Reporte Practica 4 Laboratoria De Ingenieria Quimica.docx

PROBLEMA Encontrar el flujo de aire (m3/h) necesario para enfriar 4.35 L/min de agua, de una temperatura cercana a 48°C hasta 28°C en una torre de enfriamiento. Explore por lo menos tres flujos de aire en el intervalo de 90 a 310 m3/h. Resolver los balances de materia y energía en la torre de enfriamiento para cada flujo de aire y conteste las siguientes preguntas: a) ¿Qué cantidad de agua se evapora y se transfiere al aire en kg/h? b) ¿Qué cantidad de energía pierde el agua y se transfiere al aire en Kcal/h? c) ¿Qué cantidad de agua se pierde por arrastre en kg/h? d) ¿Cuál es la influencia del flujo de aire en el enfriamiento del agua y en la cantidad de agua evaporada? No. de

Flujo de 𝐻2𝑂 entrada [L/min]

Flujo de aire entrada [ft3/min]

T 𝐻2𝑂

T

Tbs

Tbh

Tbs

Tbh

Tbs

Tbh

Entrada [°C]

𝐻2𝑂 Salida [°C]

Aire entrada [°C]

Aire entrada [°C]

Aire salida [°C]

Aire salida [°C]

Aire ambiente [°C]

Aire ambiente [°C]

10

4.35

100

46

30

29

19

43.3

36.5

20.3

14.7

20

4.35

100

46

30

30

20

42.8

37

20.4

14.6

30

4.35

100

46

30

31

21

43.7

37.3

20.8

14.7

4.35

100

46

30

30

20

43.3

36.9

20.5

14.66

10

4.35

200

46

27

29

21

40.2

36.6

20.3

15

20

4.35

200

46

27

29

21

40.1

34.5

20.7

15.1

30

4.35

200

46

27

29

21

40.5

34.7

20.8

15.1

4.35

200

46

27

29

21

40.3

34.6

20.6

15.1

10

4.35

300

46

24

29

20.5

37.6

31.4

21.2

14.8

20

4.35

300

46

24

29

20

37.9

32.3

21.5

15.6

30

4.35

300

46.5

24

29

20.5

38.1

32.1

21.7

15.5

4.35

300

46.1

24

29

20.5

37.9

31.9

21.5

15.3

Tiempo [min]

Corrida

1

Promedio

2

Promedio

3

Promedio

DATOS EXPERIMENTALES Tabla 1. Información experimental

Tiempo [min] No. de Corrida

1

Humedad relativa entrada

10

54.2

70.7

20

54.1

70.9

30

53.4

64.4

53.9

68.7

10

54.3

82.1

20

55.2

67.6

30

54.6

67.7

54.7

72.5

10

53.8

67.6

20

52.7

66.9

30

52.7

67.9

53.1

67.5

Promedio

2

Promedio

3

Humedad relativa salida

Promedio

Tiempo de acumulación de agua en el tanque receptor Tiempo (seg)

Corrida 1

Corrida 2

Corrida 3

1

53.73

53.45

54.93

2

53.03

54.20

55.25

3

54.35

53.42

54.63

4

53.81

53.48

53.87

Promedio

53.71

53.63

54.67

CUESTIONARIO 1. Representar mediante un diagrama de flujo simplificado el proceso del enfriamiento de agua y señalar las corrientes de entrada y salida, así como las variables involucradas. Use la notación declarada en el anexo de este guión.

2. Para cada una de las corridas efectuar los cálculos de balance de materia y energía (consultar el anexo). Balance de materia: Aire seco: Agua: Agua evaporada:

A=B C+AYA = D+BYB +Bagua A (YB −YA)

Balance de energía: ∆H1 = 0.0 (porque se separan los componentes de una corriente gaseosa y el calor de mezclado para gases es cero). ∆H2 = 0.0 (porque los estados inicial y final son agua pura a la misma temperatura). ∆H3 = A Cpaire (TB-TA)

