Torre de enfriamiento

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI 136 / B

TORRES DE ENFRIAMIENTO

GRUPO “C”

LORENZO SANCHEZ, MANUEL FLORES SALINAS, CHRISTOPHER ALARCON SALCEDO, BRIAN SAENZ RIVERA, PATRICIA AREAVALO, ARTURO

INGENIERO

ING. ALEX PILCO

14 de NOVIEMBRE Del 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

2014-II

Índice Pág. Objetivos

2

Fundamento Teórico

2

Clasificación de las Torres de Enfriamiento

2

Torres de Circulación Natural

3

Torres de Tiro Mecánico

4

Cálculos

5

Observaciones

16

Conclusiones

17

Recomendaciones

18

Referencias

19

Anexo

20

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OBJETIVOS: Estudio del comportamiento de una torre de enfriamiento de agua-aire.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO

En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene a un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado “relleno”. El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire. El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire. Esta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación. En la transmisión de calor por convección, se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos. La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90%, debido al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno, esto es debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire húmedo que circula por la torre, produciéndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire. La diferencia de temperaturas del agua a la salida y la temperatura LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

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húmeda del aire se llama “acercamiento” o “aproximación”, ya que representa el límite termodinámico de enfriamiento al que puede llegar el agua Clasificación de las Torres de Enfriamiento La forma más simple y usual de clasificar las torres de enfriamiento es según la forma en que se mueve el aire a través de éstas. Según este criterio, existen torres de circulación natural y torres de tiro mecánico. En las torres de circulación natural, el movimiento del aire sólo depende de las condiciones climáticas y ambientales. Las torres de tiro mecánico utilizan ventiladores para mover el aire a través del relleno.

Torres de Circulación Natural Se clasifican, a su vez, en torres atmosféricas y en torres de tiro natural. Las torres atmosféricas utilizan las corrientes de aire de la atmósfera. El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente (flujo cruzado). Son torres de gran altura y pequeña sección transversal. Deben instalarse en lugares muy despejados, de forma que ningún obstáculo pueda impedir la libre circulación de aire a través de la torre. Tienen un costo inicial alto debido a su gran tamaño, pero el costo de mantenimiento es reducido, al no existir partes mecánicas móviles. Una torre de este tipo puede ser una solución muy económica para determinadas necesidades de refrigeración si se puede garantizar que funcionará habitualmente expuesta a vientos de velocidades iguales o superiores a los 8 Km/h. Si la velocidad promedio del viento es baja, los costos fijos y de bombeo aumentan mucho en relación a una torre de tiro mecánico y no compensan el ahorro del costo de ventilación. Actualmente, las torres atmosféricas están en desuso. Una torre de tiro natural es aquella en la que el aire es inducido por una gran chimenea situada sobre el relleno (Fig. 1). 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 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

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torres de tiro natural han de ser altas y, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. SALIDA DE AIRE

Figura 1: Esquema de una torre de tiro natural. 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 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; muy pocas veces son aplicables a plantas industriales debido a la fuerte inversión inicial necesaria. Torres de Tiro Mecánico

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Las 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 ó 2 ºC, aunque en la práctica acostumbra a ser de 3 o 4 ºC). 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 (Fig. 2).

Figura 2: Esquema de una torre de tiro forzado. 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

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posibilidad de que exista recirculación del aire de salida hacia la zona de baja presión, creada por el ventilador en la entrada de aire. Las torres de tiro inducido pueden ser de flujo a contracorriente o de flujo cruzado. El flujo a contracorriente significa que el aire se mueve verticalmente a través del relleno, de manera que los flujos de agua y de aire tienen la misma dirección pero sentido opuesto (Fig. 3). La ventaja que tiene este tipo de torres es que el agua más fría se pone en contacto con el aire más seco, lográndose un máximo rendimiento. En éstas torres, el aire puede entrar a través de una o más paredes de la torre, con lo cual se consigue reducir en gran medida la altura de la entrada de aire. Además, la elevada velocidad con la que entra el aire hace que exista el riesgo de arrastre de suciedad y cuerpos extraños dentro de la torre. La resistencia del aire que asciende contra el agua que cae se traduce en una gran pérdida de presión estática y en un aumento de la potencia de ventilación en comparación con las torres de flujo cruzado.

