UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA AREAS DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE INGENIERIA QUÍMICA OPERACIONES UNITARIAS III PROF.: Ing. CARMEN BROCK EJERCICIOS DE HUMIDIFICACIÒN 1. Una torre de enfriamiento de agua opera a contracorriente y con tiro forzado para enfriar agua de 43.3 a 26.7 ºC . El aire entra por la parte inferior de la torre a 23.9 ºC con temperatura de bulbo húmedo de 21.1 ºC. El valor de HG para la las condiciones de flujo es igual a 0.533 m. La resistencia a la transferencia de calor de la fase liquida se puede despreciar; este es hL es muy grande; deben usarse valores de H*y. Calcule la altura necesaria de la torre suponiendo que se usara 1.5 veces el flujo mínimo de aire necesario. 2. Considerando la torre de enfriamiento del ejemplo anterior ¿ A qué temperatura se enfriará el agua si el aire entra a 29.4 ºC pero con temperatura de bulbo húmedo de 26.7 ºC? Se usan los mismos gastos de gas y líquido. El agua entra a 43.3 ºC, como antes ( n este caso, la incógnita es tl1. La altura de la torre es la misma que en el ejemplo anterior. La pendiente de la línea de operación es igual que antes. Proceda con una integración gráfica para ver si se obtiene la misma altura Z). 3. Se planea enfriar agua de 110 ºF a 85 ºF en una torre de enfriamiento empacada que opera a contracorriente, mediante aire de entrada a 85 ºF con temperatura de bulbo húmedo de 75 ºF. El flujo de agua es de 2000 Lbm/hr, pie2 y el flujo de aire 1400 lbm de aire / hr. pie2. El coeficiente total de transferencia de masa es KGa = 6.90 lbmol / hr. Pie3. atm. a) Calcule el flujo mínimo de aire que se puede usar b) Calcule la Altura necesaria de la torre cuando el flujo de aire que se usa es de 1400 lbm de aire /hr. Pie2. c) Para el caso cuando la relación de coeficiente (hLa / kYa) se espera sea 200 determine las condiciones de salida del aire. emita sus conclusiones con respecto a la operabilidad de la torre. 4. Una torre de enfriamiento de agua opera a contracorriente y con tiro forzado para enfriar agua de 43.3 a 26.7 ºC . El aire entra por la parte inferior de la torre a 23.9 ºC con temperatura de bulbo húmedo de 21.1 ºC. El valor de HG para la las condiciones de flujo es igual a 0.533 m. La resistencia a la transferencia de calor de la fase liquida se puede despreciar; este es hL es muy grande; deben usarse valores de H*y. Calcule la altura necesaria de la torre suponiendo que se usara 1.75 veces el flujo mínimo de aire necesario 5. Se desea enfriar agua desde TL2=110 ºF ( 43.3 ºC) hasta 85 ºF ( 29.4ºC) en una torre de enfriamiento de agua empacada trabajando a contracorriente, con un flujo de gas de G = 1.356 Kg de aire seco / seg. m2 y una velocidad de flujo de agua de L = 1.356 Kg de agua / seg. m2 .El aire de entrada tiene 29.4 º C y una temperatura de bulbo húmedo de 23.9 º C. El coeficiente de transferencia de masa KGa tiene un valor estimado de 1.207x 10-7 Kg.mol / s. m3 Pa, y hLa / KGa.M B P es 4.187x104 J / Kg.K (10.0 btu / lbm ºF ). Calcule la altura Z de la torre empacada. La torre opera a una presión de 1.013x105 6. Una torre empacada se va utilizar para Deshumidificar aire como parte de un sistema de aire acondicionado. El aire entra a la torre a 100 ºF y a 90% de humedad, y se pone en contacto con agua que entra a 60 ºF y sale a 90 ºF. El flujo es a contracorriente con una taza líquida de 1000 lbm/ hr. pie2 , y la taza de consumo de gas es 27000 pie3standart /hr.pie2, de la sección transversal de la columna. La relación de los coeficiente hLa/Kya = 200 . Determinar las condiciones de salida del aire. 7. Una torre de Deshumidificación empacada con rejilla de madera opera con agua que entra a 82 ºF y sale a 100 ºF. El aire entra a 125 ºF temperatura de bulbo seco, y 111 ºF temperatura de bulbo húmedo, saliendo con 96ºF temperatura de seco, y 95 ºF temperatura de bulbo húmedo. La taza de flujo de líquido es de 900 lbm / hr ft2, y la torre tiene 8 pie de altura d) Determine los valores de hLa, hCa, Kya que se obtenga de esta columna. e) Si la temperatura de aire = 140 ºF, temperatura bulbo húmedo = 110 ºF, de entrada, cual serian las nueva condiciones de salida del aire, La temperatura de agua y del aire, así como el flujo de agua no cambiarían. 