Torre de Enfriamiento_mayo 2011

Equipo No. 1

1 Laboratorio Integral III Práctica 7: Torre de Enfriamiento

Practica No. 7

“Torre de Enfriamiento”

S.E.P S.N.E.S.T D.G.E.S.T

INGENIERÍA QUÍMICA

ASIGNATURA: LABORATORIO INTEGRAL III

PROFESOR: Ing. Guillermo Morales Camacho

INTEGRANTES:

Castillo Rodrigues Arcelia Mildred

García Romo Natalia Gomez Lopez Daniel

Huitron Roman Hector Alan Lara Lopez Joselin

Xingú Contreras Evelyn

Ahumada Serrano Ivan Chávez Torres Adriana

Hernandez Flores Sabino Perez Jimenez Yessenia Roque Arellano Carmen

METEPEC, ESTADO DE MÉXICO, MAYO 2011.

Equipo No. 1


RESUMEN

Las torres de enfriamiento son equipos ampliamente usados por las industrias

petroleras y alimenticias por mencionar algunas, su función es suministrar agua fría a

partir del enfriamiento de esta, esto con el fin de reutilizar el agua de proceso, ya que

a esta se le dio un tratamiento especial para su uso lo cual implica un gasto monetario

y si se tira al drenaje se pierde una cantidad de dinero.

ABSTRACT

The cooling towers are teams broadly used by the oil and nutritious industries to

mention some, their function is to give cold water starting from the cooling of this,

this with the purpose of reuse the process water, due it has received a special

treatment for its use that which implies a monetary expense and if one throws to the

drainage a quantity of money is lost.

Equipo No. 1


OBJETIVO GENERAL

Determinar la eficiencia de enfriamiento de la torre de enfriamiento de tiro forzado

ubicada en el laboratorio J del ITT

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Conocer el funcionamiento y operación de la torre de enfriamiento.

Determinar la eficiencia real del equipo.

Establecer el flujo real de aire que se está utilizando.

Conocer el flujo de agua total utilizado.

Obtener la suficiente cantidad de agua caliente necesaria para el experimento.

HIPÓTESIS

Dentro de una torre de enfriamiento afecta la velocidad del aire, la altura de la torre y

el tipo de empaque que esta tenga, en esta practica determinaremos la eficiencia de la

torre con empaques la cual supones que debería ser igual o mayor al 70%.

FUNDAMENTACIÓN.

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por

vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente

de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato

Algunas de las mayores ventajas de las torres de enfriamiento es que tanto su costo

inicial como el de operación son bajos.

Clasificación

Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por lo que se

suministra aire. La gran mayoría emplea hileras horizontales de empaques, esto con la

finalidad de suministrar una mayor superficie de contacto entre el aire y el agua.

Torres de tiro mecánico

Tiro inducido: el aire se succiona a través de la torre mediante un abanico

situado en la parte superior de la torre

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Tiro forzado: el aire se fuerza por un abanico situado en el fondo de la torre y

se descarda por la parte superior.

Torres de circulación natural

Atmosféricas: estas aprovechan las corrientes atmosféricas de aire que penetra

a través de rompe-vientos en una sola dirección, cambiando con las estaciones

del año y las condiciones atmosféricas.

Tiro natural: operan de la misma manera que la chimenea de un horno. La

diferencia ente la densidad del aire en la torre y el exterior originan un flujo

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natural de aire frio en la parte inferior y una expulsión del aire caliente menos

denso en la parte superior.

Condiciones de proceso para las torres de enfriamiento

Desde el punto de vista de la corrosión en os tubos, la temperatura máxima a que

puede estar el agua son 120°F o Cuando la temperatura del agua supera los 120°F

se puede utilizar un enfriado atmosférico que prevenga el contacto directo entre el

agua caliente y el aire.

La temperatura mínima a la que el agua puede enfriarse en una torre corresponde a la

temperatura de bulbo húmedo del aire. La diferencia ente la temperatura de agua a la

salida de la torre y la temperatura de bulbo húmedo se llama aproximación.

