Métodos de humidificación y deshumidificación

MÉTODOS DE HUMIDIFICACIÓN Y

DESHUMIDIFICACIÓN TRANSFERENCIA DE MASA II

Juan David Benítez Monroy

Sandra Milena Fortich Vásquez

Daniel Enrique Pedroza Periñan

HUMIDIFICACIÓN

• Estudio de mezclas de aire y vapor de agua.

1• Tiene lugar por difusión en

la interface.• Transferencia simultánea

de calor y materia.

2 • Su principal aplicación industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración.

3

2

Métodos de humidificación

Mezcla de dos masas de gases húmedos.

Adición de vapor saturado.

Adición de un liquido que se evapora totalmente en la masa gaseosa.

Adición de un liquido en cualquier condición, evaporándose parcialmente en la masa gaseosa.

Contacto entre el gas y un solido húmedo.

Contacto entre el gas y un líquido que se mantenga a la temperatura de rocío del gas a las condiciones de humedad que nos interesen.

Contacto entre el aire y agua en una columna de humidificación adiabática.

3

1. Mezcla de dos masas de gases húmedos

𝑌 2 ,𝑖2 , 𝑡2 ,𝐺2

Mezclador

𝑌 1 ,𝑖1 , 𝑡1 ,𝐺1Gas

1

Gas 2

𝑌 ,𝑖 , 𝑡 ,𝐺

Balance de materia:

Balance de humedad:

Entalpia:

Temperatura:

Donde

4

2

1

R

HR (%)

Y

T

1. Mezcla de dos masas de gases húmedos

5

𝑀 𝑣 ,𝑖𝑣

Mezclador

𝐺 ,𝑌 1, 𝑖1 ,𝑡 1Gas

1

Vapor saturado

𝐺   ,𝑖 ,𝑌

Al realizar un balance de materia y entalpia:

Humedad:Entalpia:

2. Adición de vapor saturado

6

Raz

ones

• No se requiere mucho mantenimiento.• Como el vapor es vapor de agua, sólo necesita

mezclarse con aire para satisfacer las demandas del sistema.

• Las altas temperaturas inherentes a la humidificación por vapor lo convierten en un medio prácticamente estéril.

• La corrosión es un problema poco frecuente con un sistema de vapor instalado correctamente.

-Uso a nivel industrial-

7

Una instalación industrial de 800 m3 dedicada a la producción de cartón, que contiene aire a 25 ° C con una humedad absoluta de 0,006 Kg de agua/Kg de aire, se humidifica adicionándole vapor de agua saturado a 1 atm, en tal cantidad que la humedad final obtenida después de la adición de vapor de agua es 0,015 Kg de agua/Kg de aire. Suponiendo que la mezcla se homogeniza perfectamente, sin haber condensación de vapor de agua sobre las paredes y sin perdidas de calor al exterior, calcúlese:

a) Cantidad de vapor de agua adicionado

b) Temperatura final del sistema.

Ejercicio 1

8

Datos:

a)

En primera instancia calculamos el volumen especifico del aire antes de adicionarle el vapor saturado:

Solución

9

Con el volumen especifico calculado, procedemos a determinar la masa de aire seco contenido en el volumen de aire presente en la instalación:

Calculado el volumen de aire seco contenido en la instalación finalmente hallamos la cantidad de vapor de agua adicionada.

10

b)

Mediante el uso de la tabla (A-7) del Ocon Tojo:

Encontramos que a 1 atm

11

Calculamos la entalpia del aire húmedo en las condiciones iniciales teniendo en cuenta que para el caso de aire-agua:

Ahora determinamos la entalpia del aire húmedo en las condiciones finales:

Finalmente procedemos a calcular la temperatura final del sistema:

12

𝑀𝐿 ,𝑖𝐿

Mezclador

𝐺1 ,𝑌 1 , 𝑖1 ,𝑡 1Gas

1

𝐺2 ,𝑌 2 ,𝑖2 , 𝑡2

De manera análoga al caso anterior:

Humedad:Entalpia:

