Cuestionario

LABORATORIO DE INGENIERA QUMICA III

Transferencia de masa

Rapidez de transferencia de masa

Torre de pared mojada

Problema Para un estudio de la transferencia de masa por conveccin se selecciona la operacin de humidificacin de aire empleando agua a 30C y el equipo de torre de paredes mojadas compuesto por dos columnas de vidrio de diferentes dimetros. Despus de operar las dos columnas, se desea obtener el valor de la humedad en (gH2Ovapor / gAire Seco) contenida en el mayor gasto de aire de salida que cumpla simultneamente con las siguientes condiciones:

1.- La mayor rapidez de humidificacin

2.- La mnima resistencia de transferencia de masa

3.- El menor gradiente de concentraciones

Reportar la longitud y dimetro de la columna, el mayor gasto del aire de salida en m3 /min con un contenido de humedad en gH2Ov /gA.S que cumpla simultneamente con las tres condiciones anteriores, los valores de cada condicin en (gmol / min cm2), (min cm2 mm de Hg / gmol) y el gradiente de concentraciones en funcin de las presiones en (mm de Hg) respectivamente.Las caractersticas de las columnas son:

Columna A.- Dimetro interno de 3.45 cm y longitud de 91.5 cm

Columna B.- Dimetro interno de 2.54 cm y longitud de 91.5 cm

Torre de paredes mojadas

Operacin del equipo

Consultar la Figura 1

1.- Arrancar la compresora de aire seco, solicitar informacin con el profesor

2.- Cerrar todas las vlvulas

3.-Colocar dos termmetros de cristal en las cmaras superior e inferior de la columna

Figura 1

4.- Llenar el tanque de suministro con agua destilada

5.- Purgar las lneas de aire y de vapor, solicitar informacin con el profesor

6.- Abrir totalmente la vlvula V1A o V1B y alimentar aire a gasto bajo con la vlvula V5

7.- Abrir la vlvula V4 y hacer funcionar el cambiador de calor a temperatura baja, solicitar informacin con el profesor

8.- Asegurar que la bomba est purgada, si no lo est purgarla, solicitar informacin con el profesor.

9.- Abrir una vuelta la vlvula V2A o V2B y encienda la bomba. Nunca trabajar la bomba en seco, esperar a que la cmara de lquido de la columna A o B desborde el agua, luego cerrar totalmente la vlvula V4 y simultneamente abrir la vlvula V3A o V3B

10.- Regular el flujo del agua con las vlvulas V2A o V2B, hasta que la pelcula del lquido sea lo ms uniforme

11.- Regular el flujo de aire al gasto deseado, consultar las Tablas A y B12.- Aumentar el flujo de vapor para calentar la corriente de agua que se alimenta al cambiador de calor y se alcancen los 30C en el agua de recirculacin segn la lectura del termmetro colocado en la cmara superior de la columna. Esperar para que se alcance el rgimen permanente

13.-Tomar los datos de las temperaturas del aire de entrada (en la cmara de acrlico colocada a la derecha de la columna) y las de salida de la columna, las temperaturas del agua de entrada y salida con los termmetros de cristal y los flujos de aire y agua con los rotmetros del equipo. Llenar las Tablas A y B

Desarrollo experimental

I.- Llevar a cabo la primera experimentacin para la columna A, y complementar la Tabla A con los datos experimentales a condiciones de estado estacionarioTabla A, resultados experimentales para la columna A

AIREAGUA

EntradaSalidaEntradaSalida

G AIREeTBSeTBHeYeTBSsTBHsYsQH20T H2OeT H2Os

ft3/ h

estndarCCg H2Ov /

g ASCCg H2Ov /

g ASgal/ hCC

100

2030

200

2030

300

2030

400

2030

500

2030

600

2030

..Yr salida

TBS C

Ys g H2Ov / g AS

II.- Continuar con la segunda experimentacin para la columna B, y complementar la Tabla B con los datos obtenidos experimentalmente a condiciones de estado estacionario

Tabla B, resultados experimentales para la columna B

AIREAGUA

EntradaSalidaEntradaSalida

G AIREeTBSeTBHeYeTBSsTBHsYsQ H20T H2OeT H2Os

ft3/ h

estndarCCg H2Ov /

g ASCCg H2Ov /

g ASgal/ hCC

100

2030

200

2030

300

2030

4002030

..

