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FACULTAD DE QUÍMICA
PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERO QUÍMICO
UNIDAD DE APRENDIZAJE: “LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN”
PROFESOR: PROF. MA. LOURDES HURTADO ALVA
PRÁCTICA No.6
“TORRE DE ENFRIAMIENTO” GRUPO: 76 EQUIPO 3:
Aguilar Ayala Eduardo García Valdés Luis Evaristo Garfias González Erika Jiménez Oropeza Oscar Rodrigo López González Amanda Yael Valdés Martínez Edwin Artemio
FECHA: 4 de octubre del 2017
Laboratorio de Operaciones de Separación
Equipo 03 Práctica No. 1
I.
OBJETIVO
1.- Mediante la operación de una torre de tiro inducido, determinar experimentalmente el número de unidades de transferencia entálpica del aire, la altura de una unidad de transferencia entálpica y el coeficiente global de transferencia de masa para la fase gaseosa (aire) II. ANTECEDENTES Una torre de enfriamiento es una instalación cuya función es la dispersión de calor del agua, que involucra conjuntamente los fenómenos de transferencia de calor y de masa (evaporación controlada por el contacto directo del agua con el aire). Para lograr efectos en la torre de enfriamiento es muy importante que la gota del líquido tenga un tamaño menor durante su trayectoria o caída para aumentar el área de contacto con el aire, lo cual se logra interponiendo obstáculos (el relleno), que la detienen y al mismo tiempo la rompen, facilitando el proceso de evaporación. Con el empleo de nuevas tecnologías incorporadas a estos sistemas, los obstáculos en lugar de romper la gota hacen posible que se forme una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso. Características Como ya se mencionó, las torres de enfriamiento son equipos que se emplean para enfriar agua en grandes volúmenes, siendo el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los intercambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de la pared. Existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Las hay para la producción de agua de proceso que sólo 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. Es recomendable realizar un tratamiento del agua a enfriar, agregando álcalis, fungicidas, bactericidas y floculantes; además de realizar un análisis periódico tanto de dureza como de iones cloro, ya que éstos son causantes de las incrustaciones y la corrosión. 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. De esta manera, el agua le trasmite al aire el calor que contiene, mientras cae y el aire a su vez sale por la parte superior, conteniendo el calor. Por eso, muchas veces las torres de enfriamiento muestran blancas fumarolas en su parte superior.
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Laboratorio de Operaciones de Separación
Equipo 03 Práctica No. 1
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. Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados. Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en contacto con el aire de fuera. Como consecuencia, la contaminación del agua de las torres, por los contaminantes del aire y microorganismos, es insignificante. Además, los microorganismos presentes en las torres de enfriamiento no son eliminados a la atmósfera. Para evitar la corrosión en las torres de enfriamiento es recomendable: • Instalación de testigos de corrosión • Monitoreo de la velocidad de corrosión MPY • Protección de equipos y tuberías Para evitar la incrustación se recomienda seguir los siguientes puntos: • Protección de equipos y tuberías • Optimización de procesos • Mantener eficiencia de trasferencia de calor • Evitar costosos mantenimientos correctivos Evitando el ensuciamiento, se tendrá: • Control de la proliferación microbiológica • Eliminación de algas, hongos y levaduras • Disminución de paros no programados por mantenimiento Clasificación de torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar gran superficie de contacto entre al aire y el agua. Torres de tiro mecánico • Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un abanico situado en la parte superior de la torre. • Tiro forzado: El aire se fuerza por un abanico en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior. Torres de circulación natural • Atmosféricas: Aprovecha las corrientes atmosféricas de aire, este penetra a través de rompevientos en una sola dirección, cambiando con las estaciones del año y las condiciones atmosféricas. • Tiro natural: Operan de la misma manera que una chimenea de un horno. La diferencia entre la densidad del aire en la torre y en el exterior originan un flujo natural de aire frío en la parte inferior y una expulsión del aire caliente menos denso en la parte superior.
