6 - HumidificaciÓn - Resumen Operaciones Unitarias PDF

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Buen resumen del tema...

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HUMIDIFICACIÓN Humidificación Es una operación que comprende la transferencia simultánea de materia y energía entre un líquido puro y un gas permanente e inestable en el líquido. Para el sistema aire-agua, el único componente que se transfiere es el agua, que puede separarse e incorporarse a la corriente gaseosa o condensarse y volver a la fase líquida.

Definiciones Gas húmedo: es la mezcla de gas y líquido en estado de vapor. Ej.: aire húmedo. Éste tiene importancia tecnológica en refrigeración, acondicionamiento de aire y secado. Necesidades industriales - Enfriar un gas caliente. - Humidificar un gas. - Deshumidificar un gas. - Enfriar un líquido. Para qué: - Para acondicionar aire para confort humano. - Para acondicionar aire para uso industrial. - Para control de medio ambiente en agricultura. - Para procesamiento y almacenamiento de agua de uso industrial. - Para crear atmósferas humidificadas para uso medicinal. Como el gas en la mezcla permanece inalterable (se lo suelo llamar gas fijo), resulta conveniente referir todos los valores a 1 kg de gas permanente en nuestro caso particular 1 kg de aire seco. Humedad absoluta: es la masa de vapor por unidad de masa de aire seco.   /

Si expresamos en masas molares (donde P es la presión total): ´   

         

          

La humedad absoluta la obtenemos multiplicando por el peso molecular:  

18     0,62     29      

Para nuestro caso con aire-vapor de agua:  

1 Alejandro Carlucci - Legajo nº: 09409

Humedad de saturación: es la máxima humedad que puede tener un gas a una temperatura dada. La presión parcial del vapor de un gas saturado es igual a la presión de vapor del líquido a la temperatura del gas.   ∗ = 0,62   − 

A medida que se añade más vapor al aire, la humedad absoluta crecerá hasta que el aire ya no pueda contener más humedad. En ese punto se dice que el aire está saturado con humedad → gas saturado. Cualquier humedad agregada al aire saturado condensaría. Humedad relativa: es la cantidad de humedad que el aire contiene (mv) respecto a la cantidad máxima de humedad que el aire puede contener a la misma temperatura. $=





 %0 ≤ $ ≤ 1&

Al aumentar la temperatura, disminuye la humedad relativa, ya que puede contener más humedad el aire. La cantidad de humedad que el aire puede contener depende de su temperatura, por tanto, la humedad relativa del aire cambia con la temperatura aunque su humedad absoluta permanezca constante. Grado de saturación: es la relación entre la humedad absoluta y la de saturación. '=



∗

=

 % − & % −  & =$ % − &  % − &

Cuando Pv y Pvs son pequeños, como ocurre normalmente, son despreciados: '≈$

Calor específico del aire húmedo: también llamado “calor húmedo”, es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura en 1°C a 1 kg de aire seco y su vapor asociado. ( = (  + . (

Donde Ca es el calor específico del aire seco y C v el calor específico del vapor. Entalpía del aire húmedo: es la entalpía de 1 kg de aire seco y el vapor de agua que lo acompaña.  =  + 

Para calcular i hacen falta dos estados de referencia: uno para el aire y otro para el vapor. La entalpía del aire se calcula a partir de 0°C y una atmósfera de presión. Para el vapor se elige el estado de referencia correspondiente al líquido a 0°C.  = ( . ) + (* + ( . ))

 = %( + . ( &) + . *  = ( . ) +  . *

Volumen húmedo: es el volumen total de una unidad de masa de gas seco ocupado por 1 kg de aire seco y el vapor de agua que lo acompaña.  . + =

+

 . + =

1 . ,) 29

 . ,) 18

% +  &. + = ,. ) 

 1 +  29 18

+ = %2,15 + 3,46. &.

)



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Para el aire seco sólo:   0 → +  2,15. %)/& Para el aire saturado:    ∗ → +  %2,15 0 3,46 ∗&. %)/&

Equilibrio entre fases

En las operaciones de humidificación y deshumidificación la fase líquida es sólo un componente puro. La presión parcial de equilibrio del soluto en la fase gaseosa es función de la temperatura cuando la presión total del sistema se mantiene constante. A presiones moderadas, la presión parcial de equilibrio es casi independiente de la presión total y virtualmente igual a la presión de vapor.

