Informe de Laboratorio de Operaciones Unitarias II -Final

INFORME DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

TORRE DE ENFRIAMIENTO

I. OBJETIVOS:

Determinar el número de unidades de difusión y de transferencia a condiciones determinadas en una torre de enfriamiento.

Determinar la caída de presión correspondiente a través de la torre.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

Las torres de enfriamiento regulan el proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada,

reduciendo así la cantidad de agua consumida. Esto se logra cuando a la gota que se pone en

contacto con el aire, se le evapora la película exterior, requiriendo para este proceso de absorber

calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Es decir, el enfriamiento se

realiza tanto por calor sensible (cambio de temperatura) como por calor latente(cambio de estado

físico).El objeto que se persigue en la torre es que la gota este el mayor tiempo posible en contacto

con el aire, lo cuál se logra con la altura de la misma y además interponiendo obstáculos (el

relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentando facilitando más el proceso

evaporativo. En los nuevos sistemas los obstáculos en lugar de romper la gota, hacen que se forme

una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso. En términos generales,

podemos decir que la capacidad de enfriamiento de una torre es una combinación de todas las

variables involucradas en el diseño y selección de la misma y nos indica la cantidad de agua que

enfría en condiciones de operación comparada con las condiciones de diseño, esto es entonces, el

equivalente de la eficiencia térmica. Una torre de refrigeración es una instalación que extrae calor

del agua mediante evaporación o conducción.

Las industrias utilizan agua de refrigeración para varios procesos. Como resultado, existen distintos

tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de aguade

proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres de

enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso. Cuando el agua es reutilizada, se

bombea a través de la instalación en la torre de enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se

reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene

temperaturas entre 40 y 60 ˚C. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y

de ahí fluye hacia abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas.

Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un

enfriamiento de 10 a 20˚C.

Parte del agua se evapora, causando la emisión de más calor. Por eso se puede observar vapor

de agua encima de las torres de refrigeración. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de

enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un

ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre

de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraerá desde ahí para al proceso de

producción

Descripción de Componentes1. Entrada de agua caliente.2. Banco de esperas para asegurar una distribución uniforme del agua sobre el relleno.3. Relleno de enfriamiento que tiene una alta eficiencia y ofrece la máxima área de transferencia de calor, lo que traduce en una gran capacidad de enfriamiento.4. Eliminador de rocío.5. Ventilador axial.6. Motor específicamente seleccionado para cada torre.7. Silenciador (opcional).8. Cuerpo constituido por paredes laterales fácilmente removibles para inspección y mantenimiento.9. Cisterna de agua fría.10. Rebosadero.

11. Salida de agua fría.12. Válvula con flotador.13. Entrada de aire.14. Salida de aire

Torre de tiro natural

Es aquella en la que el aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno. La diferencia de densidades entre el aire húmedo caliente y el aire atmosférico es el principal motivo por el cual se crea el tiro de aire a través de la torre. La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la chimenea también ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas y, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. Al igual que las torres atmosféricas, no tienen partes mecánicas. La velocidad media del aire a través de la torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. Las torres de tiro natural no son adecuadas cuando la temperatura seca del aire es elevada, ya que ésta debe ser siempre inferior a la del agua caliente. No es posible conseguir un valor de acercamiento pequeño y es muy difícil controlar exactamente la temperatura del agua. En las torres de tiro -natural no se pueden utilizar rellenos de gran compacidad, debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo más pequeña posible. Estas torres son muy utilizadas en centrales térmicas; SALIDA DE AIRE Esquema de una torre de tiro natural

Torres de tiro mecánicoLas torres de tiro mecánico proporcionan un control total sobre el caudal de aire suministrado. Se trata de torres compactas, con una sección transversal y una altura de bombeo pequeñas en comparación con las torres de tiro natural. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida, y se pueden lograr valores de acercamiento muy pequeños (hasta de 1 o 2 ºC, aunque en la práctica acostumbra a ser de 3 o 4ºC). Si el ventilador se encuentra situado en la entrada de aire, el tiro es forzado. Cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire, se habla de tiro inducido. En las torres de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre. Estas torres son, casi siempre, de flujo a contracorriente. Son más eficientes que las torres de tiro inducido, puesto que la presión dinámica convertida a estática realiza un trabajo útil. El aire que se mueve es aire frío de mayor densidad que en el caso de tiro inducido. Esto también significa que el equipo mecánico tendrá una duración mayor que en el caso de tiro inducido, ya que el ventilador trabaja con aire frío y no saturado, menos corrosivo que el aire caliente y saturado de la salida, Como inconveniente debe mencionarse la posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión, creada por el ventilador en la entrada de aire.