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Laboratorio de Operaciones de Separación
Equipo 03 Práctica No. 1
En el tipo de tiro forzado el aire entra a través de una abertura circular mediante un abanico, y debido a esto se deberá suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire. En las torres de tiro inducido, el aire puede entrar a lo largo de una o más paredes de la torre y, como resultado, la altura requerida de la torre para entrada del aire es muy pequeña. En la torre atmosférica, las corrientes penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad igual (ver figura 1). Las torres de tiro natural deben ser altas para promover el efecto de las densidades, deben tener una sección transversal grande debido a la baja velocidad con que el aire circula comparada con las torres de tiro mecánico. Figura 1. Tipos de torres de enfriamiento
TIRO INDUCIDO
TIRO FORZADO
ATMOSFÉRICA
TIRO NATURAL
Figura 2. Torre de enfriamiento de tiro natural
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Laboratorio de Operaciones de Separación
Equipo 03 Práctica No. 1
Altura de la torre De la deducción de la ecuación de diseño para torres de enfriamiento se tiene la siguiente expresión
Ecuación que es difícil de determinar porque no se conocen las condiciones en la interfase, por lo que se expresa en función del coeficiente global de transferencia de masa y de las condiciones en el equilibrio que si se conocen.
Entonces Z = HTU * NTU En donde: Z = Altura de la Torre Gs = Flujo de aire seco Ky = Coeficiente de transferencia de masa Kgmol /m2 s A = Área empacada de la torre a = Área de transferencia H = Entalpía del gas Kcal /Kg H* = Entalpía del gas en el equilibrio NTU = Número de unidades de transferencia HTU = Altura de unidades de transferencia
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Laboratorio de Operaciones de Separación
Equipo 03 Práctica No. 1
III.
RESULTADOS
AGUA T in (°C) T out (°C) 24 24 32 25 34 25 26 22 48 25 55 27 66 25 50 27 60 24
V in (m/s) 2.2 2 2 2 6.8 7.9 8.5 8.1 10
IV.
MEMORIA DE CÁLCULO
V.
CONCLUSIÓN
V out (m/s) 2.3 2.3 2.5 2.8 3.2 3.1 2.8 3.9 3.2
AIRE T bh in 18 19 19 18 18 22 24 26 23
T bs in 18 21 20 19 20 20 21 20 20
T bh out 15 25 25 14 15 13 15 15 14.5
T bs out 24 23 23 18 20 18 20 19 19
VI. BIBLIOGRAFÍA OPERACIONES UNITARIAS. EN INGENIERÍA QUÍMICA. SÉPTIMA EDICIÓN. Warren L. McCabe. North Carolina State University. Julian C. Smith. Revista mundo HVACR https://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2009/03/torresde-enfriamiento/ http://depa.fquim.unam.mx/procesos/PDF/asesoriacalculos.pdf
VII.
MANEJO DE RESIDUOS
No se ocuparon residuos peligrosos.
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PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERO QUÍMICO
UNIDAD DE APRENDIZAJE: “LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN”
PROFESOR: PROF. MA. LOURDES HURTADO ALVA
PRÁCTICA No.6
“TORRE DE ENFRIAMIENTO” GRUPO: 76 EQUIPO 3:
Aguilar Ayala Eduardo García Valdés Luis Evaristo Garfias González Erika Jiménez Oropeza Oscar Rodrigo López González Amanda Yael Valdés Martínez Edwin Artemio
FECHA: 4 de octubre del 2017
Laboratorio de Operaciones de Separación
Equipo 03 Práctica No. 1
I.
OBJETIVO
1.- Mediante la operación de una torre de tiro inducido, determinar experimentalmente el número de unidades de transferencia entálpica del aire, la altura de una unidad de transferencia entálpica y el coeficiente global de transferencia de masa para la fase gaseosa (aire) II. ANTECEDENTES Una torre de enfriamiento es una instalación cuya función es la dispersión de calor del agua, que involucra conjuntamente los fenómenos de transferencia de calor y de masa (evaporación controlada por el contacto directo del agua con el aire). Para lograr efectos en la torre de enfriamiento es muy importante que la gota del líquido tenga un tamaño menor durante su trayectoria o caída para aumentar el área de contacto con el aire, lo cual se logra interponiendo obstáculos (el relleno), que la detienen y al mismo tiempo la rompen, facilitando el proceso de evaporación. Con el empleo de nuevas tecnologías incorporadas a estos sistemas, los obstáculos en lugar de romper la gota hacen posible que se forme una película muy delgada en donde se lleva a cabo el mismo proceso. Características Como ya se mencionó, las torres de enfriamiento son equipos que se emplean para enfriar agua en grandes volúmenes, siendo el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los intercambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de la pared. Existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Las hay para la producción de agua de proceso que sólo 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. Es recomendable realizar un tratamiento del agua a enfriar, agregando álcalis, fungicidas, bactericidas y floculantes; además de realizar un análisis periódico tanto de dureza como de iones cloro, ya que éstos son causantes de las incrustaciones y la corrosión. 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. De esta manera, el agua le trasmite al aire el calor que contiene, mientras cae y el aire a su vez sale por la parte superior, conteniendo el calor. Por eso, muchas veces las torres de enfriamiento muestran blancas fumarolas en su parte superior.
