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La operación unitaria de humidificación Palmer Vicente Pulla Huillca [email protected] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Introducción Definición de humidificación y deshumidificación Definiciones básicas Diagrama psicrométrico o diagrama de humedad Métodos de determinación de humedad Métodos para incrementar o disminuir la humedad de una masa de aire Enfriamiento de agua: torres de enfriamiento Mecanismos de interacción del gas y del líquido Bibliografía

Introducción En las operaciones básicas controladas por la transferencia de materia y de calor se da simultáneamente estas dos; hay, por tanto, dos fuerzas impulsoras separadas que pueden ir en el mismo sentido o en sentidos opuestos. Las operaciones básicas más importantes son: el acondicionamiento de gases o enfriamiento de líquidos (fases presentes líquido/gas); y el secado (fases presentes sólidos o líquidos/gas). El acondicionamiento de gases es una operación que tiene por objeto modificar las condiciones de humedad de una corriente de aire por interacción con una corriente de agua; se conoce como humidificación o deshumidificación, se puede aplicar a cualquier sistema gas/líquido aunque la aplicación más extendida es al sistema aire/agua. Industrialmente tiene gran importancia el enfriamiento de una corriente de agua por interacción con aire. La humidificación como una operación unitaria en la cual se da una transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa, tiene lugar cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro, en el cual es prácticamente insoluble. Este fenómeno nos conduce a diferentes aplicaciones además de la humidificación del gas, como son su deshumidificación, el enfriamiento del gas (acondicionamiento de gases), el enfriamiento del líquido, además de permitir la medición del contenido de vapor en el gas. Generalmente la fase líquida es el agua, y la fase gas el aire. Su principal aplicación industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración. En la deshumidificación, agua fría se pone en contacto con aire húmedo. La materia transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase líquida, que dependiendo de cómo estemos operando, o se evapora (humidificación), o bien se condensa (deshumidificación.) Existen diferentes equipos de humidificación, entre los que destacamos las torres de enfriamiento por su mayor aplicabilidad. En ellas, el agua suele introducirse por la parte superior en forma de lluvia provocada, y el aire fluye en forma ascendente, de forma natural o forzada. En el interior de la torre se utilizan rellenos de diversos tipos que favorecen el contacto entre las dos fases.

Definición de humidificación y deshumidificación Humidificación 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 hay, simultáneamente, transferencia de calor y de materia. A grandes rasgos, 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 en humedad), normalmente 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. Deshumidificación

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La deshumidificación es una operación que consiste en reducir la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa, mediante una condensación parcial del vapor, que se separa. Aplicación de la humidificación/deshumidificación Aplicación general La principal aplicación de la humidificación y de la deshumidificación es en el acondicionamiento de aire y en el secado de gases. Un aspecto de interés relacionado con esta operación básica es el enfriamiento de aguas después de un proceso industrial, con el fin de poder ser utilizada nuevamente; el equipo utilizado tiene forma de torre en la que el agua caliente se introduce por la parte superior y fluye sobre un relleno en contracorriente con aire que entra por la parte inferior de la torre de enfriamiento. Aplicación en la industria de alimentos El conocimiento de los procesos de humidificación y deshumidificación, así como sus cálculos implicados en ella, serán útiles en el diseño y análisis de diferentes sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos. Así mismo, resulta imprescindible conocer las propiedades de las mezclas aire – vapor de agua en el diseño de sistemas tales como equipos de aire acondicionado para conservar alimentos frescos, secaderos de granos de cereal y torres de enfriamiento en plantas de procesado de alimentos. La mayor parte de los alimentos que producimos, almacenamos y distribuimos contiene elevadas porciones de agua en sus tejidos, como puede comprobarse en la tabla Nº 01 en la cual se recogen algunos ejemplos: Tabla Nº 01. Contenido de agua de algunos alimentos. Frutas Melocotón……………….. Albaricoque……………... Cereza…………………… Naranja………………….. Pera……………………… Manzana………………… Plátano………………….. Fresa…………………… Hortalizas Acelgas…………………... Lechuga…………………. Repollo…………………... Espárragos……………… Judías verdes…………… Tomate………………….. Melón…………………… Fuente: Amigo, P. (2000).

(%) 88 86 82 84 83 83 75 89-91 89 92 86 94 89 94 89

Carnes Vaca…………………… Ternera……………….. Cordero……………..... Cerdo………………..... Gallina………………..