Temperatura de bulbo húmedo El termómetro se recubre con una gran saturación de líquido puro y se sumerge en una corriente de aire a una temperatura T y una humedad absoluta H dadas. La temperatura inicial del líquido es aproximadamente igual a la del aire. Como el aire no está saturado, el líquido se evapora, y como el proceso es adiabático, el calor latente es suministrado por el enfriamiento del líquido, por ende, disminuye la temperatura del líquido. Al disminuir la temperatura del líquido hay un gradiente de temperatura entre el ambiente y el bulbo húmedo lo que produce una transferencia de calor sensible del aire hacia el líquido. Se alcanza un estado estacionario para una temperatura del líquido tal que el calor que se requiere para evaporar el líquido y calentar el vapor hasta la temperatura del aire es exactamente compensado por el calor sensible transferido desde el aire hacia el líquido, la temperatura medida por el termómetro en el estado estacionario es la temperatura de bulbo húmedo. El aire que circula debe ser una corriente de aire no saturado, y como tenemos una pequeña cantidad de agua en un gran volumen de aire, el hecho de que se remueva constantemente nos asegura de que las propiedades del mismo no varíen.

La temperatura de bulbo húmedo depende del ∆T, que es la fuerza impulsora para la transferencia de calor y de la variación de humedad, que es la responsable de que se produzca la transferencia de materia. Para mezclas aire-agua, la temperatura de bulbo húmedo es prácticamente igual a la temperatura de saturación adiabática T S. En el análisis del fenómeno sólo despreciamos el calor sensible para calentar el agua, por ser muy pequeño en comparación con el calor latente necesario para evaporar el agua. La cantidad de materia transferida por unidad de tiempo será: 3 

 . 

  %   &

Siendo k = coeficiente de transferencia de materia, teniendo como potencial de difusión la presión del vapor. El calor requerido para evaporar esta cantidad será:

(   (  .*  4    3   .     .  . *%  &   .   . 

Considerando que la presión de vapor Pv y la presión de vapor saturado Pvs son despreciables frente a P: %–   & 6 %–   & 6 

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Luego:



Y:

De estas deducimos:    

∗ 

     →   .   .    .     →  6  .  

     . →6 .   →    ∗ . .        

 . %   & 7∗ ) 

El calor latente q L queda expresado por:

4  . *.  .  . %  &  8´. *. %   & La ecuación de transferencia de calor será: 4  . %)  ) &

En el equilibrio, ambos calores son iguales: 4  4

Temperatura de saturación adiabática Analizaremos que ocurre si se pone en contacto una cantidad de líquido en una cámara térmicamente aislada, de modo que no haya intercambio de calor con el ambiente. Supongamos que el aparato es lo suficientemente largo como para que el aire salga saturado, es decir que esté en equilibrio con el agua que se recircula constantemente. En estas condiciones el aire y el agua alcanzan una temperatura estacionaria, llamada temperatura de saturación adiabática T S.

El gran caudal líquido que recircula constantemente, no varía sus condiciones, pero el aire se ha enfriado y humidificado. El calor sensible que perdió el aire en su recorrido, se destinó a evaporar agua que lo saturó. Balance energético

(. %)  )&  %  &. *

%  &  

( . %)  )& *

Donde Ch se lo considera aproximadamente constante para pequeños intervalos de humedad. Ch = f (H), las líneas de saturación adiabáticas no son rectas, ni paralelas. Isoentálpicas: El balance másico de la figura anterior para el agua: 9.  0 :  9. 



→

:

9

 %  &

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Balance de entalpía:

Por lo tanto:

9.  + :. ( . ) = 9.   (( = í;í4)  + 

:. ( .   =  →  ≈   9

La entalpia es casi la misma debido a que el segundo término de la izquierda es despreciable. Esto nos dice que las líneas de saturación adiabática son aproximadamente isoentálpicas.

Teoría del bulbo húmedo

4 = ℎ . %) − ) &

% −  & %) − )&

=−

 −  ? 1 

ℎ  %3&   . *  

La ecuación (3) es la ecuación de bulbo húmedo.

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Relación de Lewis Es una relación entre la T bh y la T S Sabemos que:

    %ú&  8´* )  )

   (   %í7ó7á& * )  )

Los valores h y K´ son peliculares en el sentido que ambos dependen en igual medida de las condiciones de flujo. Por ello se considera que h/K´ es constante. Para el sistema particular aire-agua:

Y como habíamos definido:

  0,26 8′

(  0,24 0 0,46

Se dice que ambas pendientes son iguales (aproximadamente cuando H=0,043) y difieren considerablemente a humedades y temperaturas elevadas. Luego en el sistema aire –agua

