Torre de Enfriamiento Jg.correccion.100%

UNIVESIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

Departamento Académico de Operaciones Unitarias

LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA II

Nº DE PRÁCTICA 6

REPORTE

TORRES DE ENFRIAMIENTO

GRUPO B

PROFESOR

ING. GIANCARLO GIANELLA GONZÁLEZ

INTEGRANTES

ENCISO ACUÑA, JORGE MANUEL

VILLANUEVA BARRUTIA, GERARDO

JULCA, ELIZABETH PAOLA

FECHA DE LA PRÁCTICA: 22 de Junio.

FECHA DE ENTREGA: 6 de Julio.

2012

2

TABLA DE CONTENIDO

pág.

RESUMEN 3

DETALLES EXPERIMENTALES 4

TABULACION DE DATOS Y RESULATADOS 6

DISCUSION DE RESULTADOS 9

CONCLUSIONES 10

RECOMENDACIONES 10

BIBLIOGRAFIA 10

APENDICE I: EJEMPLO DE CALCULO 11

APENDICE II: GRAFICOS 18

Práctica N° 06: Torres de Enfriamiento

3

1. RESUMEN

El presente informe corresponde a la práctica de “Torre de enfriamiento”, las

condiciones ambientales en las que se llevo a cabo la experiencia fueron 20ºC y 756 mmHg

de presión atmosférica. La torre de enfriamiento usada es del tipo denominado “Tiro

mecánico inducido”, el empaque que tiene está compuesto por listones de madera

dispuesto horizontalmente y paralela.

Se hicieron tres pruebas variando el flujo másico del agua, la primera a 1.122Kg/s, la

segunda a 0.762 Kg/s y la tercera a 0.402 Kg/s, midiéndose la temperatura de bulbo seco

(TBS) y temperatura de bulbo húmedo (TBH), con los cuales se calcularon la humedad

absoluta (H) y luego la entalpia (Hy) del flujo de aire.

Los flujos de aire que se obtuvieron fueron: 7.62, 3.49 y 2.00 kg/s.m2 para la

primera, segunda y tercera corrida respectivamente.

Finalmente, teniendo como dato el flujo de aire y la altura del empaque se calcularon

los coeficientes de transferencia globales obteniéndose 1.09 x 10-6 Kmol / m3 s Pa (caudal de

65 lpm)), 6.60 x 10-7 Kmol / m3 s Pa, (caudal de 45 lpm) y 4.49x 10 -7 Kmol / m3 s Pa (caudal

de 25 lpm) y para calcular los coeficientes de película se uso el método de Mickley. Los

cuales son de 1.29×10−6 Kmol / m3 s Pa para el primer caudal de 65 lpm, de 8.53×10−7

Kmol / m3 s Pa para el segundo caudal de 45 lpm y 5.87×10−7 Kmol/ m3 s Pa, para el tercer

caudal.


4

2. DETALLES EXPERIMENTALES

Materiales y equipos Termómetros Psicómetro Cronómetro Balanza Rotámetro Recipiente Flujo de agua caliente Aire

Equipos Torre de enfriamiento Caldera Intercambiador de calor de doble tubo

Procedimiento

Se suministra un flujo de agua caliente de 40 L/min a una temperatura de 38ºC aproximadamente proveniente del sistema caldera-intercambiador. El flujo entra por la parte superior de la torre de enfriamiento.Al mismo tiempo entra aire a la temperatura ambiental por la parte inferior de la torre, el aire es impulsado por un ventilador colocado en la parte superior de la torre.La temperatura de entrada y salida del agua caliente, la temperatura de bulbo húmedo y temperatura de bulbo seco del aire, y el flujo de agua se midieron cuando las temperaturas permanecieron constantes.Con estos datos se calculan el coeficiente global de transferencia Kga, coeficientes de película kga y hLa, flujos mínimos de aire y porcentaje de agua que se evapora.