Una de las características objetables en las torres de enfriamiento se conoce como

foggin o producción de niebla lo cual se da cuando el aire caliente saturado a la salida

de la torre se descarga en la atmosfera fría y ocurre condensación.

Funcionamiento

El funcionamiento de la torre en base al diagrama psicométrico se expone mediante la

siguiente figura, en donde el agua caliente a TL2 grados se introduce por la parte

superior de la torre y sale por el fondo a TL1 grados; en tanto que el aire circula a

contracorriente respecto al agua, entrando por el fondo a las condiciones indicadas en

el punto 1 y saliendo por la parte superior en el punto 2.

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En la torre la temperatura de la interface tiende a acercarse a la temperatura de

saturación adiabática (temperatura del termómetro húmedo del aire), en la parte

superior se transfiere calor del agua caliente al aire; este calor sensible retirado al

agua aparece como calor sensible y latente en la mezcla aire- agua. En el fondo de la

torre la temperatura del agua y la de la interface pueden ser inferiores a la del aire

existiendo transmisión de calor sensible desde el líquido y desde el aire hacia la

interface donde lo consume el agua como calor latente de vaporización.

Partes principales de una torre de enfriamiento

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Cuerpo: Es la estructura de la torre, puede ser de madera, metal, ladrillo a

prueba de ácidos, vidrio, etc.

Rociadores: ubicados en la parte superior de la torre y permiten que el agua

caliente ingrese a la torre en forma de gotas para que se proporcione una

mayor superficie de contacto.

Empaque: Es la estructura que se encuentra en el interior de la torre, puede

ser metálica, plástica o de madera. Su función es hacer que el agua tenga un

mayor tiempo de retención dentro de la torre para garantizar una buena

transferencia de calor.

Características del empaque

- Proporciona un área de contacto grande entre el líquido y el gas.

- Inerte con respecto a los fluidos que lo estén atravesando.

- Estructuralmente fuerte.

- Bajo precio.

Deposito: Contenedor donde se recibe el agua a la salida de la torre.

Eliminación de arrastre: Es una malla que se coloca en el domo de la torre,

para retener las pequeñas gotas que llegan a ser arrastradas por el aire,

cuando este tiene una velocidad elevada.

Flujo de Aire: En contracorriente del agua.

FUNDAMENTACIÓN MATEMÁTICA

Primero definiremos algunos términos necesarios:

Humedad molar o saturación molar: Es la relación entre el número de moles de vapor

y de gas contenidos en una masa gaseosa.

v

v

g

v

g

v

pP

p

p

p

n

nYm

Humedad absoluta o saturación absoluta: Es la relación entre el peso de vapor y el

peso de gas que está contenido en una masa gaseosa.

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v

v

pP

p

Mg

MvYm

Mg

MvY

*

Donde Mv y Mg son los pesos moleculares del vapor y del gas. Para nuestro sistema

aire-agua, Mv es 18 y Mg es 29.

Humedad relativa o saturación relativa: Es el cociente entre la presión parcial del vapor

y la tensión de vapor a la misma temperatura.

*

v

v

p

p

Humedad porcentual o saturación porcentual: Es la relación entre la humedad

existente en la masa gaseosa y la que existiría si estuviera saturada.

v

v

v

v

ppP

pP

p

p

Y

Y*

**

Punto de rocío: Es la temperatura que alcanza la masa de gas húmedo en la saturación

por enfriamiento a presión constante. Una vez alcanzada esta temperatura, si se

continúa enfriando la mezcla se irá condensando el vapor, persistiendo las condiciones

de saturación.