Figura 3: Torre de flujo a contracorriente y tiro inducido.

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En las torres de flujo cruzado, el aire circula en dirección perpendicular respecto al agua que desciende (Fig. 4). Estas torres tienen una altura menor que las torres de flujo a contracorriente, ya que la altura total de la torre es prácticamente igual a la del relleno. El mantenimiento de estas torres es menos complicado que en el caso de las torres a contracorriente, debido a la facilidad con la que se pueden inspeccionar los distintos componentes internos de la torre. La principal desventaja de estas torres es que no son recomendables para aquellos casos en los que se requiera un gran salto térmico y un valor de acercamiento pequeño, puesto que ello significará más superficie transversal y más potencia de ventilación, que en el caso de una torre de flujo a contracorriente.

Figura 4: Torre de flujo cruzado (tiro inducido)

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CÁLCULOS Y RESULTADOS:

a- Datos: # de Corridas

1

2

T1(°C)

22

24

T2(°C)

30

34

T3(°C)

34

38

T4(°C)

36

38

T5(°C)

34

38

Humedad Relativa (%)

89

89

Flujo de Agua entrada (GPM)

21

21

Flujo de Agua entrada (L/min) Densidad del Agua de entrada (kg/m3) Flujo de Agua(Kg/min)

79.49

79.49

0.99373

0.99300

78.99

78.94

Cp-agua(kJ.kg-1C-1)

4.1813

4.1813

Leyenda de Temperaturas: CANAL 1: (T1) temperatura de ENTRADA DE AIRE CANAL 2:(T2) temperatura de SALIDA DE AGUA CANAL 3:(T3) temperatura de SALIDA DE AIRE CANAL 4:(T4) temperatura de ENTRADA DE AGUA CANAL 5: (T5) temperatura de SALIDA DE AIRE EXTRACTOR 1 L1

G1

DIAGRAMA DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO:

2

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L2

G2

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Datos de la carta psicométrica para la entrada y salida del aire: # de Corridas

1

2

22 89 0.01479 59.58

24 89 0.01675 66.61

PUNTO (G1) T (°C) = 34 Humedad Relativa (%) 100 Y1 (Kg agua/kg as) 0.03449 H1 ( KJ/Kg as) 122.38

38 100 0.04356 149.93

PUNTO (G2) T (°C) Humedad Relativa (%) Y2 (Kg agua/kg as) H2 ( KJ/Kg as)

Balance de masa global:

Balance de masa del agua:

Balance de energía:

Donde:

De la ecuación (1) y (2), resolvemos un sistema de dos variables, L2 y Gs. Se asume la Tr=0.

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Obtenemos: # de Corridas

1

2

L1(Kg/min)

78.99

78.94

L2(Kg/min)

78.34

78.49

Gs(Kg-aire/min)

32.84

16.60

G1(Kg/min)

1.13

0.72

G2(Kg/min)

0.48

0.27

CURVA DE EQUILIBRIO (CARTA PSICOMETRICA): T°C

H* (KJ/Kg)

16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

44.76 50.77 57.28 64.35 72.04 80.41 89.54 99.51 110.42 122.38 135.51 149.93 165.79 183.27

200 180 160 140

H*(KJ/Kg)

120 100 80 60 40 20 15

20

25

30

35

40

45

T °C

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Del Balance de energía tomando un punto, obtenemos la curva de operación:

(

)

(

)

)

(

)

Asumimos, L = (L1+L2)/2: (

Determinación del número de unidades de difusión: Para el número de unidades de difusión se tiene la siguiente expresión:

donde: K : constante de transferencia de masa L : flujo de líquido, kg/s volumen de la cámara de enfriamiento, V : m3 Cpw : calor específico del agua entalpía en la película del aire, entalpía de hf : saturación ha : entalpía del aire en su seno, ambiente