5


6

3. TABLAS DE DATOS Y RESULTADOS

Tabla Nº1: Datos de laboratorioPresión (mmHg) Temperatura (°C)

756 20

Tabla Nº2: Dimensiones de la Torre de EnfriamientoMaterial Cemento , ladrillo

Sección interna (mm) 930 x 1000Altura de empaque (mm) 1350

EmpaqueMaterial Listones de madera

Dimensiones prom (mm) 930 x 9 x 4

DisposiciónParalelas intercaladas con la cara ancha perpendicular al flujo

(27 filas)Alimentación de flujo de

aguaSistema compuesto por tubos en paralelos perforados parte

superior

Tabla Nº3: Datos Experimentales

CorridaCaudal(LPM)

Entrada SalidaTL2

(°C)TBS1

(°C)TBH1

(°C)TL1

(°C)TBS2

(°C)TBH2

(°C)1 65 33 19 18 28 20 19

2 45 35 19 18 28 21 203 25 40 19.5 18 29 22 21


7

DATOS DE OPERACIÓN

Tabla Nº4: Datos evaluados para determinar la curva de operación

CORRIDA 1CORRIDA

2CORRIDA 3

L (kg H2O/s) 1.122 0.762 0.402T L 1 (ºC) 28 28 29T L 2 (ºC) 33 35 40

HY1 (kJ/ kg AS) 50.81 50.81 51.07HY2 (kJ/ kg AS) 54.12 57.69 61.01

H1 (kg H2O / kg AS) 0.0125 0.0125 0.0124

H2 (kg H2O / kg AS) 0.0134 0.0144 0.0153

RESULTADOS

Tabla Nº5: Flujos de aire seco calculadosCORRIDA 1 CORRIDA 2 CORRIDA 3

L (kg H2O/ s) 1.122 0.762 0.402L’(kg H2O/ m2 s) 1.206 0.819 0.432G’ (kg AS / m2 s) 7.62 3.49 2.00G min (kg AS /

s)0.39 0.31

0.18

Tabla Nº6: coeficientes calculadosCORRIDA 1 CORRIDA 2 CORRIDA 3

Coef.global Kga (Kmol / m3 s Pa) 1.09×10−6 6.60×10−7 4.49 x 10-7

Coef. De película kga (Kmol / m3 s Pa) 4.05×10−6 1.16×10−6 8.89×10−7

Coef. De película kga (Kg / m3 s) 11.83Kg

m3 s3.4

Kg

m3 s2.59

Kg

m3 s

Coef. De película hLa ( W / m3 ºC) 1478.8W

m3 ºC1530

W

m3 ºC1090

W

m3ºC

Tabla Nº8: Datos para la Calibración del Rotámetrocalibracion

real (Kg/s) rotámetro (lpm)1.35 751.11 650.91 550.77 450.58 350.39 25


8

0.31 200.16 10

Tabla Nº9: Datos para la Curva de Equilibrio

T (ºC)

Pv (mmHg) H (Kg H2O/KgAS) Hy (KJ / Kg)

1 4.926 0.004 11.2172 5.294 0.004 12.9993 5.685 0.005 14.8314 6.101 0.005 16.7175 6.543 0.005 18.6586 7.013 0.006 20.6627 7.513 0.006 22.7328 8.045 0.007 24.8739 8.609 0.007 27.086

10 9.209 0.008 29.378

11 9.844 0.008 31.749

12 10.518 0.009 34.20713 11.231 0.009 36.75414 11.987 0.010 39.39815 12.788 0.011 42.14416 13.634 0.011 44.99517 14.530 0.012 47.96018 15.477 0.013 51.04419 16.477 0.014 54.25120 17.535 0.015 57.59521 18.650 0.016 61.07422 19.827 0.017 64.70123 21.068 0.018 68.48224 22.377 0.019 72.42725 23.756 0.020 76.54426 25.209 0.021 80.84327 26.739 0.023 85.33328 28.349 0.024 90.02429 30.043 0.026 94.929

