Torre de enfriamiento - Nota: 17 PDF

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Summary

En la industria química hay muchos casos de operaciones unitarias en los que se
descarga agua caliente (condensadores o de otros aparatos), donde el valor de esta agua
es tal que es más económico enfriar y volver a utilizarla antes de descargarla como
inútil....

Description

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“TORRE DE ENFRIAMIENTO”

Laboratorio de Ingeniería Química II

INTEGRANTES:  Alayo Medrano, Katherine  Alegría Ramos, Rodrigo

Callao – Perú 2019-A

 

Índice  Índice

1

Introducción

2

Objetivo General

2

Fundamento Teórico

2

Cálculos y Tratamiento de Datos

3

Tabla de resultados de los valores experimentales de las 10 corridas Observaciones

3 3

Cálculo del flujo másico de aire Elección de la corrida representativa

4 7

Comparación de Δ P entre láminas corrugadas y anillos Raschig

7

Observaciones

9

Diagrama del equipo Curva de Equilibrio y Línea de Operación

10 10

Observaciones Curva característica del empaque

12 12

Altura del empaque para una aproximación de 8°C Observaciones

14 16

Conclusiones

16

Bibliografía

16

 





1

 

Introducción En la industria química  hay  muchos  casos  de  operaciones  unitarias  en  los  que  se  descarga agua caliente (condensadores o de otros aparatos), donde el valor de esta agua  es  tal  que  es  más  económico  enfriar  y  volver  a  utilizarla  antes  de  descargarla como  inútil.  Este  enfriamiento  se  efectúa  poniendo  en  contacto  el  agua  con  aire  sin  saturar  en  condiciones tales que  el  aire  se  humidifica  y el agua se enfría aproximadamente a la  temperatura  del termómetro de bulbo húmedo. Este método se utiliza únicamente en el  caso  en  que  la  temperatura  del  termómetro  húmedo  para  el  aire es más baja que la  temperatura que se requiere que alcance el agua que sale.  Existen  varios  tipos  de  aparatos  en  los  que  puede  efectuarse  esta  operación:  los  principales son los de tiro natural y las torres enfriadoras de tiro forzado. Todos los métodos para enfriar agua por el procedimiento de ponerla en contacto con  aire,  entrañan  la  subdivisión  del  agua  en  forma  tal  que  presente  la  mayor  superficie  posible. Esto puede efectuarse con la mayor sencillez porsimple pulverización del agua  por medio de pulverizadores. Estos pulverizadores  deben  estar  situados  sobre  un  estanque o pileta que recoge el agua pulverizada.

Objetivo General ●

Determinar el número de unidades de difusión  para  condiciones  determinadas  de operación de una torre de enfriamiento 

Fundamento Teórico Torres de enfriamiento de tiro natural En  las torres de tiro natural, tipo chimenea están fundadas en el hecho de que el aire se  calienta  por  el  agua  y  de  esta  forma  se  produce  una  corriente  de  convección  ascensional.  Los lados de una torre de este tipo van completamente cerrados, desde el  fondo  hasta  la  parte superior, llevando dispuestas entradas de aire cerca del fondo. EL  material de tipo rejilla, que distribuye el agua, está confinado en una parte relativamente  poco alta de la sección inferior de la torre, y la mayor parte de la estructura es necesaria  para  producir  un  tiro.  EN  las  torres  de  este  tipo  la resistencia al flujo de aire debe  reducirse al mínimo. Las  desventajas de las torres de tiro natural son, la altura que es necesario darles para  producir el tiro natural y el hecho de que el agua debe tener una temperatura superior a  la del termómetro de bulbo seco del aire  para  que este pueda calentarse y producir la  corriente de convección ascensional. La sección rellena no puede ser tan alta porque las  pérdidas excesivas  por  fricción,  necesitan  una  mayor  altura  de  torre  para  producir  el  tiro. 

2

 

Torres de tipo forzado En estas se  utilizan  ventiladores  para  producir la  circulación  del aire. Si  el  ventilador  está situado en la parte superior de la torre se denomina de “tiro inducido” y si está en  el fondo de “tiro forzado”. El primero es el tipo preferido porque evita el retorno del aire  saturado  al  interior de la torre, lo que sucede con las de tiro forzado. Las torres en  la  parte superior actúa como chimenea aunque no es necesario que sea tan larga.

Cálculos y Tratamiento de Datos Tabla de resultados de los valores experimentales de las 10 corridas



 Observaciones La  temperatura  del  agua  a  la  salida  es  menor  a  la  de  la  entrada,  por  lo que el agua  transfiere  su  calor  al  aire.  Los  saltos  térmicos  que  se  presentaron  en  el  caudal  bajo  tienen un promedio de 7.3; y en el caudal alto, de 6.4.