Para la experiencia 1: T

Hf 30 32 34 36

Ha 99.51 110.42 122.38 135.51

1/(Hf - Ha) 37.8999126 68.8498453 100.849778 134.019711

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0.01623111 0.02405572 0.04644634 0.67101066

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T

vs

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1/(Hf - Ha)

y = 0.0122x3 - 1.1734x2 + 37.449x - 397.93 R² = 1

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1

29

30

31

32

33

34

35

36

37

Par hallar el NUD Integramos la ecuación obtenida para los puntos, en el rango de temperaturas de 30 a 36 °C, y multiplicamos por el Cpw

Para la experiencia 2: T

Hf 34 36 38

Ha 122.38 135.51 149.93

120.972505 154.142437 188.60237

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1/(Hf - Ha) 0.71048188 -0.05366984 -0.02585825

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T

vs

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1/(Hf - Ha)

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 y = 0.099x2 - 7.3118x + 134.87 R² = 1

0.2 0.1 0 33.5

34

34.5

35

35.5

36

36.5

37

37.5

38

38.5

-0.1 -0.2

Par hallar el NUD Integramos la ecuación obtenida para los puntos, en el rango de temperaturas de 34 a 38 °C, y multiplicamos por el Cpw

IV.

Discusión de Resultados

 Para el cálculo de TG2 fue necesario suponer que el aire de salida de la torre se encontraba saturado. Esto no es del todo correcto, pero según la bibliografía el error que se comete haciendo esta suposición es pequeño. Así, se obtienen valores bastante cercanos a las TG2 de referencia para ambos flujos de líquido.  Como se puede observar en los resultados obtenidos, al aumentar el flujo de líquido que ingresa a la torre y manteniéndose constante el flujo de gas, este último sale con una mayor entalpía, aumentando así el número de LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

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unidades de transferencia y de difusión, aumentando además la temperatura de salida del líquido.

V.

OBSERVACIONES

 Durante la práctica en el laboratorio se observó que en la salida del aire había la presencia de gotas arrastradas por el aire. Esto es debido a que el flujo de aire es tan grande que el atrapa-gotas no cumple su función de una manera eficientemente.  Para todos nuestros datos la temperatura de salida del agua es mayor que la temperatura del bulbo húmedo del aire a la entrada, que es la mínima a la cual puede llegar.  La velocidad del aire medida con el anemómetro debe ser tomada a una misma distancia, pues existe un gradiente de velocidad dentro del ducto.

VI.

CONCLUSIONES

 En los cálculos para el diseño de una torre de enfriamiento se utiliza el valor del número de unidades de difusión en lugar del número de unidades de transferencia, pues el interés principal radica en las unidades requeridas para reducir la temperatura del agua a un valor deseado. El ηD obtenido se requerirá en cualquier tipo de torre, ya sea empacada o vacía. La altura de la torre que es capaz de proveer un número predeterminado de unidades de difusión variará para cada tipo de empaque y con las cargas de líquido y aire.

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Página 14

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA VII.  Para

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RECOMENDACIONES la

primera

experiencia

de

laboratorio,

que

consiste

en

la

determinación de la caída de presión, es importante una buena lectura de la caída de presión, puesto que nos servirá para poder identificar el coeficiente Cf, característico del tipo de empaque.  Se recomienda para ambas experiencias un control permanente del operador del los manómetros de ingreso de flujo, tanto del líquido como del gas; especialmente del gas, a razón de ser quien influye en el flujo de líquido.  Durante la experiencia, se percibió el olor característico del amoniaco en el ambiente, lo cual indica una posible fuga. Dicho olor era momentáneo, no constante; se recomienda una revisión de los empaques, bridas y uniones de la columna de deserción, especialmente en la parte inferior de ella.  Se recomienda al operador de la columna, un control respecto a la válvula de salida del líquido, con la finalidad de no inundar la columna en la parte inferior, obstruyendo así la entrada de aire; ni el caso contrario, debido que ocasionaría la cavitación de la bomba.  Se recomienda la instalación de un equipo para la medición de la concentración de salida del gas, así como también del líquido de salida; con la finalidad de tener mayor precisión con los resultados.