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Equipo 03 Práctica No. 1
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. Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados. Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en contacto con el aire de fuera. Como consecuencia, la contaminación del agua de las torres, por los contaminantes del aire y microorganismos, es insignificante. Además, los microorganismos presentes en las torres de enfriamiento no son eliminados a la atmósfera. Para evitar la corrosión en las torres de enfriamiento es recomendable: • Instalación de testigos de corrosión • Monitoreo de la velocidad de corrosión MPY • Protección de equipos y tuberías Para evitar la incrustación se recomienda seguir los siguientes puntos: • Protección de equipos y tuberías • Optimización de procesos • Mantener eficiencia de trasferencia de calor • Evitar costosos mantenimientos correctivos Evitando el ensuciamiento, se tendrá: • Control de la proliferación microbiológica • Eliminación de algas, hongos y levaduras • Disminución de paros no programados por mantenimiento Clasificación de torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar gran superficie de contacto entre al aire y el agua. Torres de tiro mecánico • Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un abanico situado en la parte superior de la torre. • Tiro forzado: El aire se fuerza por un abanico en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior. Torres de circulación natural • Atmosféricas: Aprovecha las corrientes atmosféricas de aire, este penetra a través de rompevientos en una sola dirección, cambiando con las estaciones del año y las condiciones atmosféricas. • Tiro natural: Operan de la misma manera que una chimenea de un horno. La diferencia entre la densidad del aire en la torre y en el exterior originan un flujo natural de aire frío en la parte inferior y una expulsión del aire caliente menos denso en la parte superior.
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Laboratorio de Operaciones de Separación
Equipo 03 Práctica No. 1
En el tipo de tiro forzado el aire entra a través de una abertura circular mediante un abanico, y debido a esto se deberá suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa inefectividad, que se usa como entrada de aire. En las torres de tiro inducido, el aire puede entrar a lo largo de una o más paredes de la torre y, como resultado, la altura requerida de la torre para entrada del aire es muy pequeña. En la torre atmosférica, las corrientes penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad igual (ver figura 1). Las torres de tiro natural deben ser altas para promover el efecto de las densidades, deben tener una sección transversal grande debido a la baja velocidad con que el aire circula comparada con las torres de tiro mecánico. Figura 1. Tipos de torres de enfriamiento
TIRO INDUCIDO
TIRO FORZADO
ATMOSFÉRICA
TIRO NATURAL
Figura 2. Torre de enfriamiento de tiro natural
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Altura de la torre De la deducción de la ecuación de diseño para torres de enfriamiento se tiene la siguiente expresión
Ecuación que es difícil de determinar porque no se conocen las condiciones en la interfase, por lo que se expresa en función del coeficiente global de transferencia de masa y de las condiciones en el equilibrio que si se conocen.
Entonces Z = HTU * NTU En donde: Z = Altura de la Torre Gs = Flujo de aire seco Ky = Coeficiente de transferencia de masa Kgmol /m2 s A = Área empacada de la torre a = Área de transferencia H = Entalpía del gas Kcal /Kg H* = Entalpía del gas en el equilibrio NTU = Número de unidades de transferencia HTU = Altura de unidades de transferencia
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III.
RESULTADOS
AGUA T in (°C) T out (°C) 24 24 32 25 34 25 26 22 48 25 55 27 66 25 50 27 60 24
V in (m/s) 2.2 2 2 2 6.8 7.9 8.5 8.1 10
IV.
MEMORIA DE CÁLCULO
V.
CONCLUSIÓN
V out (m/s) 2.3 2.3 2.5 2.8 3.2 3.1 2.8 3.9 3.2
AIRE T bh in 18 19 19 18 18 22 24 26 23
T bs in 18 21 20 19 20 20 21 20 20
T bh out 15 25 25 14 15 13 15 15 14.5
T bs out 24 23 23 18 20 18 20 19 19
VI. BIBLIOGRAFÍA OPERACIONES UNITARIAS. EN INGENIERÍA QUÍMICA. SÉPTIMA EDICIÓN. Warren L. McCabe. North Carolina State University. Julian C. Smith. Revista mundo HVACR https://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2009/03/torresde-enfriamiento/ http://depa.fquim.unam.mx/procesos/PDF/asesoriacalculos.pdf
VII.
MANEJO DE RESIDUOS
No se ocuparon residuos peligrosos.
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