Volumen especifico del gas húmedo: Es el volumen ocupado por la mezcla que

contiene 1 Kg de gas, y viene dado por:

P

RT

Mv

Y

MgV

1

Para la mezcla aire-vapor de agua, tomando P en atmosferas y T en ºK, el volumen

especifico, en m3/Kg de aire seco, esta dado por

P

TYV

082.0

1829

1

Calor específico del gas húmedo. Es el calor que hay que suministrar a 1 Kg de gas y al

vapor que contiene para elevar 1ºC su temperatura, manteniendo constante la

presión:

YCpCpc vgh

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Para el caso de aire-vapor de agua:

Flbmol

BTUYc

Flb

BTUYc

h

h

º10.895.6

º46.024.0

Entalpía especifica. Es la suma de calor sensible de 1 Kg de gas, y el calor latente de

vaporización del vapor que contiene a la misma temperatura a la que se refieren las

entalpías.

oYToTcH

oToTCvYToTCgH

h

Para el caso de la mezcla aire-vapor de agua, la entalpía específica se calcula de la

siguiente forma:

lbmol

BTUToTYToTH 1935010.895.6

Temperatura húmeda o temperatura de bulbo húmedo. Es la temperatura límite de

enfriamiento alcanzada por una pequeña masa de líquido en contacto con una masa

mucho mayor de gas húmedo.

Temperatura de saturación adiabática: Es la temperatura alcanzada por una masa de

gas cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas.

El siguiente esquema muestra el modelo general de la humidificación en una torre de

enfriamiento, los subíndice 1 y 2 indican el fondo y el domo, respectivamente.

Donde:

Hv: entalpia de aire

Hl: entalpia de liquido

Tv: temperatura de aire

Tl: temperatura de liquido

V1=V2=flujo del aire

L1=L2= flujo del liquido

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Los datos para determinar el tamaño de una torre de tiro natural fueron presentados

por Chilton, y Rish y Steel. Chilton demostró que el coeficiente de trabajo Dt es más o

menos una constante e su gamma normal de operación, y se relaciona con el tamaño

de la torre a través de un factor de eficiencia o coeficiente de rendimiento Ct como se

indica a continuación:

Donde el área de la base de la torre esta en ft2, medida al nivel de reborde del

estanque y Zt= altura de la torre en ft, medida por encima del nivel del reborde del

estanque. El coeficiente de trabajo se determina mediante la fórmula:

( / ) 90.59( / ) 0.3124L tW D h T t h

Donde:

: Cambio total de aire que atraviesa la torre en Btu/lb

: Cambio en la temperatura del agua que atraviesa la torre en °F

: Diferencia de temperatura del aire que sale de la columna y la temperatura de

bulbo seco en la entrada

: Carga de agua de la torre en lb/h.

El aire que sale del empaque se supone en condiciones saturadas a una temperatura

intermedia entre las temperaturas de entrada del agua y la salida.

Así también se utilizaron las siguientes ecuaciones:

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VARIABLES Y PARÁMETROS

Variables

Kya = coeficiente de transferencia de masa.

T=temperatura del agua a la entra y salida

Parámetros

H= altura de la torre.

A= area superficial del empaque.

Al= altura del empaque.

Q=caudal de agua.

V= Velocidad del aire.

V´=Flujo de aire seco.

H= Entalpia.

Y= Humedad.

METODOLOGIA

Equipo

Torre de enfriamiento

Termopar

Anemómetro

Bomba

Destilador

Sustancias

Agua

MEDIDAS DE SEGURIDAD

El laboratorio puede ser de riesgo y causa de accidentes por lo que es de vital

importancia seguir algunas reglas de seguridad:

Usar guantes de látex, para evitar la contaminación de la muestra así como el

aspirado de estas.

Usar bata de manga larga y que sea de algodón.

Usar lentes de seguridad.

Usar el cabello recogido.

En caso de las mujeres es preferible no usar anillos ni collares.

Usar zapato cerrado y antiderrapante.

No comer, fumar o beber dentro del laboratorio.

MONTAJE DEL EQUIPO

1.- encender el destilador para obtener agua caliente (una hora previa al inicio de la

práctica)

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2.- abrir el juego de válvulas necesarias para dirigir el agua a la torre.

3.- verificar que el arreglo del empaque sea el adecuado.

4.- instalar dos termopares uno en la parte superior para tomar las temperaturas del

agua y aire, y otro en el fondo para tomar la temperatura a la que sale el agua

enfriada.