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Referencias

 ROBERT TREYBAL

“OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA”

Editorial: Mc Graw-Hill

 PERRY

Segunda Edición

“MANUAL DEL INGENIERO QUIMICO”

Séptima Edición Cáp. 2

Pág. 125

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Anexos

APLICACIONES DE USO

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APLICACIONES REALES DE DESORCIÓN GASEOSA

En la industria se utiliza este proceso para la separación de NH4, N2, H2S, alcoholes, fenoles, sulfuros entre otros compuestos; que se encuentran presentes en sus corrientes de aguas residuales, con el fin de recuperarlos y recircularlos en su proceso o sino para minimizar la contaminación que originarían si los descargaran estas aguas residuales sin tratamiento alguno. Nosotros hemos encontrado 2 aplicaciones reales, que adjuntamos al presente informe y exponemos un resumen de dichas aplicaciones a continuación.

PRIMERA APLICACIÓN

De la EPA (Environmental Protection Agency – United States) titulada “Extracción de amoniaco por arrastra con aire”. Donde nos brinda información para el tratamiento de aguas residuales con grades cantidades de amoniaco con compuestos de nitrógeno, siendo más económico separar este compuesto del agua residual en forma de amoniaco que el convertirlo a nitratos antes de su remoción. Este documento nos presenta ventajas y desventajas de usar este proceso. Entre las principales ventajas podemos citar que la operación es relativamente sencilla, no produce retrolavados o materiales regenerados y esta extracción es un proceso estudiado y controlado. Las desventajas serían que se necesita de equipos y energía para bombear la corriente a tratar, se dificulta en condiciones de helada (la eficiencia de la operación disminuye a bajas temperaturas del aire y de la razón aire/agua, de 95% - 20 °C a 75 % -10 °C), no remueve nitratos ni nitrógeno orgánico. Además nos cita criterios para el diseño de un sistema de extracción de amoniaco por arrastre con aire, señalando las condiciones óptimas:  Carga hidráulica de agua residual - 0.1 a 0.2 l/min/m3 o 1 a 2 gal/min/pie2  Tasa de flujo del aire de arrastre - 32 a 54l/min/m3 o 300 a 500 pie3/min/gal LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

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 Profundidad del relleno - 6.1 a 7.6 metros o 20 a 25 pies  Material de empaque - plástico o madera  pH del agua residual - 10.8 a 11.5  Reducción de la presión de aire - 0.015 a 0.019 pulgadas de agua por pie Para terminar, nos sugiere un programa para el mantenimiento del equipo y consideraciones respecto al costo.

SEGUNDA APLICACIÓN

Es una patente de la Oficina Cubana titulada “Procedimiento para la Eliminación de Urea, Amoniaco y Dióxido de Carbono de Soluciones Acuosas Diluidas”. El objetivo de esta patente es la reducción de 50 ppm de amoniaco y de urea, provenientes de la corriente residual del proceso de preparación de urea partiendo de amoniaco y dióxido de carbono; a un valor de 10 ppm. La solución se hace entrar a una presión comprendida entre 10 y 30 bares, por la parte superior de una columna y se hace fluir hacia abajo por el interior de ella en contracorriente con una corriente gaseosa, vapor de agua de 15 - 42 bares. El extremo superior de la columna tiene una temperatura entre 170 y 220 °C y se mantiene en el fondo de dicha columna una temperatura comprendida entre 180 y 230 °C. Se retira del extremo superior de la columna una mezcla gaseosa que contiene amoníaco, dióxido de carbono y vapor de agua. Y en el fondo una solución acuosa de amoníaco y dióxido de carbono sustancialmente exenta de urea. Para una producción de 1500 toneladas/día tratadas por este procedimiento se logra cumplir el objetivo.

Bibliografía LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

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http://www.epa.gov/owm/mtb/cs_00_019.pdf http://www.epa.gov/superfund/action/spanish/pdfs/es_air_stripping.pdf http://www.guanajuato.gob.mx/ieeg/expopdf/nuevas%20tecnologias%20CIATEC.pdf http://www.textoscientificos.com/efluentes http://cipres.cec.uchile.cl/~iq58a/procesos/documentos/ProcesosSeparacion1.p df

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