(%) 73-76 (según zona) 74 (muslo) 71,6 (paletilla) 60,2 (pierna) 74,0

Leches Leche de vaca………....

86,6

Por otra parte los vegetales que consumimos en estado fresco, como las frutas y hortalizas, aun después de recolectadas, continúan realizando sus funciones vitales, entre ellas la respiración y la transpiración e intercambian agua, en forma de vapor, con la atmósfera que las rodea. El fenómeno transcurre con mayor o menor intensidad, en función de la actividad fisiológica del producto que está íntimamente relacionada con factores como temperatura del ambiente y su humedad. Esto conlleva perdidas de peso, tanto más rápidas y cuantiosas cuanto más baja es la humedad de la atmósfera en cuestión. Las pérdidas de peso a temperatura ambiente son muy elevadas; se manejan cifras del orden del 10 al 15 por 100 diarias. Para prevenirlas, es conveniente conservar los productos en cámaras a temperaturas bajas y humedad relativa alta y así reducir dichas pérdidas. La humedad del aire es un factor esencial para evitar las pérdidas de peso en frutas y hortalizas. Estas pérdidas se traducen en una menor turgencia, que les produce la apariencia de un producto viejo y “cansado” y en definitiva en su devaluación comercial. En las hortalizas, perdidas de humedad entre el 5 y el 10 por 100 dan lugar a la aparición de fenómenos de marchites, que son detectables a simple vista y que provocan la depreciación del producto. Para ver trabajos similares o recibir información semanal sobre nuevas publicaciones, visite www.monografias.com

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Vemos pues como el contenido de humedad de los tejidos vegetales está íntimamente ligado a la amplitud de su periodo de conservación y a las condiciones en que esta se realiza. Las pérdidas de peso y modificaciones en la textura de los alimentos son parámetros de importancia capital, a considerar en la aplicación de técnicas poscosecha y en la fase de distribución comercial de los alimentos perecederos que no se pueden ignorar. Pero tampoco una humedad muy alta en la cámara de conservación representa la solución definitiva para los problemas de la pérdida de peso y envejecimiento de los productos, pues la humedad excesiva produce fisiopatías, y favorece el desarrollo de enfermedades criptogámicas. El contenido de humedad, juega un papel diferente en otros productos, así los granos y semillas de cereales y leguminosas, y las pepitas de girasol, deben tener un bajo porcentaje de humedad si se pretenden conservar adecuadamente. Las normativas comunitarias establecen para los cereales contenidos máximos en el entorno del 13 al 15 por 100. Así pues, el conocimiento de las propiedades del aire húmedo, se medida y regulación se hacen imprescindibles como técnicas a manejar, tanto en el almacenamiento y conservación de las producciones de origen vegetal y animal.

Definiciones básicas Normalmente al hablar de humidificación se hace referencia al estudio de mezclas de aire y vapor de agua; en lo que sigue consideraremos aplicables a cualquier tipo de mezclas constituidas por un gas y un vapor las ecuaciones que indicaremos a continuación. Suponiendo que el comportamiento de la mezcla cumple con las leyes de los gases ideales, la presión total ejercida por la mezcla será igual a la suma de la presión parcial del gas y de la presión parcial del vapor; o sea:

Es decir, la fracción molar es igual a la composición en volumen. A continuación definiremos los conceptos involucrados en la operación de humidificación, así como también se presentaran ejemplos prácticos por cada concepto según corresponda. Humedad molar o saturación molar Es la relación entre los números de moles de vapor y de gas contenidos en una determinada masa gaseosa.

Humedad absoluta o saturación absoluta Es la relación entre el peso de vapor y el peso de gas contenido en una masa gaseosa

Siendo Mv y Mg las masas moleculares del vapor y el gas. Para el caso de la mezcla aire – agua, el contenido en humedad se define como la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. Las unidades en que se expresan el contenido de humedad son kg de agua/kg aire seco. Es así que tomando para el aire un peso molecular medio igual a 29, tendremos: Para ver trabajos similares o recibir información semanal sobre nuevas publicaciones, visite www.monografias.com

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Ejemplo de aplicación En una mezcla de vapor de tolueno y nitrógeno a 80º C y 740 mm de Hg, la presión parcial del tolueno es 150 mm de Hg. Calcúlese la concentración de tolueno: a. en fracción molar b. en saturación molar c. en saturación absoluta Peso molecular del tolueno = 92 Peso molecular del nitrógeno = 28 Solución:

Humedad relativa o saturación relativa La humedad relativa (φ), es un término utilizado para expresar la cantidad de humedad en una muestra dada de aire, en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado y a la misma temperatura de la muestra. La humedad relativa se expresa en porcentajes, tal como 50%, 75%, 30%, etc. Es el cociente entre la presión parcial del vapor y la tensión de vapor a la misma temperatura.