3

 

Cálculo del flujo másico de aire Establecemos el balance de energía en el sistema:  Por Balance de masa de la humedad en el sistema se tiene : L2 + GSY1 = L1 + GS Y2 Asumiendo  que  no  hay  transferencia de masa por parte del agua al aire se tiene que  L1=L2. Entonces se tiene: 0 = GS (Y1 – Y2 )

Por lo tanto: Y1=Y2 Ya que  la  humedad total es igual, con estos valores ingresamos a la carta psicométrica  para obtener la entalpía.



4

 

 Cálculo del flujo de vapor  Balance de energía de la torre de enfriamiento: Gaire*(H2-H1) = Lagua*Cprom*(T1-T2) Entonces:

 Sabemos:



   Para Caudal bajo L = 18 gal/min  1° Corrida Lagua = 18 gal/min = 1.136 L/s , T = 40 °C Lagua = 1.127 kg/s T1 = 32 ºC H1 = 62.24 kJ/kg H2 = 142.76 kJ/kg T2 = 40 ºC Gaire=1.127(4.18)(3600)((40-32)/(142.76-62.24)) Gaire= 1684.957 kg/h  2° Corrida Lagua = 18 gal/min = 1.136 L/s , T = 40 °C Lagua  = 1.127 kg/s T1 = 32 ºC H1 = 62.24 kJ/kg H2 = 135.72 kJ/kg T2 = 40 ºC Gaire=1.127(4.18)(3600)((40-32)/(135.72-62.24)) Gaire= 1846.39 kg/h  3° Corrida Lagua = 18 gal/min = 1.136 L/s , T = 41 °C Lagua = 1.126 kg/s T1 = 32.5 ºC H1 = 62.24 kJ/kg H2 = 150.13 kJ/kg T2 = 41 ºC Gaire= 1.126(4.18)(3600)((41-32.5)/(150.13-62.24)) Gaire= 1638.689 kg/h  4° Corrida Lagua = 18 gal/min = 1.136 L/s , T = 40 °C Lagua = 1.127 kg/s

5

 

T1 = 34 ºC H1 = 60.52 kJ/kg T2 = 40 ºC H2 = 157.89 kJ/kg Gaire=1.127(4.18)(3600)((40-34)/(157.89-60.52)) Gaire= 1045.03 kg/h  5° Corrida Lagua = 18 gal/min = 1.136 L/s , T = 39 °C Lagua = 1.127 kg/s H1 = 61.78 kJ/kg T1 = 33 ºC H2 = 157.89 kJ/kg T2 = 39 ºC Gaire=1.127(4.18)(3600)((39-33)/(157.89-61.78)) Gaire= 1058.73 kg/h  Para Caudal alto L = 25 gal/min  6° Corrida Lagua = 25 gal/min = 1,577 L/s , T = 40 °C Lagua  = 1,565 kg/s T1 = 34 ºC H1 = 61.67 kJ/kg T2 = 40 ºC H2 = 150.13 kJ/kg Gaire=1.565(4.18)(3600)((40-34)/(150.13-61.67)) Gaire= 1597.34 kg/h  7° Corrida Lagua = 25 gal/min = 1,577 L/s , T = 40 °C Lagua = 1,565 kg/s T1 = 34 ºC H1 = 59.29 kJ/kg T2 = 40 ºC H2 = 150.13 kJ/kg Gaire=1.565(4.18)(3600)((40-34)/(150.13-59.29)) Gaire= 1555.49 kg/h  8° Corrida Lagua = 24.5 gal/min = 1,546 L/s , T = 40 °C Lagua = 1,534 kg/s T1 = 33 ºC H1 = 59.72 kJ/kg T2 = 40 ºC H2 = 142.76 kJ/kg Gaire  =1.534(4.18)(3600)((40-33)/(142.76-59.72)) Gaire= 1945.875 kg/h  9° Corrida Lagua = 24.5 gal/min = 1,546 L/s , T = 40 °C Lagua  = 1,534 kg/s T1 = 33.5 ºC H1 = 61.32 kJ/kg T2 = 40 ºC H2 = 150.13 kJ/kg Gaire=1.534(4.18)(3600)((40-33.5)/(150.13-61.32)) Gaire= 1689.49 kg/h  10° Corrida Lagua = 24.5 gal/min = 1,546 L/s , T = 40 °C Lagua = 1,534 kg/s T1 = 33.5 ºC H1 = 61.78 kJ/kg T2 = 40 ºC H2 = 150.13 kJ/kg

6

 

Gaire= 1.534(4.18)(3600)((40-33.5)/(150.13-61.78)) Gaire= 1698.286 kg/h 

Elección de la corrida representativa

 Entonces,  la  corrida  más  representativa para  el  caudal  de  18 gal/min sería la tercera  debido  a  que  es  el  más  cercano  al  promedio  de  las  corridas realizadas, en el caso del  caudal de 25 gal/min el más cercano sería la décima corrida. Así tenemos:



Comparación de Δ P entre láminas corrugadas y anillos Raschig Para  realizar  la  comparación  entre las caídas  de  presión  entre  láminas  corrugadas  y  anillos Raschig se utiliza la siguiente información:  Se utilizarán los datos correspondientes a la Corrida 1:



7

 

