UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA III
EXPERIMENTO #2 RAPIDEZ DE TRANSFERENCIA DE MASA “TORRE DE PARED MOJADA”
INTEGRANTES:
CASTELLANOS CAMPILLO RAFAEL CORTES AYAL JOSE ALBERTO GARCÍA TABLAS RODRIGO TOSKI DE ANGEL EDUARDO FECHA DE REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO: 24 DE FEBRERO DE 2016 FECHA DE ENTREGA INFORME: 09 DE MARZO DE 2016
Problema
Para un estudio de la transferencia de masa por convección se selecciona la operación de humidificación de aire empleando agua a 30ºC y el equipo de torre de paredes mojadas compuesto por dos columnas de vidrio de diferentes diámetros. Después de operar las dos columnas, se desean obtener los valores del mayor gasto de aire de salida en m3 de aire/min que contenga la máxima humedad molar en (gmol H2O vapor / gmol Aire Seco), reportando: 1.- La rapidez de humidificación o transferencia de masa molar NA en (gmol H2O vapor / min cm2) 2.- Su resistencia a la transferencia de masa 1 / kg en (min cm2 mm de Hg / gmol) 3.- El gradiente de concentraciones en función de las presiones p en (mm de mercurio)
Las características de las columnas son: Columna A.- Diámetro interno de 3.45 cm y longitud de 91.5 cm Columna B.- Diámetro interno de 2.54 cm y longitud de 91.5 cm
Tablas de resultados Tabla A. COLUMNA A DIAMETRO LONGITUD (cm) 3.45 (cm)
Espesor 91.5 (cm)
0.1
AIRE
AGUA SALIDA
ENTRADA Gaire ft^3/h estándar
Tbs
Tbh
Tbs
Tbh
ºC 14.6
Y gH2O/gA S 0.0097
100
ºC 2.6
ºC 22.8
200
24.4
14.2
0.0097
300
22.6
13.8
400
24.3
500 600
ENTRADA
SALIDA
QH20
TH20
TH20
ºC 15.8
Ys gH2O/g AS 0.01
gal/h 20
ºC 30
ºC 25
23.1
16.1
0.011
20
30
22
0.0099
23.4
16.4
0.013
20
30
18
14.4
0.01
23.4
16.2
0.013
20
30
17
23.2
14.3
0.01
22.8
16
0.014
20
30
15
23.8
14.3
0.0099
22.7
15.6
0.014
20
30
15
Gaire (ft^3/h estándar)
100
200
300
400
500
600
Yr salida
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
0.4
Tbs (ºC) amb.
21.5
22.5
22.5
23
23
23
Ys gH2O(v)/gAS
0.011
0.099
0.099
0.01
0.01
0.01
Tbh (ºC) amb.
14
14
14
14
14
14
Tabla B. COLUMNA B DIAMETRO LONGITUD (cm) 2.54 (cm)
91.5 espesor (cm)
0.1
AIRE
AGUA SALIDA
ENTRADA Gaire ft^3/h estándar
Tbs
Tbh
Tbs
Tbh
ºC 13.6
Y gH2O/g AS 0.01
100
ºC 23.6
ºC 24.6
200
23.6
13.6
0.011
300
23.6
13.6
400
23.6
13.6
ENTRADA
SALIDA
QH20
TH20
TH20
ºC 19.1
Ys gH2O/g AS 0.016
gal/h 20
ºC 30
ºC 24
24.6
19.6
0.017
20
30
19
0.011
23.7
17.3
0.015
20
30
18
0.011
22.5
16.8
0.013
20
30
17
Gaire (ft^3/h estándar)
100
200
300
400
Yr salida
0.4
0.4
0.4
0.4
Tbs (ºC) amb.
25
24
24
24
Ys gH2O(v)/gAS
15
14
14
14
Tbh (ºC) amb.
