Practica 8 humidificación laboratorio transferencia de masa PDF

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UNIVERSIDAD DE GUADALAJARACENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIASEXACTAS E INGENIERÍASDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICALABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASASECCIÓN: D05 CLAVE: I5831 NRC: 117588EQUIPOINTEGRANTES:● CASTELLANOS LÓPEZ FÁTIMA● COTERO MANZO BRANDON ADRIÁN● FLORES CONTRERAS FERNANDO EMMANUEL● HER...

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UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA

CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA SECCIÓN: D05

CLAVE: I5831

NRC: 117588 EQUIPO #2

INTEGRANTES: ● CASTELLANOS LÓPEZ FÁTIMA ● COTERO MANZO BRANDON ADRIÁN ● FLORES CONTRERAS FERNANDO EMMANUEL ● HERNÁNDEZ HUERTA FÁTIMA TERESA ● MORA ACOSTA OSCAR LEONEL NOMBRE DEL MAESTRO: GUTIERREZ ROCHA VÍCTOR

GUADALAJARA, 12 DE NOVIEMBRE DE 2020

PRÁCTICA 8: HUMIDIFICACIÓN ÍNDICE INTRODUCCIÓN

4

OBJETIVOS

4

TEORÍA

4

PROBLEMA

17

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

18

DIAGRAMA Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

18

TABLAS DE DATOS

19

CÁLCULOS

20

ANÁLISIS DE RESULTADOS

26

CONCLUSIONES

26

APÉNDICE

27

BIBLIOGRAFÍA

30

2

INTRODUCCIÓN En diversas operaciones unitarias, es necesario efectuar cálculos que se basan en las propiedades de mezclas de vapor de agua y aire. La humidificación implica la transferencia de agua de una fase líquida a una mezcla gaseosa de aire y vapor de agua. La deshumidificación implica una transferencia inversa, esto es, el vapor de agua se transfiere del estado gaseoso al estado líquido. Durante el desarrollo de la práctica 8 del curso de laboratorio de transferencia de masa, que corresponde al tema de humidificación. Se compara la teoría con la práctica propuesta en el manual de prácticas para el laboratorio de masa, en esta ocasión no se realizaron las prácticas de manera presencial, el profesor nos apoyó con los datos para poder desarrollar los cálculos correspondientes a la práctica de humidificación para poder continuar con el curso. Para el desarrollo de los cálculos se requiere conocer la concentración del vapor del agua en el aire en diversas condiciones de temperatura y presión, las propiedades térmicas de estas mezclas y los cambios que se verifican cuando la mezcla se pone en contacto con agua o con sólidos húmedos para secarla, con el fin de definir si se trata de un proceso de humidificación o deshumidificación. OBJETIVOS ● Realizar balances de energía y materia de cada sistema utilizado. ● Calcular los valores de NOG y HOG y la altura teórica y compararla con real para determinar la eficiencia. Ht/Hr TEORÍA La operación de humidificación implica la transferencia de materia entre una fase líquida y un gas permanente que es casi insoluble en líquido. El líquido contiene solamente un componente y no hay gradiente de concentración ni resistencia a la transferencia de masa en fase líquida. La humedad H es la masa de vapor que acompaña a una unidad de masa de gas libre de vapor. Si la presión parcial del vapor es pA atm, la relación molal de vapor al gas a 1 atm es pA/(P – pA). La humedad es, por lo tanto, 3

H=

M A pA M B(P −p A)

donde MA y MB son los pesos moleculares de los componentes A y B, respectivamente. La humedad está relacionada con la fracción molar en la fase gaseosa por medio de la ecuación. y=

H /M A 1 + H M M B

A

Puesto que H /MA es generalmente pequeño en comparación con 1/MB, con frecuencia se considera que es directamente proporcional a H . Gas saturado es un gas en el que el vapor está en equilibrio con el líquido a la temperatura del gas. La presión parcial del vapor en un gas saturado es igual a la presión de vapor del líquido a la temperatura del gas. Si H s es la humedad de saturación y P′A es la presión de vapor del líquido, Hs =