∆H4 = A YA CpVagua (TB-TA) ∆H5 = A (YB – YA) [ CpLAGUA (T0-TC) + ∆To+ CpVagua(TB-T0) ] ∆H6 = 0.0 (Porque se mezclan corrientes gaseosas a la misma temperatura y el calor de mezclado para gases es cero) ∆H7 = (Bagua) CpLAGUA (TB-TC) ∆H8 = D CpLAGUA (TD-TC) ∆H1 +∆H2 +∆H3 +∆H4 +∆H5 +∆H6 +∆H7 +∆H8 = Transferencia de calor del exterior a la torre de enfriamiento CONTESTE LO SIGUIENTE 1. ¿Cómo advierte que se alcanza el régimen permanente en la operación de la torre? Cuando no se aprecie un cambio en las variables del sistema a lo largo del tiempo. Se alcanza cuando la temperatura del agua de salida así como las otras temperaturas medidas (bulbos húmedos y secos) ya no cambia, y para ello dejamos operar la torre alrededor de 15 minutos. 2. ¿Cuántos grados centígrados se enfrió el agua? ¿Cómo se llama este intervalo de temperatura? Para cada corrida: Corrida 1: 16°C, Corrida 2: 19°C y Corrida 3: 22.17°C 3. Utilizar la carta de humedad y un método analítico (ver anexo) para determinar el aire ambiente y el de salida de la torre: • El punto de rocío: Analíticamente se sabe que este punto corresponde a la presión de vapor del agua cuando el aire está saturado como es este caso, y esta presión se calcula con la ecuación de Antoine. • La humedad relativa: Referida a la relación de Ysat = kgAgua/kgAH a condiciones de saturación. Usando la carta.  La humedad absoluta: Referida a la relación de Y= kgAgua/kgAS en condiciones normales. Usando la carta psicométrica se refiere a la humedad registrada con la temperatura del bulbo húmedo y la línea de humidificación adiabática.

𝐵

Despejamos y tenemos 𝑃° = 𝐸𝑥𝑝 [𝐴 − (𝑇+𝐶 )] 4030.178 𝑃° 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐸𝑥𝑝 [12.04 − ( )] = 0.1005 𝑏𝑎𝑟 319.15 − 38.043 4030.178 𝑃° 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝐸𝑥𝑝 [12.04 − ( )] = 0.03557 𝑏𝑎𝑟 300.15 − 38.043 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.01325 𝑏𝑎𝑟

(𝑦1 ) 𝑠𝑎𝑡 =

𝑌𝑠𝑎𝑡 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 =

𝑌𝑠𝑎𝑡 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 =

(𝑃𝑀1 )𝑃° 𝑃° 𝑠𝑎𝑡 ;𝑌 = (𝑃𝑀2 )(𝑃 − 𝑃°) 𝑃

18𝑔 (0.1005 𝑏𝑎𝑟) 𝑚𝑜𝑙 29𝑔 (1.01325 − 0.1005)𝑏𝑎𝑟 𝑚𝑜𝑙 18𝑔 (0.03557𝑏𝑎𝑟) 𝑚𝑜𝑙

29𝑔 (1.01325 − 0.03557)𝑏𝑎𝑟 𝑚𝑜𝑙

= 0.068

𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜

= 0.02266

𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜

4. Comparar la humedad absoluta del aire a la entrada y a la salida de la torre, ¿a qué se debe la diferencia? La humedad en la salida de la torre es mayor, debido a que al aumentar la temperatura del aire, este incrementa su capacidad de transporta vapor de agua, en otras palabras, al elevar la temperatura del aire y al estar en contacto con agua, se da un nuevo equilibrio, provocando que la humedad del aire a la salida sea mayor. 5. Calcular el flujo másico de aire y los flujos másicos de agua a la entrada y a la salida de la torre de enfriamiento.

Entrada

Entrada H2O Salida H2O Flujo C (Kg/h) Flujo A (Kg/h) Flujo D (Kg/h) Flujo B (Kg/h) Temperatura 100 63,9493473 1,04440 258,62647 1,36747 30 200 63,9493473 2,32323 259,07248 2,73212 27 300 63,9493473 3,48485 254,17962 4,09818 24