Liquido

3. Adición de un líquido que se evapora totalmente en la masa

gaseosa

13

𝑀 1, h1

Mezclador

𝐺1 ,𝑌 1 , 𝑖1Aire

1

𝐺2 ,𝑌 2 ,𝑖2

Liquido 1

Aire2

Liquido 2𝑀 2 ,h2

Realizando un balance de materia y entalpia:

Humedad:Entalpia:

Donde

4. Adición de un líquido en cualquier condición, evaporándose

parcialmente en el gas

14

2

1

HR (%)

2

1

𝑌 1

𝑌 2

𝑡𝐿1𝑡𝐿1

4. Adición de un líquido en cualquier condición,

evaporándose parcialmente

15

Secadero

ts1

X1

ts2

X2

M M

G G

t1t2

Y1Y2

Cs: calor específico del sólido secoCL: calor específico del líquidots: temperatura del sólido húmedoH0:calor integral de mezcla del sólido a 0º C

Balance de masa Balance de energíaProceso no adiabáticoG (i1−i2 )=M (H2−H1)G (Y 2−Y 1 )=M (X1− X 2)

H i=(C s+X iCL) t si+H 0G (i1−i2 )=M (H 2−H1 )−q

5. Contacto entre el gas y un sólido húmedo

16

17

Ejercicio 2

A un secadero entra un sólido a razón de 5000 kg/h, con una humedad del 60%, y debe ser secado hasta un 5% (con respecto al sólido húmedo). El aire que se usa para secar el producto entra a 80ºC, con una humedad de 0.006 kg agua/kg aire seco, y sale a 50ºC. El sólido entra a 25ºC y sale a 30ºC; su calor específico se mantiene prácticamente constante a 0.25 kcal/kg ºC. Si el secadero se mantiene aislado de los alrededores, ¿cuál será la cantidad de aire necesario para efectuar la operación, y cuál será la humedad del aire que sale del secadero?

18

Humedades respecto al sólido seco:

Masa del sólido seco:

Por balance de masa:

(1)

Solución

19

Entalpías del sólido a la entrada y salida del secadero:

Entalpía del aire a la entrada y salida del secadero:

Por balance de energía:

Al resolver (1) y (2), se obtiene: G = 229029.31 kg/h y Y2= 0.018 kg agua/kg aire seco

t

Y

A

B

t1

Y1

t2

Y2C

tC

6. Contacto entre el gas y un líquido que se mantenga a TR

correspondiente a la humedad de interés

20

t

Y

A

t1

Y1

B

t2

Y2

C

Ys: humedad de saturación a la temperatura de saturación adiabática

ts: temperatura de saturación adiabáticas: calor latente de vaporización del líquido a ts

c: calor específico de la masa húmeda

D

t3tw1

F

t4tw2

E

t5

Calor

(Y s−Y )= cλs

(t −t s)

’: calor latente de vaporización del agua a la temperatura de entrada en el humidificador

ts: temperatura de saturación del aireten: temperatura de entrada del agua en el

humidificador

t=(Y s−Y ) [ λ′+c (t s−ten)]

c+ t si2=i1+(Y 2−Y 1 )h

i1: entalpía del aire a la entradai2: entalpía del aire a la salidah: entalpía del agua en el humidificador

𝐢𝟐− 𝐢𝟏=(𝐘𝟐−𝐘𝟏)𝐡

Fuente: Acondicionamiento de aire - Open Course Ware, Universidad de Sevilla.http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones-basicas/contenidos1/tema14/pagina_04.htm

7. Contacto entre el aire y agua en una columna de

humidificación adiabática

21

Se necesita aire a 50ºC con una temperatura húmeda de 35ºC a partir de un acondicionamiento de aire atmosférico a 25ºC con humedad relativa del 50%. El proceso consiste en una precalefacción, seguida de una humidificación adiabática hasta alcanzar una humedad relativa del 85%, para luego finalizar con una calefacción que aumente su temperatura hasta las condiciones de interés.