  6 ( →  :  1%:  3º:H& 8´(  8

En este caso la T bh resulta igual a Ts y las líneas psicrométricas coinciden con las de saturación adiabática. El número de Lewis para otros sistemas no es igual a 1. El intervalo en que varía entre 1,3 < Le < 2,5. Línea de saturación adiabática ≈ línea isoentálpica ≈ línea de bulbo húmedo

Humidificación Ya hemos dicho que es un proceso de evaporación de un líquido dentro de un gas y consiste en la transferencia de masa por difusión y convección de moléculas de vapor procedentes de la capa de gas en contacto con el líquido y que tienen una presión de vapor igual a la de este. El vapor pasa del líquido al gas por efecto de un gradiente de presión parcial pero el gas puede estar más frío o caliente que el líquido por lo que el calor sensible puede fluir en uno u otro sentido en la interfase: a) Cuando el líquido está más caliente que el gas, el calor total transmitido procede del líquido:

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b) Cuando el gas está más caliente que el líquido, se transmite calor sensible del gas al líquido, mientras que se quita calor latente. Ti siempre es menor que T L

c) Un caso especial es el humedecimiento adiabático. Este se da cuando la temperatura del gas es muy poco mayor que la del líquido, por lo que el calor latente es exactamente el calor sensible transferido, y luego no se transmite ningún calor por intermedio del líquido. TL es constante, T G > T ,i así puede fluir calor sensible hacia la interfase. Hi > H, para que el gas se humidifique.

Enfriamiento de agua y otros líquidos de proceso - Incluye dos fases y dos componentes. - El proceso de transferencia puede realizarse a temperatura constante. - Sin superficies impermeables de intercambio. - Rendimiento térmico uniforme. - Variación continua de TG y TL. - Variación continua de la concentración del líquido en el gas.

Cambios en la condición del aire Hay cinco procesos posibles: 1) Proceso a calor sensible constante o sea a T bs = constante 2) Proceso a calor latente constante, indicados por H = constante y T r = constante 3) Procesos de entalpía constante o adiabáticos → T bh = constante 4) Procesos de humedad relativa constante (todos los demás parámetros varían, salvo φ = constante)

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5) Una modificación en las condiciones del aire que representa una combinación cualquiera de las anteriores de los anteriores y que no procede a lo largo de las líneas de los procesos anteriores. Por otra parte en el contacto de un gas con un líquido pueden ocurrir operaciones adiabáticas y no adiabáticas. Entre las no adiabáticas citamos dos: 1) Enfriamiento por evaporación 2) Deshumidificación de un gas Enfriamiento por evaporación Industrialmente se lo conoce como torre de enfriamiento. El agua no puede enfriarse por debajo de la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra. La temperatura de saturación adiabática será la mínima que podrá alcanzar el agua, cuando el tiempo de contacto sea infinito.

Deshumidificación del aire Si una mezcla templada de vapor–aire se enfría con un líquido frío, y ocurre que la humedad del gas, es mayor que la interfase gas-líquido, el vapor se difunde hacia el líquido y se deshumidifica el gas. Teóricamente, se enfría primero la mezcla de aire-vapor de agua (es decir se elimina calor sensible), a lo largo de una línea de saturación. La posterior eliminación del calor resulta de la condensación del vapor de agua, extrayéndose agua del aire, al mismo tiempo que sigue reduciéndose la temperatura de bulbo seco (T bs) y el proceso se aleja de la línea de saturación en su segunda fase. H G > Hi → el vapor difunde hacia la interfase. Ti y Hi representan gas saturado → T G debe ser mayor que T i porque sino la masa global del gas estaría sobresaturado con vapor.

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Torres de enfriamiento Objetivo: enfriar agua mediante evaporación. Introducción Cuando un líquido caliente se pone en contacto con un gas no saturado, parte del mismo se evapora y se enfría. La temperatura debe ser baja dentro de los límites razonables (no es necesario utilizar agua a 4°C) y la calidad del agua es importante para evitar incrustaciones, corrosión, ensuciamiento y proliferación de microorganismos que atacan las instalaciones. Para estos usos se recurre a una fuente de agua dulce (no potable). Una vez utilizada el agua no conviene desecharla por varios motivos a saber: - Evitar el uso indiscriminado de fuentes de agua dulce, ya que se utiliza un recurso natural, en algunos casos, no renovable, como algunos tipos de acuíferos. - Evitar la contaminación de suelos, cursos y espejos de agua dulce o salada con agua industrial caliente que lleva en solución muchas substancias tóxicas que se usaron para el tratamiento de la misma (biocidas, secuestrantes de oxígeno, aditivos, etc). - Reducir costos de pretratamiento de agua. - Reducir el volumen de aguas residuales de proceso y el costo de tratamiento de las mismas para alcanzar los estándares solicitados por la legislación. Para ello se utilizan las torres de enfriamiento que ayudan a mantener dentro de la planta un ciclo cuasi cerrado de agua, no se puede mantener un ciclo cerrado debido a que las torres producen el enfriamiento por evaporación (se pierde agua) y además pueden producirse pérdidas dentro del proceso. El relleno de las torres puede ser de madera de ciprés, en Argentina se usa plástico.