6. Comparar el flujo másico de agua a la entrada y a la salida de la torre, ¿a que se debe la diferencia? El flujo másico a la entrada es menor, debido a que, durante el intercambio de calor entre la corriente de agua y la corriente de aire; una parte del calor sensible del agua, se transforma a calor latente y el agua se evapora, mientras otra parte del agua se pierde por arrastre de vapor. El agua fluye más rápido cuando está caliente que cuando está fría ya que recordando, la viscosidad es una medida de la resistencia de los líquidos a fluir, cuanto más viscoso es un líquido, más lento es su flujo. La viscosidad de un líquido suele disminuir con el aumento en la temperatura. Los líquidos con fuerzas intermoleculares fuertes son más viscosos que los que tienen fuerzas intermoleculares débiles. El agua tiene mayor viscosidad que muchos otros Líquidos por su capacidad para formar enlaces de hidrógeno. 7. Resolver los balances de materia y determinar cuánta agua se evaporó y cuanta salió como arrastre (agua líquida) con el aire de salida. El arrastre debe ser un número pequeño, en caso de que sea grande o negativo es indicio de que algunas de sus mediciones tienen error. Entrada 100 200 300

Flujo C Flujo A (entrada H2O) Flujo D 63,9493473 1,04440 63,9493473 2,32323 63,9493473 3,48485

258,62647 259,07248 254,17962

Flujo B (entrada H2O) H2O Arrastre H2O Evaporada 1,36747 -195,00019 0,34187 2,73212 -195,53202 0,45535 4,09818 -190,84361 0,68303

8. Resolver el balance de energía y determinar las diferentes contribuciones (ver procedimiento en el anexo). ¿De cuánto son las contribuciones para enfriar el agua y para evaporar el agua (ΔH5 y ΔH8)? También observe la suma de todas las contribuciones. ¿Qué representa este número? Este último número debe ser cercano a cero, un valor grande es indicio de error en algunas de sus mediciones. La ΔH5 es de evaporación y ΔH8 es de cambio de temperatura. Las cuales se muestran en la tabla que sigue: Corrida

ΔH5

ΔH8

1

817,26728

-17342,45628

2

1085,98971 -20629,68229

3

1625,41252 -23613,41408

Como se puede observar, se requiere energía para evaporar y para bajar la temperatura se cede la energía al aire. Conforme aumenta la cantidad de aire, la energía que cede al aire y energía necesaria para que se evaporen se van aproximando. El calor transferido en los tres casos, resultó ser negativo, lo cual significa que la torre de enfriamiento está cediendo calor al exterior

9. De las mediciones que realizó, ¿cuáles espera que tengan el mayor error experimental? La medición de flujo de agua a la salida de la torre ya que es donde más se presta a errores del operador al medir. 10. Resolver nuevamente los balances de materia y energía tomando ahora solo las mediciones que estén menos sujetas a error experimental. Debe escoger suficientes datos para que los grados de libertad sean cero. Tome como valor del arrastre el 0.2% del agua de alimentación. Considere que el aire que sale de la torre está saturado y que la operación de la torre de enfriamiento es adiabática (SUMA=0). Corrida No. 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio

T H2O Entrada (ºC) 46 46 46 46 46 46 46 46 46 46 46 46

T H2O Salida (ºC) 30 30 30 30 27 27 27 27 24 24 24 24

Para la corrida 1, aire a la entrada 100 m3/ h Flujos (Kg/h) C(agua ent) A(aire ent) B(aire sal) D(agua sal)

261 115 119.65 257.679981

Para la corrida 2, aire a la entrada 200 m3/h Flujos (Kg/h) A(agua ent) B(aire ent) C(aire sal) D(agua sal)

261 345 350.75 255.243633

Para la corrida 3, aire a la entrada 300 m3/h Flujos (Kg/h) C(agua ent) A(aire ent) B(aire sal) D(agua sal)

261 230 235.80 255.1941933

Como podemos notar al momento de no tomar en cuenta los datos que estaban sujetos a mayor error, se obtiene una corriente de agua de salida que va disminuyendo conforme entra más aire a la torre lo cual parece más coherente que los datos obtenidos experimentalmente en donde la relación era inversa, entre más aire entraba a la torre salía más agua. 11. Comparar los valores de agua evaporada y arrastre que calculó en el punto 11 con los datos en el punto 8 ¿Qué diferencias existen? Explique. Se eliminó el flujo de salida de agua de la torre ( el sujeto a mayor error ) y se calculó cual sería este flujo en las condiciones especificadas y se encuentra que los valores que se obtuvieron experimentalmente estaban mal ya que la tendencia debería ser a mayor aire menor agua a la salida, sin embargo experimentalmente no se obtuvo esta tendencia, concluimos que efectivamente hubo grandes problemas durante el proceso de enfriamiento de la torre. 12. Analizar los cálculos del balance de energía y contestar a la pregunta: ¿cómo ocurre el enfriamiento de agua? El enfriamiento del agua es un proceso simple, pero complicado de explicar. Partiendo del Calor sensible y latente del agua caliente, cuando se le induce un flujo de aire a una menor temperatura (menor calor sensible) se le obliga al agua a transferir su calor sensible al aire.