0.01
0.01
0.01
0.01
Graficas Grafica A. Humedades de salida Ys (gH2Ov/ g de aire seco) de las columnas A y B vs el gasto Ge del aire de entrada de las columnas A y B. 0.018 0.016 ) o 0.014 c e s 0.012 e r i a 0.01 g / v 0.008 O 2 H0.006 g ( s 0.004 Y
columna A Columna b
0.002 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Ge (m^3/min)
En esta grafica podemos observar que nuestros datos en efecto no son correctos puesto que para la columna A nuestros datos arrojan que a mayor Ge mayor seria la cantidad de H2O en la corriente al salir de la columna y para la columna B observamos el caso contrario, a mayor Ge menor es la cantidad de H2O al salir de la columna. Lo que debimos obtener son dos curvas con pendiente negativa, debido a que a mayor flujo de vapor, la cantidad de H2O que se transfiera de la corriente de agua la corriente de aire será menor. Sabemos también que dicha transferencia depende del área de transferencia, por lo tanto la cantidad Ys en la columna B, es decir la cantidad de Agua que salga por dicha columna será mayor que la columna A, debido a que la columna A tiene un mayor diámetro que la B, es por ello que el perfil de A estará por debajo del perfil de B. Grafica B. Rapidez de transferencia de masa molar NA (gmol/ min cm2) de las columnas A y B Vs el gasto Ge de aire de entrada de las columnas. 8.00E-02 7.00E-02 ) 6.00E-02 2 ^ m 5.00E-02 c n i m / l 4.00E-02 o m g 3.00E-02 ( A N 2.00E-02
Columna A
Columna B
1.00E-02 0.00E+00 0.0000
0.1000
0.2000
Ge (m^3/min)
0.3000
0.4000
En esta grafica como en la anterior se observa la ambigüedad de nuestros datos, sabemos que el Flux es directamente proporcional al flujo de aire y este a su vez también depende del área de transferencia, por lo tanto lo que debimos obtener son dos rectas con pendiente positiva que representen esta proporcionalidad y como sabemos la columna A tiene una mayor área, por lo tanto la transferencia de masa en dicha columna es menor puesto que el flux es inversamente proporcional al área de transferencia. El perfil de B estará por encima del perfil de A, debido a que el área transversal de B es menor que el área transversal de A. Grafica C. Caídas de presión
(mmHg) de las columnas A y B Vs el gasto Ge de aire de entrada de las columnas.
26.50 26.00
25.50 g25.00 H m m24.50 ) G24.00 A P - 23.50 i A P ( 23.00
22.50 22.00 21.50 0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 0.3000 0.3500 0.4000
Ge (m^3 / min)
Para las caídas de presión, lo que se esperaba obtener es que a mayor flujo, mayor serán las caídas de presión, por lo tanto se esperaba una tendencia positiva casi lineal. Sabemos que en la columna B se obtiene una mayor humidificación de la corriente de aire, esto provoca que la presión parcial del agua en el seno de dicha corriente aumente y por lo tanto la diferencia entre la presión en la interfase y el seno de la fase gas resulte menor. Grafica D. La resistencia 1/Kg (min cm2 mmHg/ gmol) de las columnas A y B Vs gasto Ge de aire de entrada de las columnas. 9.00E+04
) l o8.00E+04 m g 7.00E+04 / g6.00E+04 H m m5.00E+04 2 ^ 4.00E+04 m c n 3.00E+04 i m (
Columna A Columna B
2.00E+04
g K /1.00E+04 1
0.00E+00 0.0000
0.1000
0.2000
Ge
0.3000
0.4000
Para esta tercer grafica podemos observar que para la columna A obtuvimos la tendencia que se quería, aunque un tanto pronunciada, es decir, se esperaban curvas de este tipo en las cuales la resistencia (1/Kg) disminuyera a medida que aumentábamos el flujo de aire, esto se debe a que el coeficiente Kg es inversamente directamente proporcional al aumento del flujo, evaluando el reciproco de coeficiente Kg obtenemos que este disminuirá a medida que amentamos el flujo. Memoria de Calculo Realizado para el primer flujo de la Columna A (100ft3/h y Ys=0.0097)
Calculo del flujo de aire a condiciones del LIQ P=0.77 atm T=25 °C
Transformar a m3/min
= = 128.8175 ℎ 0.0283 1 ℎ 128.8175 ℎ × 1 × 60 = 0.0608 ℎ = 291 (18 × 0.082∗ ) ℎ = 0.0011 ℎ = 1 ℎ ℎ = 915.4453 = ∗ ℎ = 55.6214 = ∗ 1 1 = 55.0871 ∗1000 = 55087.1046 . = ∗∗2∗
Cálculo de Volumen Húmedo:
Densidad del aire húmedo:
Flujo másico de aire húmedo:
Flujo másico de aire seco:
Flux molar:
= 0.000875 ∗
Calculo de la presión parcial del vapor de agua en el seno de la corriente del aire:
∗ = 1 = 0.0076 Calculo de la presión de vapor: A=12.04840 B=4030.182 C=-38.15
−( +. +) ° = 750.° 06148∗ = 31.83
Calculo del coeficiente convectivo individual de transferencia molar:
= ∗ 2∗ ∗ (° ° ln (°° °° )) = 1.20×10− = ( ln ° ° ) ° ° ° ° = 26.0331
Calculo de la caída de presión:
Bibliografía -
Orozco, “Operaciones Unitarias” . Ed.
-
Bird, Stewart, “Transport Phenomena”, 200.
-
Grajales, Betancourt, R. “Transferencia molecular de masa, calor y cantidad de movimiento ”. Universidad Nacional de Colombia.
Limusa, 1996.