Esquema general de proceso Ej.: torre de enfriamiento que asiste a una batería de intercambiadores de calor. El agua enfría un líquido dentro de ellos y por lo tanto se calienta a temperatura T 1. Con el objeto de volver a ser utilizada ya que está tratada, se envía a la torre de enfriamiento en donde se pone en contacto con aire cuya entalpía es i2 . El agua cae desde la parte superior de la torre y se enfría hasta la temperatura T2. Existe una cantidad de agua L o , que debe adicionarse al sistema para contrarrestar las pérdidas por evaporación y arrastre fuera de la torre. Esta cantidad L0 ingresa a T0, lógicamente distinta de T1 y T2 . La cantidad de agua L, vuelve a circular por los equipos de transferencia de calor para completar el ciclo.

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Clasificación de las torres de enfriamiento Torres de circulación natural - Atmosféricas: aprovecha las corrientes atmosféricas de aire. Ventajas: costo de operación muy bajo. Desventajas: como las corrientes penetran en todo el ancho de la torre, se hacen muy angostas. Deben ser muy largas para una capacidad equivalente a otras. Cuando existen calmas, el rendimiento cae abruptamente. Pérdidas por arrastre se manifiestan a todo lo largo de la torre y son mayores que en otros tipos de torre. - De tiro natural: El aire se calienta en la torre al ponerse en contacto con el agua caliente, de manera que su densidad baja. La diferencia entre la densidad del aire en la torre y en el exterior origina un flujo natural de aire frío en la parte inferior y una expulsión del aire caliente menos denso en la parte superior. Ventajas: eliminan el costo de la potencia del ventilador. Desventajas: deben ser altas para promover el efecto chimenea. También deben ser anchas debido a la baja velocidad con que circula el aire. Consumen más fuerza para el bombeo. Torres de tiro mecánico - De tiro inducido: el aire se hace circular a través de la torre mediante un ventilador que succiona desde la parte superior de la torre. Ventajas: el aire se descarga a través del ventilador a alta velocidad, evita su descenso. La altura requerida para la zona de ingreso de aire puede ser más pequeña, ya que el aire puede entrar a lo largo de una o más paredes de la torre porque no está el ventilador abajo. Desventajas: mayor caída de presión en la toma del ventilador, se requiere más energía. Las altas velocidades de descarga producen mayor arrastre de gotas, y por ende, mayor pérdida de agua. - De tiro forzado: el aire se fuerza por medio de un ventilador ubicado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior. Desventajas: el aire entra a través de una abertura circular mediante un ventilador y debido a esto se debe suministrar una altura de torre adicional ya que este ventilador tiene cierta inefectividad por debajo del mismo. Además el aire debe girar 90º a gran velocidad. La descarga del aire por la parte superior se produce a baja velocidad a través de una abertura de gran tamaño en la parte superior. En estas condiciones el aire posee un frente de velocidad pequeño y tiende a descender cercano a la toma de entrada, con lo cual, se contamina el aire que rodea la torre con aire parcialmente saturado que ya ha pasado a través de la torre (recirculación) y reduce la capacidad de trabajo de la torre. Tipo de flujo de aire: a) Contraflujo b) Flujo cruzado - Sencillo

- Perpendicular

- Doble

- Paralelo

Tipo de empaque: a) Con relleno - Salpiqueo: perpendicular al flujo del aire - Película: paralelo al flujo de aire b) Sin relleno

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Tipo de fabricación: a) Montadas en fábrica (paquete) b) Montadas en campo Forma: a) Rectilíneas b) Redondas c) Hiperbólicas d) Octagonales Tipo de enfriamiento: a) Evaporativas b) Secas c) Húmedo - secas Por el tipo de estructura: - Madera - Concreto - Fibra de vidrio - Metálicas

Partes internas de las torres de enfriamiento y función del empaque Si el agua pasa a través de una boquilla capaz de producir pequeñas gotas, se dispondrá de una gran superficie para el contacto de aire-agua. Puesto que la interfase agua-aire es también la superficie de transferencia de calor, el uso de la boquilla permite alcanzar buenos niveles de eficiencia. El líquido que...