A su vez, gran parte del calor sensible del agua, se transforma a calor latente. El cual hace que parte del agua cambie de fase liquida a vapor. Por tanto, el flujo de salida del agua disminuye mucho su temperatura 13. Analizar los cálculos de las corridas a los diferentes flujos de aire y determinar la influencia que éste tiene sobre el enfriamiento del agua. Mientras mayor es el flujo de aire, existe una mayor transferencia de energía entre el flujo de agua y el flujo de aire; el agua del flujo de salida llega a una menor temperatura. Por otro lado, mientras mayor es el flujo de aire; hay más cantidad de agua perdida en el flujo de aire de salida. 14. Con los resultados de las diferentes corridas a los diferentes flujos de aire, prepare las siguientes gráficas: 

Temperatura de agua de salida vs flujo de aire. TaguaS vs Flujoaire

y = -5.339ln(x) + 54.778 R² = 0.9777

32 30 28 26

Temperatura

24

Log. (Temperatura)

22 20 0



50

100

150

200

250

300

350

Cantidad de agua evaporada vs flujo de aire.

Agua ev. Vs Flujo aire 4.50000 4.00000

y = 1.1181x + 0.1787 R² = 0.9992

3.50000 3.00000 2.50000 2.00000 1.50000 1.00000

0.50000 0.00000 0.00000

0.50000

1.00000

1.50000

Agua ev. Vs Flujo aire

2.00000

2.50000

3.00000

Linear (Agua ev. Vs Flujo aire)

3.50000

4.00000

17. ¿Cuál es el flujo de aire encontrado para enfriar la corriente de agua a la temperatura del problema? Para determinar el flujo de aire con el cual enfriar el agua a partir de la gráfica se puede observar que debería estar cercano a 150, en la segunda corrida se necesitaba un flujo de aire de (200m3 /h ) para enfriar el flujo de agua de 42.5 a 28 ºC. Generalmente, no se necesita de una regresión lineal para conocer el flujo. Sin embargo, se puede comprobar el procedimiento experimental.

y = −5,339ln(x) + 54,778 28 = −5,339ln(x) + 54,778

Q = 150.74 m3 /h Conclusiones  En las torres de enfriamiento el procedimiento es sencillo. Se transfiere calor sensible de la interface del agua a calor latente, lo cual va a propiciar una disminución en su temperatura y que gran una porción del agua se evapore.  Existe una parte del agua que se pierde en el flujo del aire (no es agua evaporada), llamada agua de arrastre. Esta es simplemente agua que arrastra el aire (como si fuese una suspensión), de igual medida, esta agua se pierde.  La malla (empaque) por donde se retiene el agua (que va en contraflujo con el aire), sirve para retener el agua mientras esta va descendiendo y aumentar su superficie de contacto. De esta forma se logra aprovechar la mayor cantidad de agua posible.  La torre de enfriamiento no se considera un sistema cerrado, se le considera un sistema abierto. Idealmente se espera que todo el aire entrante, carezca de energía y humedad transferidos por el agua  Las torres de enfriamiento son muy empleadas en la una industria para el enfriamiento de agua. Es la forma más efectiva de enfriar el agua  La humedad es una medida que nos resulta de mucha importancia para determinar las características del ambiente. La humedad también influencia la temperatura del ambiente y nuestra percepción sobre ella.

Bibliografía 1.- Valiente, B.A. y Stivalet, C.R. Problemas de Balances de Materia, Alhambra Mexicana, México, 1986. 2.-Christie J. Geankoplis, Procesos de transporte y operaciones unitarias, segunda edición, editorial Continental, México, 1995.