5.- encender el abanico de la torre y obtener la velocidad del flujo del aire empleando

un anemómetro

6.- una vez que se verifico que se cuenta con la cantidad necesaria de agua para la

corrida se enciende la bomba desde la caja de switchs y de esta forma el agua sale por

los rociadores colocados al interior de la torre

7.- se toman las temperaturas a la entrada y salida en un intervalo de tiempo

determinado

PROCEDIMIENTO

El agua caliente necesaria provenía de un destilador, la cual se almacenaba

provisionalmente en un depósito. Primeramente se prendía el abanico y mediante un

anemómetro, mediamos la velocidad a la que pasaba el flujo de aire a través del

equipo , esta medición se llevaba a cabo durante un minuto y se dividía la lectura

entre 60 para obtener la velocidad en (m/s), seguido se encendía la bomba desde la

caja de switchs para extraer el agua desde el depósito y llevarla al equipo, en donde

esta salía a través de los rociadores y pasaba a través de un empaque de cartón

recubierto con pintura epoxica , así al penetrar el aire la torre ocurría un enfriamiento

de agua, para observar este fenómeno se instalaron dos termopares uno en la parte

superior, en el cual tomábamos la medición de la temperatura de entrada del agua y

del aire a la salida, y en la parte inferior se tomaban las temperaturas del agua a la

salida y del aire a la entrada, esto con el objetivo de verificar que tanto se enfriaba el

agua y se calentaba el aire.

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Resultados

Corrida sin empaque y sin ventilador equipos 1 y 2:

Cambio en la temperatura del agua que atraviesa la torre en °F:

, 10,98°F

Diferencia entre la temperatura del aire que sale de la torre y la temperatura del bulbo

seco en la entrada en °F

103,73°F;

39.33°F

Cambio en la entalpía total del aire que atraviesa la torre en Btu/lb

El aire que sale de la torre se supone en condiciones saturadas a una temperatura

intermedia entre las temperaturas de entrada del agua y la salida.

en la saturación

Caudal de agua de la torre en lb/h

Coeficiente de trabajo para torres de enfriamiento de tiro natural:

( / ) 90.59( / ) 0.3124L tW D h T t h

TL2=109.22 º F TV2=70.7 º F

TL1=98.24 º F

TV1=64.4 º F Tw1=55.4 º F

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Corrida sin empaque y con ventilador equipo 1 y 2:

Cambio en la temperatura del agua que atraviesa la torre en °F

, 22.14°F

Diferencia entre la temperatura del aire que sale de la torre y la temperatura del bulbo

seco en la entrada en °F

96.71°F;

32.31°F

Cambio en la entalpía total del aire que atraviesa la torre en Btu/lb: El aire que sale de

la torre se supone en condiciones saturadas a una temperatura intermedia entre las

temperaturas de entrada del agua y la salida.

en la saturación

Caudal de agua de la torre en lb/h

TL2=107.78 º F TV2=73.58 º F

TL1=85.64 º F

TV1=64.4 º F Tw1=55.4 º F

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Coeficiente de trabajo para torres de enfriamiento de tiro natural:

( / ) 90.59( / ) 0.3124L tW D h T t h

Como se puede ver, el coeficiente de trabajo para el caso 2 es mejor que para el 1.

Corrida con empaque y sin ventilador equipos 1 y 2:

La torre de enfriamiento con la que cuenta el laboratorio tiene las siguientes

características:

Altura del empaque: 1.58m = 5.184ft

Área transversal: 0.45 * 0.44 = 0.198m2

Presión barométrica: 560mmHg=0.7368atm

Esta ecuación sirve para determinar la humedad del aire conociendo la presión de

vapor; en este caso no conocemos la presión de vapor a la temperatura de la entrada

pero conocemos la temperatura de bulbo húmedo y sabemos que a esta temperatura

TL2=107.6 º F TV2=86.18 º F

TL1=98.06 º F

TV1=64.4 º F=18°C Tw1=55.4 º=13°C

v

v

pP

p

Mg

MvYm

Mg

MvY

*

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el aire está saturado. Por lo tanto se puede determinar la humedad a la temperatura

de bulbo húmedo.