M A P ´A MB (P −P ´A )

La humedad relativa H R , se define como la relación entre la presión parcial del vapor y la presión de vapor del líquido a la temperatura del gas. Generalmente se expresa sobre una base porcentual, de forma que 100% de humedad significa a gas saturado y 0% de humedad corresponde a gas libre de vapor. Por definición: p

H R = 100 p´A

A

El porcentaje de la humedad H A es la relación entre la humedad real H y la humedad de saturación H s a la temperatura del gas sobre una base porcentual, o p /(P −p )

P −P

H A = 100 HHs = 100 P A (P −P A´ ) = H R P −p A A

A

A

Para todas las humedades diferentes de 0 o 100%, el porcentaje de humedad es menor que la humedad relativa. El calor húmedo (cs) es la energía calorífica necesaria para aumentar la temperatura de 1 g o 1 lb de gas y cualquier vapor que pueda estar contenido, en 1 °C o 1 °F. Por lo tanto, cs = cpB + cP A H donde cpB y cpA son los calores específicos del gas y del vapor, respectivamente. El calor húmedo υH es el volumen total de una unidad de masa de gas libre de vapor, más el vapor que pueda estar contenido con él, a 1 atm y a la temperatura del gas. De acuerdo con la ley de los gases y los valores del volumen molar estándar υH en unidades está relacionado con la humedad y la temperatura por medio de la ecuación 4

vH =

0.0224T 273

(

1 MB

+

H MA

)

donde υH está en metros cúbicos por gramo y T en grados Kelvin.  El punto de rocío es la temperatura a la que es preciso enfriar (a humedad constante) una mezcla vapor-gas para que se sature. El punto de rocío de una fase gaseosa saturada es igual a la temperatura del gas. La entalpía total (Hy) es la entalpía de una unidad de masa de gas más el vapor que le acompaña. Para calcular Hy es preciso elegir dos estados de referencia, uno para el gas y otro para el vapor. Sea T0 la temperatura de referencia elegida para ambos componentes, basados en la entalpía del componente A en el líquido A a T0. Sea la temperatura del gas T y la humedad H . La entalpía total es la suma de tres términos: el calor sensible del vapor, el calor latente del líquido a T0 y el calor  sensible del gas libre de vapor. Por lo tanto H y = cs (T − T 0 ) + H λ0 Equilibrio entre fases La presión parcial de equilibrio del soluto en la fase gaseosa es, por tanto, función exclusiva de la temperatura cuando la presión total del sistema se mantiene constante. Por otra parte, a presiones moderadas, la presión parcial de equilibrio es casi independiente de la presión total y virtualmente igual a la presión de vapor de líquido. De acuerdo con la ley de Dalton, la presión parcial de equilibrio puede convertirse en la fracción molar de equilibrio ye en la fase gaseosa. Puesto que el líquido es puro, xe es siempre la unidad. Los datos de equilibrio con frecuencia se presentan como gráficas de ye frente a la temperatura para una presión total dada, tal como se muestra en la figura 1 para el sistema aire-agua a 1 atm. La fracción molar de equilibrio ye está relacionada con la humedad de saturación; por lo tanto, ye =

H s/M

A 1 + Hs MB MA

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FIGURA 1. Equilibrio para el sistema aire-agua a 1 atm. Saturador adiabático El agua es a menudo rociada dentro de una corriente de gas en una tubería o en una cámara para llevar al gas a la saturación. La tubería o la cámara están aisladas, por lo que el proceso es adiabático. El gas, con una humedad inicial H y temperatura T, es enfriado y humidificado. Si no se evapora toda el agua y hay tiempo suficiente para que el gas llegue a un equilibrio con el agua, a la temperatura de salida del gas se le llama temperatura de saturación adiabática Ts. El líquido que queda está también a Ts y puede ser recirculado a las boquillas del rociador. El valor de Ts depende de la temperatura y la humedad inicial del aire y, en un menor grado, de la temperatura inicial del agua. Para simplificar el análisis, se supone que el agua se suministra a la temperatura Ts. Conviene aplicar un balance de entalpía al proceso. El trabajo de la bomba se desprecia y el balance de entalpía se basa en Ts como una temperatura de referencia. Puesto que la entalpía del líquido de reposición es cero, la entalpía total del gas que entra es igual a la del gas que sale. El gas que sale está a la temperatura de referencia y su entalpía es simplemente H sλs, donde H s es la humedad de saturación y λs es el calor latente, ambos a Ts. La entalpía total del gas  que entra es cs(T – Ts) + H λs, y el balance de entalpía es cs (T − T s ) + H λs = H λs H s −H T −T s