Humedad porcentual o saturación porcentual La humedad porcentual, es un término que algunas veces se confunde con la humedad relativa. La humedad porcentual, es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con el peso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de aire seco a la temperatura del bulbo seco. Es la relación entre la humedad existente en la masa gaseosa y la que existiría si estuviera saturada.

Ejemplo de aplicación Una mezcla aire – vapor de agua contiene el 24 % en volumen de vapor de agua, a 70º C y 750 mmHg. Calcúlese la humedad relativa y la humedad porcentual. Solución: La presión parcial del vapor de agua será: Pv = 0,24 x 750 = 180 mmHg La tensión de vapor a 70º C (dato de tablas) es 233, 7 mmHg. La humedad relativa será:

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Punto de rocío El punto de rocío se define como: la temperatura debajo de la cual el vapor de agua en el aire, comienza a condensarse. También es el punto de 100% de humedad. La humedad relativa de una muestra de aire, puede determinarse por su punto de rocío. Es la temperatura que alcanza la masa de gas húmedo en la saturación por enfriamiento a presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si se continua enfriando la mezcla se ira condensando el vapor, persistiendo las condiciones de saturación. Tabla Nº 02. Temperatura de superficie a las que habrá condensación

Fuente: http://www.emersonclimatemexico.com/mt/mt_cap_13.pdf Volumen especifico del gas húmedo Es el volumen ocupado por la mezcla que contiene 1 kg de gas, y viene dado por

Calor especifico del gas húmedo Es el calor que hay que suministrar a 1 kg de gas y al vapor que contiene para elevar 1º C su temperatura, manteniendo constante la presión.

Entalpía especifica Es la suma del calor sensible de 1 kg de gas, y el calor latente de vaporización del vapor que contiene a la temperatura a la que se refieran las entalpías. Para ver trabajos similares o recibir información semanal sobre nuevas publicaciones, visite www.monografias.com

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Ejemplo de aplicación La presión parcial del vapor de agua en una masa de aire húmedo a 30º C y 740 mmHg es 14 mmHg. Calcúlese: a. El punto de rocío. b. La humedad absoluta. c. El calor especifico. d. El volumen especifico. e. La entalpía especifica. Solución: a. En las tablas de vapor de agua encontramos que la tensión de vapor de agua es de 14 mmHg a 16, 4º C; por tanto, al enfriar la masa de aire húmedo en las condiciones del problema hasta 16,4º C, se alcanzan las condiciones de saturación, y será esta su temperatura de rocío.

Temperatura húmeda o temperatura del termómetro húmedo Es la temperatura estacionaria que alcanza una pequeña masa de líquido sumergida, en condiciones adiabáticas, en una corriente de aire, figura 8.1. La temperatura de termómetro húmedo se determina a partir del siguiente ensayo. Se recubre el bulbo de un termómetro con un algodón empapado con el líquido del vapor presente en el gas, a continuación se hace pasar a su alrededor una corriente de gas no saturado a alta velocidad. Parte del líquido se evapora, por lo que va descendiendo la temperatura del líquido, que al ser inferior a la del gas, tiene lugar una transmisión de calor desde el gas al líquido. En el equilibrio, la transmisión de calor desde el gas, es igual al calor necesario para vaporizar el líquido en contacto con el bulbo. La temperatura que marca el termómetro es la temperatura húmeda. La velocidad con que se alcanza este punto depende de la temperatura inicial y de la velocidad de flujo del gas sobre la superficie líquida. La temperatura y humedad del gas prácticamente no se altera.

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Figura Nº 1. Fenómeno del termómetro de bulbo húmedo Es la temperatura límite de enfriamiento alcanzada por una pequeña masa de líquido en contacto con una masa mucho mayor de gas húmedo. Puede determinarse a partir de una de las relaciones siguientes:

Sus valores para mezclas de aire con diferentes vapores son: Para ver trabajos similares o recibir información semanal sobre nuevas publicaciones, visite www.monografias.com

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Tabla Nº 03. Valores para mezclas de aire con diferentes vapores Agua…………………... Metanol……………….. Etanol…………………. Propanol………………. Butanol………………... Fuente: Ocon y Tojo, (1980).