8. Una planta requiere 2000 lbm / min de agua de enfriamiento para que flujo fluya a través de los condensadores de sus equipos de destilación. El agua sale de los condensadores a 110 ºF. S e planea enfriarla para rehusarla, por contacto con aire en una torre de tiro inducido. El agua de reposición proviene de un pozo a 50 ºF. Las condiciones de diseño escogida son: aire que entra a 85 ºF de Tbs., 75 ºF Tbh., y el agua se enfría hasta 10 ºF de diferencia con la temperatura de bulbo húmedo. Se utilizara aire – agua de 1.5 veces la mínima, para el empaque Kya = 200 lbm / hr pie2, y siempre que la taza del líquido sea como mínimo 20000 lbm / hr. Pie2, y la taza mínima de gas 1500 lbm / hr. Pie2. Calcule el área requerida y la altura del empaque 9. Un deshumidificador que consiste en una torre empacada de anillos rasching 1 pulgada se pone en contacto con aire a 120 ºF y 80 % de saturación, en contra corriente con agua que entra a 70 ºF, El aire debe salir a una tbh de 80 ºF, La torre tiene 6 pie de diámetro y maneja 1000 . pie3standart /min. y se opera a 1.5 veces el flujo mínimo de agua. Para una torre similar se encuentra hla/kya = 60 para una altura de empaque 1.5 pie. Determine : a) Temperatura de salida del agua b) Taza de flujo del agua c) Temperatura y humedad de salida del aire d) Si se presentara con sensación nebulosa en la torre ¿Qué condiciones deberían cambiarse para eliminar la 10. Se desea diseñar una torre de enfriamiento con el objeto de enfriar agua desde 110 º F hasta 80 ºF por contacto con aire que entra a 120 ºF de tbs. y 70 ºF Tbh,. La Cantidad sé aire utilizado es 1.5 veces la cantidad mínima. Suponga que el coeficiente kya = 0.197 GL0.4 * GV0.5, donde Gl viene dado en lbm / hr pie2. , Gv viene en lbm / hr pie2, la taza del líquido es 1000 lbm / hr pie2 y se utilizara 60000 pie3 standart / hr a la entrada. Calcule la altura de la torre (Z) , Diámetro (D), La humedad del aire a la salida. 11. En un día particularmente caliente, una torre de enfriamiento de tiro forzado enfría agua desde 113ª F y 90 ºF por medio de un contacto a contracorriente, con aire a 120 º F f Y 70 º F de temperatura de bulbo húmedo. El aire sale a 101 º F con una temperatura de bulbo húmedo de 90 º F. el gasto de agua es 1000 lb / hr pie2 de sección transversal de la torre. Bajo condiciones normales de operación, el aire entra a 100 ºF con un 50 % de humedad relativa, ¿A que temperatura podrían enfriarse 1000 lb / h pie2 de agua a 113 ºF. 12. Se solicita de un ingeniero que diseñe un deshumidificador empacado con coque, que manejará 2000 pie3 de aire con 70 % de saturación por minuto. La corriente de aire entrará a la torre a una temperatura de 130 º F y deberá ser enfriada hasta que la humedad de salida del aire sea 0,046 Lb de agua por Lb de aire seco. La operación se efectuará a presión atmosférica. Se dispone de agua de enfriamiento a 73 º F y puede elevarse hasta 90 º F. se ha acordado usar una velocidad de gas de 1200 Lb de aire seco por hora por pie2 de sección transversal de torre y una alimentación de agua de 249 Lb/min. Bajo condiciones de flujo hca = 3000 y hLa= 1500 (a) Determinar la altura y diámetro de la torre requerida para efectuar