Calcule:

a) La temperatura de salida del aire del humidificador

b) La temperatura de precalefacción

c) La cantidad de calor suministrado por metro cúbico de aire, medido a las condiciones finales.

Ejercicio 3

22

a) Condiciones iniciales del aire:

t1= 25ºC = 50%

Y1= 0.01 kg humedad/kg aire seco

Condiciones de salida del aire:

t2= 50ºC tw2 = 35ºC

Y2 = 0.03 kg humedad/kg aire seco

t = 34ºC tw=32ºC

b) Temperatura de entrada del aire al humidificador: 80.5ºC.

Solución

2323

c) Volumen específico del gas a la salida:

V = 0.9581 m3/kg

Aire seco por m3 de aire a la salida: 1/0.9581 = 1.043 kg

Calor requerido:

Q = 18.4 kcal/m3

24

DESHUMIDIFICACIÓN

Mejorar la calidad del

aire

Prevenir la creación de

hongos

Prevenir la corrosión

Procesos industriales

25

Contacto directo

Contacto indirecto

Uso de sustancias químicas

Métodos de deshumidificación

26

IA

S

F

𝑇 𝐼𝑇 𝐴𝑇 𝐹𝑇 𝑆

𝑌 𝐼

𝑌 𝐹

𝑌 𝑆

1. Contacto indirecto

27

El proceso se ve representado por la recta IS, por lo tanto:

𝑡1− 𝑡 𝑠𝑡−𝑡 𝑠

=𝑌1−𝑌 𝑠

𝑌 −𝑌 𝑠

Cantidad de calor perdido:

𝑞=(h /𝑐 ) (𝑖−𝑖𝑠 ) 𝐴

Cantidad de calor transferido:𝑞=𝑈𝐴 ′ (𝑡 𝑠−𝑡𝑅 )

Finalmente:𝑡−𝑡𝑅𝑖−𝑖𝑠

= h𝐴𝑐𝑈𝐴 ′

28

1 M 2

Gas

𝑇 𝑒𝑔𝑎𝑠

𝑖1

𝑇 𝑆𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 Liquido

𝑇 𝑆1

𝐴𝑟𝑒𝑎1 𝐴𝑟𝑒𝑎2

𝑇 𝑆𝑚

𝑖𝑚𝑇𝑚𝑔𝑎𝑠

𝑖𝑠𝑚

𝑇 𝑆2

𝑖2𝑇 𝑠𝑔𝑎𝑠

𝑇 𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑖𝑠1 𝑖𝑠2

Primer Sector Sector Medio Segundo Sector

𝑡𝑚 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

29

𝑖𝑚=𝑖1+𝑖2

2

𝑇𝑚𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜=𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜+𝑇 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

2

Se obtienen las siguientes ecuaciones:

A partir de la ecuación: 𝑡−𝑡𝑅𝑖−𝑖𝑠

= h𝐴𝑐𝑈𝐴 ′

1 M 2

Gas

𝑇 𝑒𝑔𝑎𝑠

𝑖1

𝑇 𝑆𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 Liquido

𝑇 𝑆1

𝐴𝑟𝑒𝑎1 𝐴𝑟𝑒𝑎2

𝑇 𝑆𝑚

𝑖𝑚𝑇𝑚𝑔𝑎𝑠

𝑖𝑠𝑚

𝑇 𝑆2

𝑖2𝑇 𝑠𝑔𝑎𝑠

𝑇 𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑖𝑠1 𝑖𝑠2

𝑡𝑚 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

30

Primer sector:

𝑇 𝑠1−𝑇 𝑠𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑖1− 𝑖𝑠1

= h 𝐴𝑐𝑈 𝐴´

Sector medio:

𝑇 𝑠𝑚−𝑇𝑚 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑖𝑚− 𝑖𝑠𝑚= h 𝐴𝑐𝑈 𝐴´

Segundo sector:

𝑇 𝑠2−𝑇 𝑠𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑖2− 𝑖𝑠 2

= h 𝐴𝑐𝑈 𝐴´

31

Primer sector:

𝐴1=�̇�(𝑖1−𝑖𝑚)