=

cs λs

=

cpB +HcpA λs

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Para encontrar la temperatura de saturación adiabática para gases diferentes que el aire se utiliza un balance de calor. Sin embargo, es más conveniente utilizar las capacidades caloríficas molares. Ts se obtiene por un cálculo de prueba y error, o, en el caso de un sistema aire-agua, por el uso de gráficas de humedad (figura 2).

Figura 2. Uso de la gráfica de humedad.

Mezclas de vapor-gas saturadas. Si un gas seco insoluble B se pone en contacto con suficiente líquido A, el líquido se evaporarà en el gas hasta que finalmente, en el equilibrio, la presión parcial de A en la mezcla vapor-gas alcanza su valor de saturación, la presión de vapor (pA) a la temperatura dominante. Mientras el gas pueda considerarse insoluble en el líquido, la presión parcial de vapor en la mezcla saturada será independiente de la naturaleza del gas y la presión total (excepto a presiones muy elevadas); sólo depende de la temperatura e identidad del líquido. Sin embargo, la humedad molar 1 absoluta a saturación Ys = pA/(pt - pA) dependerá de la presión total; la humedad absoluta a saturación Ys’ = YsMA/MB dependerá también de la identidad del gas. Las

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dos humedades saturadas se vuelven infinitas en el punto de ebullición del líquido a la presión total dominante. Mezclas de vapor-gas no saturadas. Si la presión parcial del vapor en una mezcla de vapor-gas es por alguna razón menor que la presión de vapor en el equilibrio del líquido a la misma temperatura, la mezcla no está saturada. Temperatura de bulbo seco: Es la temperatura de una mezcla vapor-gas determinada en la forma ordinaria por inmersión de un termómetro en la mezcla. Saturación relativa: La saturación relativa, llamada también humedad relativa, expresada como un porcentaje, se define como 100 pA /pA , en donde pA es la presión de vapor “A” la temperatura de bulbo seco de la mezcla. Para cualquier vapor, la representación gráfica de las condiciones de saturación relativa constante puede construirse fácilmente sobre una carta de presión de vapor-temperatura, como en la figura 3; con este propósito, las ordenadas de la curva de presión de vapor se dividen en intervalos apropiados. Por lo tanto, la curva para el 50% de saturación relativa muestra una presión de vapor parcial igual a un medio de la presión de vapor en el equilibrio a cualquier temperatura.

Figura 3. Formas de las cartas psicrométricas.