30 31.824 0.027 100.05631 33.695 0.029 105.41732 35.663 0.031 111.03233 37.729 0.033 116.90834 39.898 0.035 123.06135 42.175 0.037 129.50836 44.563 0.039 136.26237 47.067 0.041 143.34138 49.692 0.044 150.76639 52.442 0.046 158.55240 55.324 0.049 166.72741 58.345 0.052 175.31642 61.504 0.055 184.32943 64.800 0.058 193.77444 68.260 0.062 203.73245 71.882 0.065 214.21346 75.650 0.069 225.19247 79.600 0.073 236.778

48 83.710 0.077 248.934

49 88.020 0.082 261.78850 92.511 0.087 275.31351 97.200 0.092 289.58152 102.090 0.097 304.63053 107.200 0.103 320.54754 112.510 0.109 337.31155 118.040 0.115 355.01856 123.800 0.122 373.74357 129.820 0.129 393.62858 136.080 0.137 414.66959 142.600 0.145 436.99160 149.380 0.153 460.663


9

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Para el cálculo de los flujos de líquido en cada corrida se utiliza una curva de calibración. El rotámetro con el que cuenta el equipo no es un instrumento confiable, por esta razón se realiza una calibración previa tomando volúmenes de agua para un determinado tiempo, esto se realiza para cada lectura del rotámetro y luego graficando los flujos reales versus los flujos leídos en el rotámetro, obteniéndose así una recta de calibración (Gráfica N° 1). Para fines prácticos el eje de las abscisas muestra la lectura del rotámetro en (lpm) y el eje de las ordenadas el flujo de líquido en Kg/s.

En la Gráfica N° 2, 3 y 4 se observan dos curvas, una curva de equilibrio y una curva de operación. La curva de operación de obtiene de los datos de entrada y salida de agua y aire de la torre de enfriamiento. Esta gráfica también sirve para tomar lecturas de Hy*; para esto se ubica un punto en la curva de operación, se proyecta este punto hasta la que intercepte a la curva de equilibrio y a partir de la intersección medir en la horizontal el valor de H y* correspondiente al valor en la curva de operación. Con los datos de Hy* se construye la Gráfica N°8, que es útil para el cálculo del coeficiente global de transferencia de masa.

En esta práctica se realizan tres corridas de experimentos de enfriamiento, la primera a 1.122Kg/s, la segunda a 0.762 Kg/s y la tercera a 0.402 Kg/s, obteniendo flujo de aire húmedo de 7.62, 3.49 y 2.00 kg Aire Seco/s.m2 para la primera, segunda y tercera corrida respectivamente, se aprecia que al disminuir el flujo de agua se disminuye el flujo de aire. El cálculo del flujo de aire se hace analíticamente (Gráficas N°2 y Apéndice punto 8.3 ).

La Gráfica N°5 muestra el desarrollo del método de Mickley para el cálculo del coeficiente de película kga. A partir del punto (TL1. HY1) se traza una línea suponiendo una pendiente hacia la curva de equilibrio y se procede al desarrollo del método. Si al final del método, la temperatura de salida TG2 coincide con la experimental, se trabaja con la pendiente asumida, en caso contrario se debe asumir otra pendiente y volver a desarrollar el método.

La pendiente obtenida por prueba y error es de k ga

hLa=¿ 14.845x103.

Con la pendiente calculada, se procede a trazar paralelas a la primera línea para conocer los valores de HYi (en la curva de equilibrio y su correspondiente valor de Hy en la curva de operación. Este procedimiento se aprecia en la Gráfica N°5, N°6 y N°7. Se construye la Gráfica N°9 con estos valores, esta gráfica será útil para el cálculo de la integral en la fórmula del coeficiente de película.

Finalmente se calcula el flujo mínimo de aire que debe ingresar a la columna para realizar la operación. La forma del cálculo se representa en la Grafica N°2.


10

5. CONCLUSIONES

[1] Los coeficiente globales de transferencia de masa son 1.09 x 10-6 Kmol / m3 s Pa (caudal de 65 lpm)), 6.60 x 10-7 Kmol / m3 s Pa, (caudal de 45 lpm) y 4.49x 10-7 Kmol / m3 s Pa (caudal de 25 lpm), siendo estos valores no muy cercanos entre sí. El promedio es 7.33×10−7 Kmol / m3 s Pa.