III. DATOS

Datos: Caudal bajo t1 t2 t3Flujo de Agua, L (GPM) 20.00 20.00 20.00Temp.de entrada del agua(ºC) 40 40 40Temp.de salida del agua(ºC) 33 35 33Temp.de bulbo seco del aire entrada(ºC) 24 24 24

Humedad Relativa % 77.7 75.1 70.9Temp.de salida del aire(ºC) (termómetro) 36 39 37ΔP en el empaque(mm de agua) 1 1 1ΔP en el empaque + atrapagotas(mm de agua)

0.5 0.5 0.5

Datos: Caudal medio t1 t2 t3

Flujo de Agua, L (GPM) 25.00 25.00 25.00Temp.de entrada del agua(ºC) 40.00 40.00 40.00Temp.de salida del agua(ºC) 35.5 35.00 34.00Temp.de bulbo seco del aire entrada(ºC) 22.00 22.00 23.00Humedad Relativa % 71.0 68.9 68.1Temp.de salida del aire(ºC) (termómetro)

36.00 38.00 36.00

ΔP en el empaque(mm de agua) 1.00 1.00 1.00ΔP en el atrapagotas+empaque(mm de agua)

0.5 0.5 0.5

Datos t1 t2 t3Flujo de Agua, L (GPM) 30.00 30.00 30.00Temp.de entrada del agua(ºC) 40.00 40.00 40.00Temp.de salida del agua(ºC) 34.00 34.00 34.50Temp.de bulbo seco del aire entrada(ºC)

24.00 23.50 23.50

Dimensiones de la torreAncho de la base : 0.65 mAltura de la torre : 2.2 mÁrea transversal : 0.4225 m2

Volumen de la cámara : 0.9295 m3

Altura del relleno : 1.3 mAltura del atrapagotas : 0.15 mDiámetro del ducto de aire : 0.36 mÁrea del ducto : 0.1018 m2

Entrada de Agua

T1

AguaT2

AireH1

T1=40ºCL1=20GPM

G2Hr

Entrada de aire Salida de Agua

T2

Salida de AireH2

Humedad Relativa % 67.70 67.00 66.10Temp.de salida del aire(ºC) (termómetro)

38.00 38.00 38.00

ΔP en el empaque+ empaque (mm de agua)

1.00 1.00 1.00

ΔP en el atrapagotas (mm de agua) 0.50 0.50 0.50

IV. CÁLCULOS Y RESULTADOS

1. Calculo del Flujo de gas para los 9 juegos de datos:

Flujo de entrada del Líquido (L 1)

Se sabe que L1 = 20 GPM, luego:

T L 1=40 ° C

L1=(20galmin )x (0.00378

m3

gal ) x( 160

mins )=0.00126

m3

s

Para convertir a flujo másico, multiplicamos por su densidad:

L1=(0.00126m3

s ) x (992.33Kgm3 )=1.25034

Kgde aguas

Flujo de salida del Líquido(L 2)

L2=1.25034Kgs

Aire de Entrada (G 1)

Las condiciones de temperatura del aire de entrada, temperatura del bulbo seco

Tbs=24.00°C, la humedad relativa HR =77.7% a la que se encontraba el aire en la

atmosfera, ello ayudara con la carta psicométrica a determinar Tbh ,HG1 y YG1.

T bh=21,0969 °C HG1=61,2064KJ /Kg

Y G1=0,01457Kgde agua

Kgde aireseco

Aire de Salida (G 2)

Para la salida, se tiene la temperatura del bulbo seco TBS=36°C y la humedad relativa

HR=75.7%, con estos valores y con la carta psicométrica podremos determinar Tbh, HG2

y YG2.