( h𝑐 )( 𝑖1+𝑖𝑚2 )−( 𝑖𝑠1+𝑖𝑠𝑚2 )

Segundo sector:

𝐴1=�̇�(𝑖𝑚−𝑖2)

( h𝑐 )( 𝑖2+𝑖𝑚2 )−( 𝑖𝑠2+𝑖𝑠𝑚

2 )𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=𝐴1+ 𝐴2

A partir de la ecuación

𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒𝑞=�̇�𝑐𝑝∆ 𝑡 𝑦 ∆ 𝑖=𝑐𝑝∆ 𝑡

𝑞=(h /𝑐 ) (𝑖−𝑖𝑠 ) 𝐴

𝐴=�̇�∆ 𝑖

(h /𝑐 ) (𝑖−𝑖𝑠 )

32

Temperatura de salida del aire:

�̇�𝑐 ∆ 𝑡=𝐴h (𝑖−𝑖𝑠 )

Primer sector:

�̇�𝐶 (𝑡1−𝑡𝑚 )=𝐴1h( 𝑡1+𝑡𝑚2

−𝑡𝑠1+𝑡 𝑠𝑚

2 )

�̇�𝐶 (𝑡𝑚−𝑡 2 )=𝐴2h (𝑡𝑚+𝑡 2

2−𝑡𝑠𝑚+𝑡𝑠 2

2 )Segundo sector:

33

𝑡𝐶𝑡𝐵 𝑡1𝑡 𝐴

𝑡𝑚

𝒕𝟐

𝐺 (𝑖1−𝑖3 )=𝐿𝑐(𝑡𝑐−𝑡 𝐴)

Balance entálpico:

Rendimiento de la torre:

𝐸=𝑖1−𝑖2𝑖1−𝑖𝑐

Su valor oscila entre

0,55 y 0,99

2. Contacto directo con una masa de líquido frío

34

Se han de enfriar y deshumidificar 10000 kg/h de aire que se encuentra a 32ºC con una temperatura húmeda de 27ºC por contacto directo con 15000 kg/h de agua que entra en el deshumidificador a 12ºC. El rendimiento del deshumidificador es del 86%.

Calcúlese:a) Entalpia del aire a la salidab) Temperatura de salida del aguac) Temperatura de salida del aire

Ejercicio 4

35

SoluciónCondiciones de entradaT bulbo seco = 32ºCTemperatura húmeda= 27ºC

0,019

80

36

Condiciones iniciales del aire:a )

Si sale aire saturado debe cumplirse:

Reemplazando:

Donde por tanteo

En base al rendimiento calculamos 17,035 ºC

37

b) Calculamos la temperatura de salida del agua sabiendo que:

Donde = 13,20

c) Temperatura de salida del aireEn base a la entalpia de salida Calculamos en tablas la temperatura de saturación adiabática t= 24 º C.

Con ayuda de la tabla psicrométricacalculamos

38

T salida del aire = 28,5ºC

39

Materiales líquidos

Materiales sólidos Desecantes

Extraer vapor Masa gaseosa

3. Uso de sustancias químicas

40

• Adsorción• Adsorbentes del tipo

de la silica gel, carbón activado, zeolitas naturales y sintéticas.

Absorción

Glicoles, soluciones acuosas de cloruro de litio, de calcio y acido sulfúrico.

Rociar una solución que contiene un desecante absorbente de vapor del liquido

SOLIDOS

Adsorción

Adsorbentes del tipo de la silica-gel, carbón activado, zeolitas naturales y sintéticas.

Rueda o torre empacada o encapsulado con material desecante solido

LIQUIDOS

3. Uso de sustancias químicas

41

REFERENCIAS

Ocon, J., Tojo, G. Problemas de ingeniería química, Operaciones básicas.

Humidificadores de vapor acondicionado – Armstrong International.http://www.armstronginternational.com/es/humidification-conditioned-steam-cast-iron-direct-steam

Acondicionamiento de aire - Open Course Ware, Universidad de Sevilla. http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones-basicas/contenidos1/tema14/pagina_04.htm