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Punto de rocío: Es la temperatura a la cual una mezcla vapor-gas se satura cuando se enfría a presión total constante sin contacto con el líquido. Medida de la humedad La humedad de una corriente o masa de gas se obtiene midiendo el punto de rocío o la temperatura del bulbo húmedo, o bien, por métodos directos de absorción. Métodos del punto de rocío. Si un disco de pulido y enfriado previamente se introduce en un gas de humedad desconocida y su temperatura va disminuyendo en forma gradual, el disco alcanza una temperatura en la cual se condensa humedad sobre la superficie pulida. La temperatura a la que comienza a empañarse la superficie es la temperatura de equilibrio entre el vapor en el gas y la fase líquida. Por lo tanto, corresponde al punto de rocío. La comprobación se realiza aumentando lentamente la temperatura del disco hasta alcanzar un valor al cual justo desaparece el empañado. A partir del valor promedio de las temperaturas de formación y desaparición del empañado se lee fácilmente la humedad en la gráfica correspondiente. Métodos psicrométricos. Un método empleado a menudo para medir la humedad consiste en determinar simultáneamente las temperaturas del bulbo seco y del bulbo húmedo. A partir de estas lecturas, la humedad se encuentra localizando la intersección de la línea psicrométrica con la línea de saturación para el valor observado de la temperatura del bulbo húmedo y siguiendo la línea psicrométrica hasta su intersección con la ordenada correspondiente a la temperatura del bulbo seco. Métodos directos. El contenido de vapor del gas se puede determinar por análisis directo de un volumen conocido de gas mediante una técnica analítica adecuada. Temperatura de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura en estado estacionario alcanzada por una pequeña cantidad de líquido que se evapora en una gran cantidad de una mezcla vapor-gas no saturada. En condiciones apropiadamente controladas, dicha temperatura puede utilizarse para medir la humedad de la 9

mezcla. Con este propósito, un termómetro cuyo bulbo se ha cubierto con un material fibroso humedecido en el líquido, se sumerge en una corriente de la mezcla gaseosa, que se está moviendo rápidamente. La temperatura que indica este termómetro alcanzará finalmente un valor inferior a la temperatura de bulbo seco del gas, si este último no está saturado; sabiendo esto, la humedad se calcula una vez conocido ese valor. Considérese una gota del líquido que se sumerge en una corriente de la mezcla vapor-gas no saturada que se mueve rápidamente. Si el líquido, inicialmente, está a una temperatura más elevada que la del punto de formación de rocío del gas, la presión de vapor del líquido será mayor en la superficie de la gota que la presión parcial del vapor en el gas, y el líquido se evaporará y difundirá en el gas. El calor latente que se requiere para la evaporación será proporcionado inicialmente a expensas del calor sensible de la gota de líquido, que entonces se enfriará. Tan pronto como la temperatura del líquido disminuye por debajo de la temperatura de bulbo seco del gas, fluirá calor del gas al líquido, a una rapidez que aumentará al irse incrementando la diferencia en temperatura. Finalmente, la rapidez de transferencia de calor del gas al líquido será igual a la rapidez de necesidad de calor para la evaporación, y la temperatura del líquido permanecerá constante en algún valor bajo, la temperatura de bulbo húmedo tw. El mecanismo del proceso de bulbo húmedo es básicamente el mismo que el que gobierna la saturación adiabática, excepto que en el primero de los casos se supone que la humedad del gas no cambia durante el proceso. Obsérvese la figura 4, dibujada en la forma de la teoría de la película, en donde una gota de líquido se muestra en condiciones de estado estacionario y la masa de gas es tan grande cuando atraviesa la gota que su humedad no se ve afectada, en forma medible, por la evaporación. Puesto que la transferencia de calor y la de masa ocurren simultáneamente, con q, = 0, puesto que no pasa calor a través de la interfase gas-líquido y NB = 0. Por lo tanto, qt =

N AM AC A 1−e

N M C − A hA A G

(tG − tw )≈hG (tG − tw )

Donde N es el flux de transferencia de masa, M el peso molecular, capacidad calorífica de un gas o vapor, h la entalpía del gas y t la temperatura del gas y agua. Para el sistema aire-vapor de agua, hG/kY es aproximadamente igual a Cs, o que aproximadamente, hG/kYCS =1. Esta es la relación de Lewis.

