − 0!+'','- = −0!00+-, Kg L
$%ora calculamos el ∆Cp del agua! ∆Cp = Cp − Cp
∆Cp = !000,+ − 0!+++,.- = 0!00.-.
Kcal
Kg °C
Calculo del ∆:
∆ H = (0!-+0,. − -!0,) Kcal = =!, Kcal
h $%ora calculamos el ∆Cp del aire! ∆Cpaire = Cpaire − Cpaire
∆Cp = 0!,+.. − 0!,+.+ = 0!0000-
h
Kcal Kg °C
∆Ch = Ch − Ch ∆Ch = (0!..-' − 0!--0.)
Kcal KgAS °C
= 0!0-
Kcal
KgAS °C
∆ H G = H G − H G ∆ H G = ('!,., − ,!-'.+
Kcal KgAS
= .!.00,
Kcal KgAS Calculo de la entalpia de
aire ∆8:
"/#$ :onstruir la curva de equilibrio utili#ando el siguiente procedimiento2 a. Nenerar las siguientes temperaturas
0 0 0 (:> := ,0 -0 .0 0
'. (ransformar las temperaturas a grados elvin c. *plicar la )cuación de *ntoine para calcular la presión de vapor del
agua 1bar O '.4A@4&3 atm * := !0-'C := -0,0!'
d. :alcular la "umedad de saturación
→ ' ⋅ PvD&K Fsat := + 0! − PvD&K
Hg D&Kv G Hg *S
e. Einalmente evaluar el calor "úmedo saturado y la entalpa de la fase
gaseosa → + 0!- ⋅ Fsat7
Hcal G Hg *s Q:
:"sat := 6 0!-
→
DN> := R :"sat ⋅ 6 (:> − 07 + .+⋅ Fsat
0 0 0 (:> = ,0 -0 .0 0
Q:
Hcal G Hg *S
!+ '!,. !-0DN> = '!+. -+!-, '-!
-!
Hcal G Hg *S
'r)a *e e+ili,rio 200.0000 f(x ! 3."6 ex#( 0.06 x $% ! 0."&
150.0000
(calg As 100.0000
-x#on ential (
50.0000 0.0000
0
10
20
30
40
50
60
70
(/'
""#$ (ra#ar la lnea de operación +unto con la curva de equilibrio en un diagrama
D Ts. (! para calcular en cada corrida experimental el número de unidades de transferencia de masa =0(! el coeficiente global volum$trico de transferencia de masa Fa y la altura de la unidad de transferencia D0(! de acuerdo a la siguiente ecuación de dise%o reportada por (reybal 6&7 en espa%ol &Ge página &JJ2
U
⌠ (L& ⋅ * ⋅ PVaire ⋅ Fa ⌡(L1 Lprom
Si :pProm O 1
D
:pProm DQ
− DL
Hcal GHg Q:
d(
⌠ L& ⋅ * ⋅ PVaire ⋅ Fa ⌡D Lprom
L1
DQ
−D
dD
'r)a *e e+ili,rio 160.0000
f(x ! 3."6 ex#( 0.06 x $% ! 0."&
140.0000
ínea *e e+ili,rio 120.0000
-x#onential (ínea *e e+ili,rio
100.0000
(calg As
&0.0000 60.0000
40.0000 ínea *e o#eracin 20.0000 0.0000
0
10
20
30
40
50
60
70
(/'
"%#$ ;Por qu$ no existe un coeficiente volum$trico global de transferencia de
masa del lado del agua
Wa en
una torre de enfriamiento del agua<
"&#$ ;u$ representa la pendiente de la lnea de operación< "(#$ ;:uál es el significado fsico de la lnea de operación< ")#$ ;u$ representa de la distancia vertical entre la curva de equilibrio y la
lnea de operación< "*#$ ;u$ expresa del número de unidades de transferencia de masa de la
ecuación del punto 11 anterior< "+#$ ;u$ significa la altura de la unidad de transferencia de masa de la
ecuación del punto 11 anterior< ",$ Beportar las siguientes gráficas para las ? corridas experimentales
interpretar los perfiles tra#ados2 Ordenadas
A'scisas
=0(
N 6Hg aire que entra G"7
D0( 6m7
N 6Hg aire que entra G"7
"-#$ ;:uál es flu+o de aire ambiental en Hg G " que se debe alimentar a la torre
de enfriamiento de agua para enfriar una corriente de I'>: a &I>:! cuando se alimentan de &#)+ 01min de agua caliente! reportar el valor del coeficiente volum$trico global 2 3 a en Hg de agua transferida G R " m 3 6Hg D&K G Hg *S7 as como la altura y número de unidades de transferencia D0( y =0( para este flu+o de aire. Nomenclatura
t O (iempo de llenado entre marcas del tanque inferior de la torre 6min7 V O Vasa de agua fra acumulada 6Hg7 L1 O Elu+o de agua en la salida de la torre 6Hg G min7 L& O Elu+o de agua en la entrada de la torre 6 LGmin7 N1 O Elu+o de aire de entrada de la torre 6m 3 G " a &A>: y 1 atm7 (& O (emperatura del agua de entrada de la torre 6>:7 (1 O (emperatura del agua de salida de la torre 6>:7 (bs 1 O (emperatura de bulbo seco en la entrada de la torre 6>:7 (bs & O (emperatura de bulbo seco en la salida de la torre 6>:7 F1 O "umedad absoluta en la entrada de la torre 6Hg D&' vapor G Hg *S7 F& O "umedad absoluta en la salida de la torre 6Hg D&' vapor G Hg *S7 Fr 5 O Porciento de "umedad relativa en la salida de la torre (b" 1O (emperatura de bulbo "úmedo en la entrada de la torre 6>:7 (b" &O (emperatura de bulbo "úmedo en la salida de la torre 6>:7 uestionario 4i'liogra5ía
1., :.X. NeanHoplis. Procesos de (ransporte y 'peraciones 0nitarias 3Ge. 1443. )ditorial :ontinental! S.*. de :.T.! /.E. &., Bobert ). (reybal. Vass (ransfer Kperations &Ge. 14A'. VcNraY,Dill CooH :ompany.! 0S* 3., Vc:abe! Smit"! Darriot. Kperaciones 0nitarias e Zngeniera umica JGe. &''J. VcNraY,Dill CooH :ompany.! 0S*.