esta deshumidificación. (b) Después de que la torre de la parte (a) ha sido construida, se descubre que el ingeniero usó una humedad de entrada del aire incorrecta. En vez de especificar 70 % de saturación, leyó en la carta de humedad 60 % de saturación (1) Como afectará la torre este error al diseño de la torre, (2) Podrán operarse la torre construida para obtener la deshumidificación especificada, ¿Cómo? 13. Una torre de enfriamiento empacada con cuñas de madera, enfría 1000 gal / min de agua desde 105 º F hasta 90 º F, usando un tiro forzado a contracorriente de aire que entra a 110 º F y 20 % de saturación. Las medidas indican que el aire sale a 96 º F con una temperatura de bulbo húmedo de 94 ºF. El gerente de la planta desea enfriar el agua hasta una temperatura tan baja como sea posible. Una de las soluciones posibles sería aumentar la proporción de flujo de aire y con respecto a esta posibilidad se encuentran que la velocidad del ventilador puede ser aumentada sin sobrecargar los motores, en tal forma que el aire fluya a 1.5 veces el valor previamente usado. A este flujo mayor de gas se presentará inundación de la torre. ¿Cuál sería la temperatura de salida del agua obtenida con este mayor flujo de aire y cuáles serían las condiciones de salida del aire utilizando el método de Mickley? 14 Un centro de investigación de proyectiles guiados, localizado en el desierto, opera una torre de enfriamiento a contracorriente que permite rehusar el agua de enfriamiento y de proceso. Un ingeniero en este centro, toma los siguientes datos de la torre de enfriamiento con objeto de aprender más acerca del potencial de operación: Condiciones del aire: Temperatura= 120 º F, temperatura de bulbo húmedo= 70 º F Condiciones del aire en la descarga de la torre de enfriamiento: Temperatura= 101 º F, Temperatura de bulbo húmedo: 96 ºF Condiciones del agua: Temperatura de entrada= 113 ºF, Temperatura de salida= 90ºF, gasto= 1000Lb/h pie2 , Altura de la torre= 20 pies. Determine cuales son los valores de hLa , kYa y hca para esta torre. 15 Se desea deshumidificar 1.2 m3/s (2 540 ft3/min) de aire, que se tiene a las temperaturas de 38.0 º C bulbo seco y 30.0 º C bulbo húmedo, hasta una temperatura de bulbo húmedo de 15.0 º C, en una torre a contracorriente; para la deshumidificación se utilizará agua enfriada a 10.0 º C. El empaque va a ser de anillos de Raschig de 50 mm (2 in). Para mantener el arrastre al mínimo, G; va a ser 1.25 kg aire/m2 s (922 Ib,/h ft2), y se va a utilizar un flujo del liquido de 1.5 veces el mínimo. a) Especifique la sección transversal y la altura de la sección empacada de la torre. b) Cuál será la temperatura del agua saliente c) Temperatura y humedad de salida del aire utilizando Mickley 16 Ha de enfriarse y deshumidificarse aire por contacto en contracorriente con agua en una torre de relleno. La torre ha de diseñarse para las siguientes condiciones: Temperatura seca del aire a la entrada, 28 º C Temperatura húmeda del aire a la entrada, 25 º C Flujo de aire a la entrada, 700 kg/h de aire seco Temperatura del agua a la entrada, 10 º C Temperatura del agua a la salida, 18 º C (a) Para el aire a la entrada, calcúlese (i) la humedad, (ii) el porcentaje de humedad relativa, (iii) el punto de rocío, (iv) la entalpía, basada en aire y agua líquida a 0 “C. (b) ¿Cuál es el flujo máximo de agua que puede utilizarse para cumplir los requisitos de diseño, considerando una torre muy alta? (c) Calcúlese el número de unidades de transferencia que se requieren para una torre que cumple las especificaciones de diseño cuando se utilizan 500 kg/h de agua y la resistencia a la transmisión de calor en la fase liquida es Despreciable. 