0,222 0,293 0,345 0,373 0,412

Sulfuro de carbono……………… Benceno…………………………. Acetato de etilo…………………. Tolueno…………………………. Clorobenceno…………………….

0,359 0,400 0,412 0,415 0,453

Temperatura de saturación adiabática En el sistema anterior ni la humedad ni la temperatura del gas cambian apreciablemente. Sin embargo, si el gas pasa sobre el líquido con una velocidad tal que el tiempo de contacto es suficiente para que se establezca el equilibrio, el gas se satura y alcanzan la misma temperatura, la cual se conoce como temperatura de saturación adiabática. En este sistema, por estar aislado, el calor sensible que pierde el gas es igual al calor latente del líquido evaporado. Las condiciones anteriormente descritas se alcanzan en una columna de humidificación, térmicamente aislada de altura infinita; a través del cual un gas de temperatura y humedad iniciales determinadas, fluye en contracorriente con el líquido. La diferencia de temperatura y humedad son máximas en el fondo y mínimas en la cima de la columna; la velocidad de transferencia de calor y de materia disminuye progresivamente desde el fondo hasta la cima de la torre. En la figura Nº 2, se ilustra el proceso de saturación adiabática a través de dos esquemas diferentes pero con el mismo significado. El calor de vaporización del líquido procede del calor sensible del gas, la temperatura del gas desciende desde θ a θs y la humedad crece de H a Hs; como queda reflejado en la siguiente ecuación (s es cte. para pequeñas variaciones de H). (θ-θs)s=(Hs-H)λ ó (H-Hs)=-(s/λ)(θ-θs) La ecuación muestra una relación lineal entre la humedad y la temperatura para todas las mezclas de gas y vapor que tengan la misma temperatura de saturación adiabática. Estas curvas para gases con una determinada temperatura de saturación adiabática se conocen como línea de enfriamiento adiábatico.

Figura Nº 2. Temperatura de saturación adiabática. A: cámara de pulverización; B: bomba de circulación; C: pulverizadores. (Abajo). Es la temperatura alcanzada por una masa de gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas. Se denomina por medio de la expresión:

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Para el caso aire – vapor de agua de la temperatura húmeda y el de la temperatura de saturación adiabática prácticamente coinciden, y nosotros tomaremos indistintamente una u otra. Ejemplo de aplicación Las tensiones de vapor del etanol a diversas temperaturas son las siguientes: Tabla Nº 04. Valores de tensión de vapor del etanol a diversas temperaturas. T, º C P, mmHg 12,2 0 17,3 5 23,6 10 32,2 15 43,9 20 59,0 25 Fuente: Ocon y Tojo, (1980).

T, º C 30 35 40 45 50 55

P, mmHg 78,8 103,7 135,3 174,0 222,2 280,6

Calcúlese: a. Las humedades de saturación a 10º C, 20º C, 25º C, 30º C y 40º C para la presión total de 1 atm. b. Las humedades absolutas para las condiciones de a si la humedad relativa es de 30%. c. La temperatura humedad a 50º C si la humedad relativa es del 30 %. d. La temperatura de saturación adiabática en las condiciones de c, tomando para el calor especifico del etanol, como vapor, el valor de 0,345 kcal/kg.º C. Solución: a. La humedad de saturación vendrá dada por la expresión:

Los valores calculados para las distintas temperaturas son: T, º C Y, kg etanol/kg aire

10 0,0508

20 0,0972

25 0,1335

30 0,1834

40 0,3436

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50 0,6553

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b. La humedad absoluta en las condiciones indicadas será:

Y los resultados calculados son: T, º C Y, kg etanol/kg aire c.

10 0,0149

20 0,0280

30 0,0509

40 0,0895

50 0,1526

La temperatura húmeda se determina de acuerdo con la siguiente ecuación. Sabiendo que para la mezcla el coeficiente hc/kY vale 0,345, luego tendremos:

Hemos de resolver esta ecuación por tanteo, teniendo en cuenta que Yw es la humedad de saturación a la temperatura tw. 1. er tanteo: temperatura supuesta tw = 25º C. Para esta temperatura el valor de λ w determinado en la grafica (tabla A-12, tomado de Ocon y Tojo, 1980) es 238 kcal/kg, y el valor calculado para Y w es:

A esta humedad le corresponde la temperat...