Relación entre la temperatura de bulbo húmedo, la de bulbo seco y sus humedades

Para el aire agua la relación psicométrica =950N*m/kg es en sistema

internacional.

Despejando se obtiene:

Presión de vapor del agua a la tw de la entrada 55.4ºF (de la ecuación de Antoine o

tabla de vapor saturado) =11.035mmHg

Humedad del aire a la temperatura de bulbo húmedo:

lblbYw /01255.0035.11560

035.11

29

18

=0.00909

Volumen especifico del aire

okgaire

mVh

sec114.1

0.7368

15.27313082.0

18

00909.0

29

1 3

Flujo del aire seco

h

lbmolAS

lb

lbmol

kg

lb

hm

skgam

mV 322.24

29

1

1

205.2

1

min60

114.1

..1198.0

min

30'

3

2

Flujo de agua

h

lbmol

lb

lbmol

L

ft

ft

lb

h

s

s

LL 801.52

18

1

32.28

13.62

1

3600

60

2.7 3

3

Entalpía a 64.4ºF y tw de 55.4 ºF o bien con humedad de 0.01255lb/lb

P

TYvh

082.0

1829

1

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Entalpia del aire de salida a partir de la ecuación de la línea de operación:

12

12

' LL

VVLprom

TT

HH

V

cL

06.98107.6

992.509

322.24

18*801.52 2

VH

..777.8822

slbmola

BTUHV

Se considera que hLa es muy grande en comparación con kYa por lo que se tiene

ak

ah

Y

L

(líneas de unión verticales), que a su vez sirven para trazar la línea media

entre la línea de operación y la curva de equilibrio para determinar el número de

unidades de transferencia por el método de Baker.

Lineas de equilibrio y de operacion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

60 70 80 90 100 110 120

T (°F)

H (

Btu

/lb

mo

l)

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Como se puede ver en la gráfica, el método de Baker no es adecuado, por esa razón se

procederá a realizar diferencias finitas para determinar el número de unidades de

transferencia:

Hv T(°F)=TL P°(mmHg) y H(Btu/lbAS) Hi Hi-Hv (Hi-

Hv)prom

ΔH/(Hi-

Hv)prom

510,0 98,1 46,13 0,0560 77,80 2243,65 1.733,6549

556,6 99,3 47,84 0,0583 80,62 2324,99 1.768,3985 1.751,0267 0,0266

603,2 100,4 49,59 0,0606 83,54 2409,19 1.806,0061 1.787,2023 0,0261

649,8 101,6 51,41 0,0631 86,56 2496,38 1.846,5951 1.826,3006 0,0255

696,4 102,8 53,28 0,0656 89,69 2586,67 1.890,2889 1.868,4420 0,0249

743,0 104,0 55,21 0,0683 92,93 2680,20 1.937,2169 1.913,7529 0,0243

789,6 105,2 57,20 0,0710 96,29 2777,10 1.987,5151 1.962,3660 0,0237

836,2 106,4 59,25 0,0738 99,77 2877,51 2.041,3264 2.014,4207 0,0231

882,8 107,6 61,36 0,0768 103,38 2981,58 2.098,8014 2.070,0639 0,0225

Nt=0,1969

Determinación del parámetro que define a la torre con empaque y sin ventilador:

Corrida con empaque y con ventilador equipos 1 y 2:

Vi

tHH

dHn

TL2=103.28 º F TV2=77.9º F

TL1=88.34 º F

TV1=64.4 º F=18°C Tw1=55.4 º=13°C

2*/4335.0)184.5*131.2/(322.24*1969.0'

fthlbSZ

Vnak tY

Equipo No. 1


Presión de vapor del agua a la tw de la entrada 55.4ºF (de la ecuación de Antoine o

tabla de vapor saturado) =11.035mmHg

Humedad del aire a la temperatura de bulbo húmedo:

lblbYw /01255.0035.11560

035.11

29

18

=0.00909

okgaire

mVh

sec114.1

0.7368

15.27313082.0

18

00909.0

29

1 3

h

lbmolAS

lb

lbmol

kg

lb

hm

skgam

mV 322.24

29

1

1

205.2

1

min60

114.1

..1198.0

min

30'