17. Una torre de enfriamiento de circulación en contracorriente y tiro inducido, se emplea para enfriar 3.8 m3 / hr de agua desde 43 º C a 28,3 º C. la temperatura del termómetro bulbo húmedo en la localidad donde está instalada la torre es de 22,8 º C. se ha decidido utilizar la misma velocidad de aire (Kg de aire seco/ min) que de líquido y una velocidad superficial másica (G`´G) de 4.888 Kg / hr m2 . el coeficiente de transferencia de masa estimado, kGa es de 44,19 kilo-mol/hrm3atm. Determinar la altura de lo relleno que es necesaria cuando a) Si la relación hLa / kGa es ∞. b) Si la misma relación vale 5 c) determine las condiciones del aire de salida de la torre para ambos casos utilzando Mickley. 18 Se ha de utilizar una torre de enfriamiento de tiro forzado para enfriar 68.000 kg/hr de agua de 43 ºC utilizando 56.600 kg de aire seco / hr. Se utilizará una temperatura de proyecto para el termómetro bulbo húmedo de 24 º C. suponiendo que la relación hLa / kGa es infinita. a) determinar el número de unidades de transferencia que son necesarias b) determinar la altura de la torre en estudio. c) La humedad y temperatura de la corriente de aire a la salida de la torre utilizando el método de Mickley. 19 Una torre de enfriamiento en contracorriente con tiro inducido se utiliza para enfriar agua desde 49 º C hasta 29,4 º C. Se utiliza una velocidad de agua de 0,910 m3/hr m2 de sección transversal de la torre. A) Si en el proyecto, la temperatura del termómetro húmedo del aire que entra es de 21.1 º C , determinar la mínima velocidad de aire que se debe utilizar. Empleando el diagrama de entalpía temperatura, discutir cualitativamente la variación en la altura de la torre que es necesaria al aumentar la velocidad del aire. B) Si se utiliza una relación de agua a aire de 0,8 kg/kg, discutir cualitativamente el efecto de la temperatura del termómetro de bulbo húmedo del aire que entra sobre la altura de la torre que es necesaria. C) De acuerdo al ítem b) determine la temperatura de salida de la corriente de aire. 20 Una torre de enfriamiento de circulación en contracorriente y tiro inducido, se emplea para enfriar 10,0 m3 / hr de agua desde 35 º C a 20 º C. la temperatura del termómetro bulbo húmedo en la localidad donde está instalada la torre es de 13 º C y temperatura de 22 º C. se ha decidido utilizar la velocidad de aire 9.000 m3 / hr. Determinar la altura de lo relleno que es necesaria cuando a) Si la relación hLa / kGa es ∞. b) Si la misma relación vale 10 c) determine las condiciones del aire de salida de la torre para ambos casos utilizando Mickley. 21 Una masa de agua se enfría 10 º C en una torre de enfriamiento por contacto con aire que entra por la base con una temperatura de bulbo húmedo de 15 º C. La relación entre los pesos de agua y de aire que circulan por la torre es 1,20. Calcúlense los distintos valores del número de elementos de transmisión según el intervalo de temperatura elegido entre 20 º C y 50 º C, suponiendo que la resistencia a la transmisión del calor y materias se encuentran exclusivamente en la fase gaseosa., y determine las condiciones del aire de salida de la torre utilizando Mickley. 22 En una torre de experimentación de relleno para enfriamiento de agua, esta se enfría desde 50 º C hasta 20 º C en contracorriente con aire que entra por la base a 18 º C con humedad relativa del 30 %. Los caudales son 2.500 m3/m2 h para el aire , y 1.000 Kg/m3 h para el agua, medidos en las condiciones de entrada a la torre y referidos a la columna vacía. Suponiendo que la resistencia a la transmisión del calor y materia se encuentran íntegramente en la fase gaseosa, y sabiendo que el valor del coeficiente ky a es igual a 1200 Kg/m3h, calcúlese: a) Dimensiones de la torre, b) temperatura