[2] El coeficiente de película calculado es de 1.29×10−6 Kmol / m3 s Pa para el primer caudal de 65 lpm, de 8.53×10−7 Kmol / m3 s Pa para el segundo caudal de 45 lpm y 5.87×10−7 Kmol/ m3 s Pa, para el tercer caudal, para lo cual el valor promedio es 9.10×10−7 Kmol / m3 s Pa.

6. RECOMENDACIONES

El mantener constante la temperatura de entrada de líquido es de suma importancia para asegurar el estado estacionario y poder realizar a cabalidad la experiencia.

7. BIBLIOGRAFÍA

Geankoplis C.J., “Procesos de transporte y operaciones unitarias”, Continental SA de C.V. México, tercera edición, 1998, pág. 671- 679.

Foust A.; Wenzel L., “Principios de las Operaciones Unitarias”, Editorial CECSA, México, 1961, pág.: 426-457.

Perry, R. H., Manual del Ingeniero Químico, Quinta edición (segunda edición en español) Volumen I, Tomo II, Editorial Hispana Americana México 1974, pág. 1225-1238, 1260.


11

8. APÉNDICE

8.1 ELABORACION DE LA CURVA DE EQUILIBRIO AGUA – AIRE

Calculo de la Humedad

Para 20ºC le corresponde según la tabla de presión de vapor del agua una presión de vapor (PA) igual a 17.544 mmHg.

Datos:PA = Pv (20ºC) =17.544 mmHgPtotal (atmosférica) = 756 mmHgLuego:

H=( 18.0228.97 )×( PA

PT−PA)

H=( 18.0228.97 )×( 17.544

756❑−17.544 )=0.01478Kg H 2OKg AS

Para los demás datos se procedió de la misma forma

Calculo de la entalpia (HY)

Se usa la ecuación:

HY ( KJKg AS )=(1.005+1.88 H )× (T−0 ºC )+2501.4 H

HY ( KJKg AS )=(1.005+1.88×0.01478 )× (20−0 º C )+ (2501.4 ×0.01478 )

HY ( KJKg AS )=57.63

Para los demás datos se procedió de la misma forma y realizó la curva de equilibrio entalpia vs temperatura (bulbo seco).

8.2 ELABORACION DE LA CURVA DE OPERACIÓN

Corrida N°1:

Para el aguaSe tienen los datos de la Tabla N°3.


12

Entrada:Para un flujo volumétrico de agua: 65 L/min en el rotámetro; Se halla la densidad del

agua a la temperatura de entrada (TL2), y luego el flujo másico de entrada L2 (kg/s):

El flujo másico para 65 L/min se obtiene al reemplazar este valor en la ecuación de calibración del rotámetro. De la gráfica N°1.

L2( kgs )=65L

min×0.018−0.048=1.122

kgs

Para el aire Haciendo uso de la carta psicométrica hallamos la humedad (kg H2O/kg AS) a la

temperatura de bulbo húmedo y a la temperatura de bulbo seco correspondiente, obteniendo:

H 1=0.0125kg H 2Okg AS

Para la salida del aire se obtuvo:

H 2=0.0134kg H 2Okg AS

Con estos valores se determinaron las entalpias del aire

HY 1( KJKg AS )= (1.005+1.88×0.0125 ) × (19−0 ºC )+(2501.4×0.0125 )

HY 1( KJKg AS )=50.81

KJKg AS

Para la salida se obtiene

HY 2( KJKg AS )=54.12

KJKg AS

Finalmente se grafican los puntos (TL1, HY1) y (TL2, HY2), se ajusta con una línea recta y se obtiene:

Y = 0.662 X + 32.274

8.3 CALCULO DEL FLUJO DE AIRE G (Kg/m2s)De la relación

L' c L

G '=pendiente=

H Y 2−HY 1

T L2−T L1


13

Tenemos:

CL = 4.187 KJ/Kg-K

Velocidad másica del agua por unidad de área L’ (Kg/m2 s)

L' ( kg

m2 s )= Lseccionde latorre

=1.122

Kgs

0.930m2 =1.206kg

m2 s

Pendiente de línea de operación = 0.662 KJ/Kg-K

G '( kgs .m2 )= L' ×CL

pendiente

G '( kg

m2 . s )=1.2130

kgs

×4.187KJ

Kg .K

0.6627KJ

Kg. K

=7.62kg

m2 . s

8.4 DETERMINACION DEL COEFICIENTE GLOBAL Kga

De la relación:

z= G'

MB Kga P∫Hy1

Hy 2dHy

H y¿−H y

Despejando Kga:

K ga=G'

MB z P∫Hy1

Hy 2dHy

H y¿−H y

Tenemos:Z (Altura del lecho) = 1.35 m (Planos)MB (PM de aire) = 28.97 Kg/KmolP = 756 mmHg = 100807 PaG’ = 7.62 Kg / m2-s

G'

MB z P=

7.62Kg

m2 s

28.97Kg

Kmol×1.35m×100807 Pa

=1.933 x10−6 Kmolm3 s Pa


14

Para la integral, primero se hallan los HY y sus correspondientes H*Y para elaborar la gráfica 1/(H*Y – HY) vs HY y obtenemos (Gráfica Nº2)

TL Hy(J/kg) H*Y 1/(H*Y - HY)

28 50810 89770 2.57E-05

29 51472 94530 2.32E-05

30 52134 99510 2.11E-05

31 52796 104710 1.93E-05

32 53458 110160 1.76E-05

33 54120 115860 1.62E-05

De la grafica se obtiene una curva con ecuación: y=−2.844×10−9 x+1.697×10−4

Que no es otra cosa que: 1

H y¿−H y

=−2.844×10−9 H y+1.697×10−4

Luego la integral queda:

I=∫H y1

H y2

dHyH y

¿−H y

I= ∫54120

50810

(−2.844×10−9 H y+1.697×10−4)dHy

I=0.562

Reemplazando:

K ga=G'

MB z P∫Hy1

Hy 2dHy

H y¿−H y

K ga=1.933×10−6 Kmol

m3 s Pa×0.562=1.09×10−6 kmol

m3 s Pa

Del mismo modo se realizan los cálculos para determinar los Coeficientes de Transferencia de Masa Globales para los caudales de 45 y 25 LPM.

8.5 CALCULO DEL COEFICIENTE DE PELICULA


15

Para determinar el coeficiente de película se usa el método de Mickley. Se tiene la temperatura de entrada y salida, del aire y del agua fría respectivamente, la altura de la torre, tenemos las siguientes relaciones:

−hLa

k ga=

HYi−HY

T Li−T L

k ga=G'

MB z P∫Hy 1

Hy 2dHy

H yi−H y

El procedimiento consiste en graficar (Gráfica Nº **) el punto correspondiente a la

temperatura del aire húmedo TBS1= 19ºC y Hy1= 50.81 kJ/kg, se asume un valor de hLa

k ga (que

es la pendiente) y se procede a ubicar la temperatura de salida del aire TBS2, esta debe coincidir con la TBS2 que obtenemos en la práctica; si no concuerda, se asume otro valor de hLa

k ga , hasta que coincida. Luego de hallar la pendiente se procede a desarrollar la integral

∫Hy1

Hy2dHy

H yi−H y

, de aquí se obtiene k ga y posteriormente hLa

Luego de varias pruebas y error se obtuvo un valor de hLa

k ga=14.845×103 J

Kg . ºC

obteniéndose una temperatura de salida de aire TBS2 = 19.8 (cercana a 20ºC)

Con la pendiente ( hLa

k ga ) hallada, se extraen datos del gráfico para resolver la integral:

Hy(J/kg)

Hyi 1 / (HYi - HY)