T bh=32,3221° C HG2=112,4506 KJ /Kg

Y G2=0,02971Kgdeagua

Kgdeaire seco

Tenemos los datos para poder hallar el flujo de aire:

Balance de energía:

Calor Cedido por el Agua=CalorGanado por AireL1 x HL1−L2 x HL2=G' (HG2−HG1)+G' λ0dY '

L ' CAL∗(TL1−TL2)=G '(HG2−HG1)+G ' λ0dY '

Despreciando la ganancia de calor del líquido evaporado tenemos: +G' λ0dY=0

L'C AL∗(TL2−TL1)=G' (HG2−HG1 )……………………… ..(1)

G'=L'C AL∗(TL2−TL1 )

HG2−HG1

Donde:L’: Flujo de líquido puro y G’: Flujo de Gas sin humedad ;C AL=4,517KJ /KgºC

Remplazando:

G'=(1.250

Kgs

)(4.517KJ

Kg °C) (40−33 )° C

(112.4506−61.2064)KJ /Kg

G'=0.77Kg / s

De esta forma hallamos el Flujo del aire para cada dato:

Flujo de Agua T 1 T 2 HG1 HG2 G(Flujo del aire)

20 Gpm

40 33 61,2064 112,4506 0,771

40 35 59,9379 126,7159 0,423

40 33 57,8931 110,6193 0,750

25Gpm

40 35,5 51,9627 105,5886 0,592

40 35 51,0641 113,6786 0,564

40 34 53,5742 102,6359 0,863

30Gpm

40 34 56,3386 112,3031 0,908

40 34 54,5227 111,5017 0,892

40 34,5 54,0998 110,4724 0,827

2. Seleccionar un juego de datos para cada flujo de liquido:

Flujo de Agua T 1 T 2 HG1 HG2 G(Flujo del aire)20 Gpm 40 33 61,2064 112,4506 0,77120 Gpm 40 34 53,5742 102,6359 0,86330Gpm 40 34 56,3386 112,3031 0,908

A mayor flujo de agua, se necesita mayor flujo de aire de enfriamiento y si esto no sucede, el agua entrante no estará en contacto con la cantidad de aire suficiente para la reducir de su temperatura.

3. Grafica de las curvas de saturación y de operación para cada flujo de líquido.

Teniendo las relaciones HG vs T se puede obtener la recta de operación.

HG2=L'C AL

G' TL2−(L'CAL

G' TL1−HG1)

Siendo TL1: variable independiente (temperatura del agua a la entrada) y HG2 la

variable dependiente (entalpia del aire a la salida)

Flujo 20GPM:

Flujo de entrada del Líquido (L1):

T L 1=40 ° C L2=1.25Kgde agua

s

Flujo de salida del Líquido(L2)

T L 2=33.00 °C L2=1.25Kgs

Aire de Entrada (G1)

HG1=61.2064KJ /Kg

Aire de Salida (G2)

HG2=112.4506 KJ /Kg

Haciendo el balance de energía: G'=0.771Kg /sLa recta de operación será:

Flujo 25GPM:


T L 1=40 ° C L1=1.563Kgde agua

s


T L 2=34 °C L2=1.563Kgs


HG1=53.5742KJ /Kg

Aire de Salida (G2)

HG2=102.6359KJ /Kg

Haciendo el balance de energía: G'=0.863Kg / sLa recta de operación será:

HG2=7.323 xTL1−180.46

HG2=8.18xTL1−224.57

Flujo 30GPM:


T L 1=40 ° C L1=1.876Kgdeagua

s


T L 2=34 °C L2=1.876Kgs


HG1=56.3386KJ /Kg

Aire de Salida (G2)

HG2=112.3031KJ /Kg

Haciendo el balance de energía: G'=0.908Kg / sLa recta de operación será:

HG2=9.33xTL1−260.965

Teniendo los datos para la Curva de Equilibrio (Saturación del aire)

T (°C) H (kJ/kg)

10 29.5

15 42

20 57.5

25 76.5

30 100

35 130

40 168

45 214

50 267

Con estos datos se grafica las curvas de operación y de saturación del aire

10 15 20 25 30 35 40 45 50 550

50

100

150

200

250

300

LINEAS DE OPERACION Y CURVA DE EQUILIBRIO

Curva de Equilibrio

curva de operación Caudal bajo L=20GPM

Curva de operación caudal medio L=25 GPM

Curva de Operación Caudal Alto L=30GPM

Temperatura (ºC)

H(K

J/Kg

)

4. Discusiones y conclusiones :

A menor flujo de líquido se tiene mayor diferencia de temperatura, debido a que el aire gana más calor proveniente de líquido.