 Considerando las propiedades de los fluidos: ρG =1.19 kg/m3  μL =0.001 kg/m.s ρL =1000 kg/m3 Además, se hará la comparación  con  una  columna  de  relleno  con  anillos  Raschig  cerámicos de 1”, cuyo Cf=155. Utilizando  la  gráfica  del  Treybal  que relaciona la caída de presión y las condiciones de  operación se tiene:  Abscisa:

 Ordenada:



8

 

FInalmente, en el gráfico:

 Como se observa, con las coordenadas de abscisas y ordenadas, se identifica el punto y aproximadamente la caída de presión es 85 Pa/m.  Convirtiendo a las unidades de mmH2O se tiene que equivale a 8.7 mmH2O/m. Como la altura del relleno es 1.3 m, entonces:  .:. Δ P=1.3×8.7 = 11.31 mmH2O

Observaciones ✓ La caída de presión del sistema registrado en la experiencia de laboratorio fue alrededor de 1 mmH2O, en este sentido, la relación de caída de presión entre  y Relleno Corrugado es aproximadamente de 11 a 1. Anillos Raschi g ✓ Se observa que el punto al cual se realizó el trabajo está alejado de los valores recomendados para la operación de una columna de relleno (entre 200 y 400 Pa/m) y ni qué decir de los flujos de inundación.

9

 

Diagrama del equipo







Curva de Equilibrio y Línea de Operación La curva de equilibrio se ha obtenido mediante el siguiente esquema:



10

 

Los  datos  correspondientes  a  la  curva  de  equilibrio  corresponden  a  la  entalpía  de  saturación  a  dicha  temperatura,  mientras  que  los  valores  de  la  curva  de  operación  se  hallaron  calculando  la  ecuación  de  la  recta  que  pasa  por  los puntos ( T sal−liq, H ent−gas ) y  ( T ent−liq , H sal−gas ) 

  Gráficamente:



11

 

Observaciones ✓ Se observa que la pendiente de la Corrida 10 es mayor que el de la Corrida 1, esto  de  debe  a que  la pendiente de la  curva de  operación  se calcula como (L×Cp/G),  por ende, la Corrida 10 al tener mayor flujo de líquido (caudal alto = 25 gpm) tiene  mayor pendiente, especialmente cuando  los  valores  de  G  son  prácticamente  iguales. ✓ Otro aspecto  que se puede estimar a partir de la gráfica es que, asumiendo una  línea recta para la curva de equilibrio, se podría estimar de forma sencilla el valor  40

de  la  integral 

∫

32

1 dT H−Ha

, en este caso,  el valor de la  integral para la  Corrida  1  es 

mayor que  el valor para la Corrida 10, es decir, el valor del Número de Unidades  de Difusión (NUD) es mayor en la Corrida 1 que en la Corrida 10.  

Curva característica del empaque  ❖ Calculando en ND para caudal bajo(18 gpm)   

 

  tenemos Z=1.30 m 

12

 

  ❖ Calculando en ND para caudal alto (25 gpm)

   

 

  ❖ Curva característica 

 

 

13

 

  Observaciones · A una mayor relación de L/G, el número de unidades de difusión (NUD) disminuye. · La curva de NUD vs L/G hallada es característico de la torre de enfriamiento. · Se trabaja una velocidad  de 740.15  pie/min que está por encima del rango general  de diseño que está entre 300-600 pie/min.

Altura del empaque para una aproximación de 8°C Condiciones de entrada

 

14

 

   

Por balance entálpico Se calcula el HG2=168.35 kJ/kg Línea de Operación  

 

  

   

15

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Observaciones ·

 La  altura  teórica  del  nuevo  empaque  cálculo  es  mayor  que  la  altura  real  del  empaque. · Seconsidera elmismo HTOG ya que las condiciones iniciales son las misma, solo el  NTOG se ve afectado por el cambio de aproximación ·  La aproximación en laboratorio inicial para caudal bajo es de 11.1 y la altura es de  1.30m 

Conclusiones ✓ A mayor diferencia de entalpías entre la salida y entrada del flujo de agua, menor  resulta  el  flujo  de  del  aire,  manteniendo  el  flujo  de  agua  y  temperaturas  constante. ✓ A  mayor  flujo  de  agua  el  aire  tiene  un  mayor  flujo, debido a que arrastra una  mayor cantidad de agua por la transferencia de masa que ocurre entre el aire y el  agua en la torre. ✓ Al disminuir  la  aproximación tenemos un aumento en la altura del empaque, se  puede inferir que a medida que la  aproximación  sea  más  próxima  a  cero,  el  tamaño de la torre y el costo aumentan.  

Bibliografía ●

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Datos Psicrométricos: http://www.herramientasingenieria.com/onlinecalc/spa/psicrometricos/psicr ometricos.html?fbclid=IwAR3Q82fueuMO-dX8GnEG3pw6i-s6uqNiWDFAJMCIc31 8i-JM0z6ZhfZyolE Operaciones de transferencia de Masa, Robert. E Treybal.

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