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Torres para enfriamiento de agua. El agua caliente fluye a contracorriente del aire en muchas ocasiones. Por lo general, el agua caliente entra por la parte superior de una torre empacada y cae en cascada a través del material de empaque, y sale por el fondo. El aire entra por la parte inferior de la torre y fluye hacia arriba, a través del agua que desciende. El empaque de la torre casi siempre es de tablillas de madera y el agua se distribuye por medio de acanaladuras y rebosaderos para que caiga en cascada por el enrejado de tablillas, lo cual suministra un área extensa interfacial de contacto entre el agua y el aire en forma de gotas y película de agua. El agua no puede enfriarse por debajo de su temperatura de bulbo húmedo. La fuerza impulsora de la evaporación del agua es, aproximadamente, la presión de vapor de agua menos la presión de vapor que tendría a su temperatura de bulbo húmedo. El agua sólo se puede enfriar hasta la temperatura de bulbo húmedo, y en la práctica se enfría a unos 3 K o un poco más por encima de dicha temperatura. La evaporación en la torre de enfriamiento sólo provoca pequeñas pérdidas de agua. En la humidificación y deshumidificación se necesita un contacto íntimo entre la fase gaseosa y la líquida para velocidades grandes de transferencia de masa de calor. La resistencia de la fase gaseosa controla la velocidad de transferencia. Se usan torres empacadas o torres con rociadores para obtener áreas interfaciales extensas y promover la turbulencia de la fase gaseosa. Teoría y cálculo de las torres de enfriamiento con agua. 1. Perfiles de temperatura y concentración en la interfaz. El vapor de agua se difunde de la interfaz hacia la fase gaseosa masiva con una fuerza impulsora en la fase gaseosa (Hi - HG) kg de H2O/kg de aire seco. No hay fuerza impulsora para la transferencia de masa en la fase líquida, puesto que el agua es un líquido puro. La fuerza impulsora de la temperatura es TL - Ti en la fase líquida y Ti - TG K o “C en la fase gaseosa. El flujo de calor sensible del líquido a la interfaz es igual al flujo de calor sensible en el gas más el flujo de calor latente en el gas. La figura 4 es un diagrama de perfiles de temperatura y concentración en términos de la humedad en la interfaz agua-gas.

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Figura 4. Perfiles de temperatura y concentración en la parte superior de la torre de enfriamiento. 2. Ecuación de velocidad para transferencia de calor y de masa. En la torre el aire fluye hacia arriba y el agua a contracorriente hacia abajo. Se define una cantidad a, que es m2 de área interfacial por m3 de volumen de sección empacada, o m2/m3. Esto se combina con el coeficiente de transferencia de masa de la fase gaseosa kG en kg mol/s *m2* Pa para obtener un coeficiente volumétrico kG*a  en kg mol/s*m3. El proceso se lleva a cabo adiabáticamente y las diversas corrientes y condiciones que se muestran en la figura 5.

Figura 5. Enfriador de agua adiabático que opera en régimen continúo a contracorriente. 12

Donde: L= Flujo de agua, kg de agua/s*m2 . TL=Temperatura del agua, K. G=Flujo de aire seco, kg/s*m2 . TG=Temperatura del aire, K. H= Humedad del aire, kg de agua/kg de aire seco. Hy=Entalpía de la mezcla de aire-vapor de agua, J/kg de aire seco. Si se efectúa un balance total de calor para la sección marcada con líneas punteadas en la figura 5 se obtiene,

(

)

G H y − H y1 = LcL(T L − T L1) Se supone que L es esencialmente constante, puesto que sólo se evapora una cantidad pequeña. La capacidad calorífica CL de líquido se supone constante e igual a 4.187 x 103 J/kg * K. Cuando esta ecuación se grafica con HY en función de TL, se obtiene una recta con pendiente de LcL/G. Llevando a cabo un balance general de calor en ambos extremos de la torre,

(

G H y2 − H

y1

)=L

cL(T L2

− T L1)

La transferencia total de calor sensible del volumen del líquido a la interfaz es, GdH y = LcLdT L = hLadz(T L − T i) donde hLa es el coeficiente volumétrico de transferencia de calor de la fase líquida en W/m3 y Ti es la temperatura en la interfaz. Para una transferencia adiabática de masa, la velocidad de transferencia de caIor debida al calor latente en el vapor de agua que se está transfiriendo, z

∫ dz = z = 0

G M Bk GaP

[

H y2

∫

H y1

dH y Hyi −Hy

]

1

Reordenando, ...