3

2

h

lbmol

lb

lbmol

L

ft

ft

lb

h

s

s

LL 801.52

18

1

32.28

13.62

1

3600

60

2.7 3

3

Entalpía a 64.4ºF y tw de 55.4 ºF o bien con humedad de 0.01255lb/lb

34.88103.28

992.509

322.24

18*801.52 2

VH

..777.8822

slbmola

BTUHV

Número de unidades de transferencia=0.4474

Determinación del parámetro que define a la torre con empaque y con ventilación:

Las siguientes corridas se hicieron con el empaque y con el extractor:

Equipos TL1 TL2 Tw1 T1 nt Kya

3 y 4 101.3 91.58 57.2 64.4 0.2746 0.60

5 y 6 106.16 94.64 55.4 65.66 0.2674 0.59

7 110.48 92.84 54.5 64.4 0.4095 0.90

2*/98.0)184.5*131.2/(322.24*4474.0'

fthlbSZ

Vnak tY

Equipo No. 1


DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Al realizar los cálculos de la altura de la torre se arrojo un valor de 1.164 ft (para los

datos obtenidos en el equipo 5 y 6), el cual es demasiado pequeño, ¿cuál fue la razón

de dicho resultado? Fue por que durante los cálculos no se tomo en consideración

ningún factor de eficiencia; por lo cual el procedimiento para tomarla en cuenta fue

dividir la altura teórica entre un factor de eficiencia térmica; se considero un factor

aproximado del 20% debido a todas las fallas que tiene el equipo desde un empaque

ineficiente, un mal diseño del tipo de rociadores presente (debido a que se daba lugar

a la formación de una película de agua sobre las paredes de la torre impidiendo que

toda esta cantidad de flujo pasara a través del empaque), así al dividir la altura entre

la eficiencia considerada se obtuvo una altura de 5.8 ft o 1.78 m, lo cual es más lógico

y también dicha cantidad se aproxima más a la altura real del equipo.

CONCLUSIONES

Para poder determinar la altura de la torre de enfriamiento se debe conocer las

temperaturas de entrada y salida del agua requerida, las temperaturas de bulbo

húmedo y bulbo seco del aire, así mismo se debe conocer una característica del

empaque con el que se debe dotar el interior del equipo (kya), en nuestro caso

desconocemos este valor pero es posible determinarlo partiendo del conocimiento de la

altura de la torre. El kya se encuentra en la literatura determinado para diferentes

empaques que sirven para poder realizar la labor de diseño y predecir cuál es la altura

del equipo necesaria para ciertos requerimientos de temperatura.

RECOMENDACIONES

Se debe tener mucho cuidado al manejar la torre ya que, por ejemplo si se sacan los

empaques, se debe de hacer con precaución puesto que estos se pueden romper,

también necesita de varias reparaciones ya que tiene múltiples fugas en la parte

inferior por lo que se requiere estar limpiando continuamente para evitar accidentes,

así mismo en la puerta de la torre se tienen algunos inconvenientes y seria

recomendable cambiarle las bisagras y también el acrílico; es por esto que

recomendamos desmontar completamente la torre y darle mantenimiento completo.

Equipo No. 1


BIBLIOGRAFÍA

PERRY. "Manual del Ingeniero Químico". 6ª Edición. Ed. McGraw-Hill. México

1992. páginas 12-20 y 12-21

TREYBAL, “Operaciones de transferencia de masa”. 2ª edición. Ed. McGrawHill.

México 1988. páginas 247-294

FOUST. “Principios de Operaciones Unitarias”. 2ª edición. Ed. CECSA. México

2006. Páginas 446,455

Torre de Enfriamiento_mayo 2011

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