de salida del aire utilizando Mickley 23 En una torre de enfriamiento de agua se trata 100 m3/h de agua que entra a 42 º C y se enfría hasta 25 º C. Por la parte inferior de la torre entra el aire a 20 º C, con una humedad relativa 50 % y sale por la parte superior a 36 º C con humedad relativa del 90 %. Siendo el valor del coeficiente hLa = 200 Kcal/m3 h º C, calcúlese: (a) Caudal de entrada del aire, m3/h, (b) Cantidad de agua evaporada, Kg / h, (c) volumen de la torre, (d) Valor del coeficiente kYa, (e) Altura de la unidad en estudio ,d) determine las condiciones del aire de salida de la torre utilizando Mickley 24. Una torre de deshumidificación opera con 2074 kg / h de aire húmedo que entra por su base con una temperatura de 50 ºC y una humedad de 0.037 kg vapor de agua/kg aire seco, y con 2000 kg/h de agua que penetra por su parte superior a 15ºC. Para el relleno de la torre puede tomarse el coeficiente total K’a = 3200 kg agua/(h m3(X). Se supone que la resistencia de la película líquida a la transmisión de calor es despreciable. La torre tiene una sección transversal de 0.4166 m2 y una altura de 3 m. Dado que la cantidad de agua que condensa por hora es muy pequeña frente al caudal de la misma que circula constantemente por la torre, el error que se comete al admitir que el caudal medio de líquido a lo alto del aparato coincide con el de entrada por la cabeza de la columna es del orden del 10 %. a) ¿Cuál es la temperatura del agua que abandona la base de la torre? .b) ¿Cuál es la entalpía del aire deshumidificador que sale por la parte superior de la torre?. c) Cual es la temperatura de la corriente de aire por el tope utilizando Mickley 25. En una columna de tiro forzado se humidifican 9400 kg/h·m2 de aire a 21ºC desde una humedad relativa del 30% a una del 80%. Por la parte superior de la torre entran 8210 kg/h m2 de agua a 45.1ºC. Para los caudales másicos utilizados el coeficiente de transferencia de materia es K’a =4900 kg/(hm3(x). La resistencia a la transmisión de calor en la fase líquida puede considerarse nula. Calcular por el método entálpico la altura de la columna, el coeficiente volumétrico de transmisión de calor y la cantidad de agua que abandona la columna por hora y m2., determine las condiciones del aire de salida de la torre utilizando Mickley 26 Pigford y Pyle estudiaron la humidificación de aire, utilizando una columna de pulverización vertical, de 1.3 m, de altura. Para circulación en contracorriente dedujeron la siguiente correlación entre NUT (número de unidades de transmisión) y las velocidades másicas de aire seco (M’/S) y agua (Lm/S). NUT = (0,027) (Lm/S) / (M’/s)0.58 en la que M’/S y Lm/S h m2.vienen expresadas en kg/ h m2 a) Suponiendo que las velocidades de transmisión de calor y transferencia de materia son uniformes a lo alto de la torre, obtener, para la columna utilizada por Pigford y Pyle, una ecuación que relacione el coeficiente volumétrico de transporte de materia a través de la fase gaseosa (K’a) con las velocidades másicas de ambas fases. b) Calcular la altura que deberá tener una columna de pulverización, análoga a la empleada por Pigford y Pyle, si se desea utilizarla para enfriar agua desde 60ºC a 38ºC, haciendo circular en contracorriente con aire, que se introducirá a la torre a una temperatura de 60ºC (con una temperatura húmeda de 27ºC). La velocidad másica del aire a la entrada será de 1000 kg/h m2 y la de agua el doble de la anterior. Datos y Notas.- Admítase que toda la resistencia a la transmisión de calor reside en la fase gaseosa, y que la ecuación obtenida En el apartado (a) para calcular el coeficiente volumétrico (K’a), es aplicable para dimensionar la columna que se indica en el apartado (b).