Se necesita mayor flujo de aire al aumentar el flujo del agua cuya temperatura de salida fue 34 ºC , si esto no sucede, el agua entrante no estará en contacto con la cantidad de aire suficiente para la reducir de su temperatura.

Según cada gráfica estas expresan la curva de operación de la torre de enfriamiento a determinados flujos de líquido. La curva de operación para un flujo de agua de 20 GPM presenta menor pendiente y la temperatura de salida fue el más baja alcanzada 33ºC .

VVapor de

AguaTv

LAgua de pozo

To

LFAgua de

alimentaciónT1

5. Calculo de Flujo de Vapor para cada flujo de liquido

Se limita el sistema a analizar:

Para el sistema expuesto se tiene el siguiente balance de masa y energía:

B. Masa: LF=V +L

B. Energía: LFCp (T 1−Tr )=V Cp v (T v−Tr )+V C L+LCp (T o−Tr )

Dónde: Calor específico del agua: Cp

Calor específico del vapor: Cpv Temperatura de referencia: Tr=0°C

Calor latente: CL

Resolviendo las ecuaciones, se determina el flujo de vapor V:

L (gal/min) Pv (psi) Tv (K) T1 (K) Cp1 (KJ/ k.Kg) CL To (K) Cpo (KJ/ k.Kg)

20 75 426.07 313 4.179 2103.9 298 4.180

25 76 426.57 313 4.179 2104.1 298 4.180

30 80 428.56 313 4.179 2118.0 298 4.180

Para L= 20 GMP20GPM=V +L

20 x 4.179kJk . kg

x313=Vx1.9135kJk . kg

x (426.07 )+Vx2103.9kJkg

+ Lx4.180kJk . kg

x298

V=0.7455GPM L=19.2545GPM

Para L= 25 GMP

25GPM=V +L

25 x 4.179kJk . kg

x313=Vx1.9128kJk . kg

x (426.57 )+Vx2104.1kJkg

+Lx 4.180kJk . kg

x 298

V=0.9314GPM L=24.0686GPM

Para L= 30 GMP30GPM=V +L

3 0 x 4.179kJk . kg

x313=Vx1.913kJk . kg

x (428.56 )+Vx 2118kJkg

+Lx 4.18kJk . kg

x298

V=1.106GPM L=28.894GPM

6. Calculo del ND , para cada flujo del liquido

De la siguiente formula:

Entonces, se tiene:

Para L= 20 GPM

T H (KJ/Kg) H* (KJ/Kg) saturada H* - H 1/H*-H33 61.20 118 56.80 0.0176134 68.52 124 55.48 0.0180335 75.85 130 54.16 0.0184736 83.17 137.6 54.43 0.0183737 90.49 145.2 54.71 0.0182838 97.81 152.8 54.99 0.0181939 105.14 160.4 55.26 0.0181040 112.46 168 55.54 0.01801

Donde: K : Constante de transferencia de masaL : Flujo de líquido, kg/sV : Volumen de la cámara de enfriamiento, m3

Cpw : Calor específico del aguaH* : Entalpía en la película del aire, entalpía de saturaciónH : Entalpía del aire en su seno, ambiente

NUD=KaVL

=C pW⋅∫T L1

T L2dT

H∗−H

nD=4.178KJ

Kg °C(0.12725 )=0.61521Y

LG

=1.250340.77149

=1.620677

Para L= 25 GPM

T H (KJ/Kg)H* (KJ/Kg) saturada H* - H 1/H*-H

34 53.55 124 70.45 0.0141935 61.73 130 68.27 0.0146536 69.91 137.6 67.69 0.0147737 78.09 145.2 67.11 0.0149038 86.27 152.8 66.53 0.0150339 94.45 160.4 65.95 0.0151640 102.63 168 65.37 0.01530

nD=4.178KJ

Kg °C(1.10698 )=0.44696Y

LG

=1.5629190.863411

=1.810261

Para L= 30 GPM

T H (KJ/Kg)H* (KJ/Kg) saturada H* - H 1/H*-H

34 56.26 124 67.74 0.0147635 65.59 130 64.42 0.0155236 74.92 137.6 62.69 0.0159537 84.25 145.2 60.96 0.0164138 93.58 152.8 59.23 0.0168839 102.91 160.4 57.50 0.0173940 112.24 168 55.77 0.01793

nD=4.178KJ

Kg °C(0.098495 )=0.41151

LG

=1.875500.90849

=2.0649

En resumen:

L (gal/min) L (kg/seg) G (kg/seg) L/G ND

20 1.25 0.7714 1.6206 0.61521

25 1.57 0.8634 1.8102 0.44696

30 1.88 0.9084 2.0649 0.41151

7. Curva característica del empaque

1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.10.2

0.250.3

0.350.4

0.450.5

0.550.6

0.65

ND vs L/G

L/G

ND

8. Comparación de caída de presión de los empaques de láminas corrugadas con

anillos Rasching.