50810 80820 3.33E-0551470 84090 3.06E-0552130 87460 2.83E-0552800 91180 2.60E-0553460 95020 2.40E-0554120 99000 2.22E-05

Graficando obtenemos la siguiente relación: (Gráfica Nº 5)

Y=−13.33×10−9 X❑+2.022×10−4

Esta gráfica no es otra cosa que:


16

1HYi−H Y

=−13.33×10−9 HY+2.022×10−4

Al integrar esta ecuación dentro del os limites HY 1y HY 2

I=∫H y1

H y2

dHyH yi−H y

I= ∫50810

54120

(−13.33×10−9 HY +2.022×10−4)dHy

I=0.669

Calculo de kga:

k ga=G'

MB z P∫Hy 1

Hy 2dHy

H yi−H y

G'

MB z P=

7.62Kg

m2 . s

28.97Kg

Kmol×1.35m×100807 Pa

=1.93×10−6 Kmol ASm3 s Pa

k ga=1.94 ×10−6 Kmol AS

m3 s Pa×0.669 = 1.29×10−6 Kmol

m3 . s . Pa

k ga=1.29×10−6 Kmol

m3 . s . Pa×28.97

KgKmol

×100807Pa

k ga=3.78Kg

m3 s

Calculo de hLa:

hLa

k ga=14.845×103 J

Kg ºC

hLa=14.845×103 JKg ºC

×k ga

hLa=14.845×103 JKg ºC

×3.78Kg AS

m3 s


17

hLa=56057W

m3 ºC

Calculo del flujo mínimo (Gráfica Nº1)

De la grafica obtenemos:HY 2max=116.5T L2=33 ºC

HY 1=50.81T L2=28 ºC

CL = 4.187 KJ/Kg-KL = 1.1281 Kg/ s

Evaluando:

LcL

Gmin

=HY 2max−HY 1

T L2−T L1

LcLGmin

=116.5−50.8133−28

=13.14kJ

kg ºC

Gmin=LcL

13.14kJ

kg ºC

=1.122

kgs

×4.187KJ

Kg .° C

13.14kJ

kg ºC

=0.36kgs

De igual forma para los caudales de 45 y 25 LPM.

Porcentajes de error:

Parámetro Caudal 65 lpm Caudal 45 lpm Caudal 25 lpm

K ga 1.09×10−6 kmol

m3 s Pa6.60×10−7 kmol

m3 s Pa4.49×10−7 kmol

m3 s Pa

k ga 3.78Kg

m3 s2.49

Kg

m3 s1.72

Kg

m3 s

hLa 56057W

m3 ºC23742

W

m3 ºC18495

W

m3 ºC

Gmin 0.36kgs

0.29kgs

0.16kgs


18

GRÁFICAS

0 10 20 30 40 50 60 70 800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

f(x) = 0.0180824742268041 x − 0.0484020618556702R² = 0.996334862632914

Flujo del Rotámetro (LPM)

Fujo

Rea

l (Kg

/s)

Gráfica N°1Curva de Calibración del Rotámetro


19

50500 51000 51500 52000 52500 53000 53500 54000 545000.00E+00

5.00E-06

1.00E-05

1.50E-05

2.00E-05

2.50E-05

3.00E-05

f(x) = − 2.84401840737327E-09 x + 0.000169727169483065R² = 0.9906496930935

Series2Linear (Series2)

Hy

1/(H

*y-H

y)

Gráfica N°8

Curva versus – Determinación de la ecuación para el cálculo de la integral utilizando coeficientes globales de transferencia de masa para Caudal 65 lpm.


20

50500 51000 51500 52000 52500 53000 53500 54000 545000.00E+00

5.00E-06

1.00E-05

1.50E-05

2.00E-05

2.50E-05

3.00E-05

3.50E-05

f(x) = − 3.34628476222088E-09 x + 0.000202962830049918R² = 0.995444210450987

Series2Linear (Series2)

Hy (J/Kg)

1/(H

yi-H

y)

Gráfica N°9

Curva versus – Determinación de la ecuación para el cálculo de la integral utilizando coeficientes de película para Caudal de 65 lpm.


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