- Laminas Corrugadas:

Flujo (galones/min) 20 25 30

∆P ( mmH2o) 5 10 5∆P/z ( mmH2o/m) 3.8 7.7 3.8

∆P/z (N/m2/m) 37 37 37

- Anillo Rashing:

∆ PZ

=C D xG

'2

ρG

G’(kg/s) T(°C) ρG (Kg/m3) CD ∆P/z(N/m2/m) ∆P(N/m2)

1.125 37 1.2 580 612 470

0.875 37 1.2 580 370 284

1.575 38 1.2 580 1198 921

Donde:

CD: Factor del Empaque, para el caso de anillo rashing de ½” tiene un valor de 580G’: Flujo de Gas que ingresa a la torre (kg/s.m2)ρG : Densidad del Gas (kg/m3)

9. Hallar la elevación del nivel de agua en la poza.

Realizamos un balance de masa y energia:

B. Masa: LF=V +LB. Energía: LFCp (T 1−Tr )=V Cp v (T v−Tr )+V C L+LCp (T o−Tr )

Dónde:Cp.: Calor específico del agua (4.2kj/kg)Cpv.: Calor específico del vapor (2.1kj/kg)Tr: Temperatura de referencia (0°C)CL: Calor latente (2100kj/kg)

Reemplazando calculamos V y Lf:

Lf(gal/min) Lf(kg/s) Presión Caldera(psi)

Temperatura de stream(K)

T1(°C) To V(kg/s)

20 1.26 75 425 313 298 0.04625 1.58 75 425 313 298 0.057

30 1.89 75 425 313 298 0.068

Tenemos que calcular el agua que se evapora, lo calculamos por medio de un balance de masa y energía en la columna:

L2−L1=Gs∗(Y 2−Y 1)

L1hL 1−L2hL2=Gs∗(hG2−hG1)

Despejando Gs tenemos:

Gs=L1(hL 1−hL2)

(hG2−hG1 )−(Y 2−Y 1)hL2

Calculando obtenemos:

Flujos de Aire SecoCorrida 1 2 3

Gs (Kg/s) 0.45 0.35 0.63

Ahora calculamos el agua evaporada

Corrida 1 2 3

Y2 -Y1 (Kg agua/Kg a.s) 0.027 0.031 0.031

Agua transferida (kg/s) 0.01216 0.01098 0.01967

El nivel del pozo se calcula con el flujo de agua adiciona entre el área transversal del pozo

Aguaadicional=Aguade vapor (V )−Agua transferidaal aire

Obtenemos:

L (gal/min) V Kg/s Agua Transferida al aire Kg/s

Agua adicional (Kg/s)

Altura cm/s

20 0.045 0.012 0.033 0.00082525 0.057 0.011 0.046 0.00115

30 0.068 0.019 0.049 0.00122

Conclusiones:

- La caída de presión que ocasionan los rellenos de láminas corrugadas en mucho menor a los empaques con Anillo Rashing, debido a que las láminas corrugadas no bloquean el paso del aire, las láminas corrugadas y los anillos rashing aumentan el área de transferencia pero este último bloquea el paso del aire ocasionando una mayor caída de presión.

- la elevación del pozo varía muy poco, porque el agua que se acumula en el pozo es el vapor que se condensando menos el agua que se evapora, el vapor necesario para mantener la temperatura de ingreso a la torre a 40 °C es poco.

V. BIBLIOGRAFÍA

Warren L. McCabe - Operaciones Unitarias en Ingeniería Química - Editorial McGraw

Hill Hill – Séptima Edición – México – 2007 – Pág. 660

http://www.airetecnica.com.co/PDF%B4s/TAYCOVENTA.pdf

http://www.durofelguera.com/opemasa/TORRES%20DE%20REFRIGERACI%D3N.html

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