Yr salida

TBS C

Ys g H2Ov / g AS

III.- Trazar las siguientes grficas con los resultados de las Tablas A y B

GrficaConcepto

ALas humedades de salida Ys (g H2Ov / g AS) de las columnas A y B Vs. el gasto G e de aire de entrada a condiciones del Laboratorio de I.Q. (m3 / min)

BLa rapidez de transferencia de masa molar NA (gmol / min cm2) de las columnas A y B Vs. gasto Ge de aire de entrada a condiciones del Laboratorio de I.Q. (m3 / min)

CLas cadas de presin (mm de Hg) de las columnas A y B Vs. gasto Ge de aire de entrada a condiciones del Laboratorio de I.Q. (m3 / min)

DLas resistencias 1 / kg (min cm^2 mm de Hg / gmol) de las columnas A y B Vs. gasto Ge de aire de entrada a condiciones del Laboratorio de I.Q. (m3 / min)

Cuestionario

1.- Con base en los resultados obtenidos en las Tablas A y B de los resultados experimentales. Mencionar y describir los fenmenos que ocurren entre el agua caliente y el aire seco en la torre de pared mojada

2.- Precisar el fenmeno fsico que se manifiesta a lo largo de la interfase aire-agua que causa la humidificacin del aire

3.- Escribir la expresin de gradiente que origina la rapidez de transferencia de masa para humidificar el aire que circula por la columna

4.- Explicar porqu en este caso no se considera el coeficiente individual de transferencia de masa convectiva en la fase lquida, k L5.- Utilizar un diagrama interfacial para representar el contacto del agua caliente con el aire fro de baja humedad, para describir los perfiles de temperatura desde el agua lquida al seno de la corriente gaseosa, de la humedad absoluta molar desde la interfase al seno de la fase gaseosa y del calor sensible transferido desde el agua lquida a la fase gas

6.- Establecer un balance diferencial para la masa molar del vapor de agua por unidad de tiempo, aplicando el principio del balance de coraza a un elemento diferencial de volumen y obtener la ecuacin sin integrar

Considerar:

a.- La seleccin de una envoltura cilndrica de columna de altura y rea

b.- Despreciar el espesor de la pelcula de agua

c.- Introducir el coeficiente convectivo individual de transferencia de masa molar

kg (gmol H2Ov / h cm2 atm)

d.-Utilizar la siguiente nomenclatura

Flujo de aire libre de soluto gmol AS / h

Humedad molar del aire gmol H2Ov / gmol AS

En la entrada, En la salida

Coeficiente convectivo individual de transferencia de masa molar

gmol H2Ov / h cm2 atm

Presin de vapor de agua en la interfase en atm

Presin parcial del vapor de agua en el seno de la corriente del aire atm

A = rea normal a la direccin de la transferencia de masa molar cm^2

Di = Dimetro interno de la columna cm

7.- En base a la ecuacin diferencial obtenida en la pregunta anterior, escribir como la presin de vapor y en trminos de la humedad molar

Integrar este resultado para obtener el modelo del coeficiente kg promediado a lo largo de la columna.

Considerar: * kg es constante

* La temperatura del agua de entrada con respecto a la de salida no vara

notablemente, por lo que se puede sustituir el trmino de la presin de vapor

por un promedio aritmtico de las presiones de vapor en la entrada y salida

de la columna

* Consultar el Apndice para aplicar la integral reportada en tablas e integrar la ecuacin diferencial obtenida8.- En la ecuacin sin integrar obtenida en la pregunta 6, sustituir la ecuacin de rapidez de transferencia de masa molar, para obtener el modelo del flux NA promediado a lo largo de la columna

9.- Obtener el modelo del gradiente de presiones promediado a lo largo de la columna utilizando nuevamente la ecuacin de rapidez de transferencia de masa molar

10.- De la grfica A. Porqu razn al aumentar el flujo de aire de alimentacin en la columna B lo humedece ms que en la columna A, si las humedades, flujos y temperaturas de las corrientes alimentadas son iguales en cada una de las columnas?11.- De la grfica A. Porqu al aumentar el flujo de aire alimentado a las columnas A y B decrecen los perfiles de las humedades de salida Ys?12.- Porqu en la grfica B, el perfil de la rapidez de transferencia de masa molar NA de la columna B, est siempre por arriba de la rapidez de transferencia de masa molar de la columna A, a pesar de que las humedades, temperaturas y flujos de las corrientes alimentadas son iguales en cada una de las columnas?

13.- Explicar porqu en la grfica C, el perfil de la cada de presin de la columna B, est por abajo del perfil de la cada de presin de la columna A, si no hay diferencia en las humedades, temperaturas y flujos de las corrientes alimentadas en las columnas A y B?

14.- Porqu razn en la grfica D, el perfil de la resistencia de transferencia de masa molar 1/ kg de la columna B, est siempre por abajo de la resistencia de transferencia de masa molar 1/ kg de la columna A, a pesar de que las humedades, temperaturas y flujos de las corrientes alimentadas son iguales en cada una de las columnas?

15.- Cul es la longitud en (m) y dimetro de la columna en (m), el mayor gasto del aire de salida en (m^3 aire / min) con un contenido de mayor humedad en g H2Ov / gAS que cumpla simultneamente con las tres condiciones siguientes:

1.- La mayor rapidez de humidificacin

2.- La mnima resistencia de transferencia de masa

3.- El menor gradiente de concentraciones

Los valores de cada condicin en (gmol / min cm2), (min cm2 mm de Hg / gmol) y el gradiente de concentraciones en funcin de las presiones en (mm de Hg).

ApndiceDe tablas de integrales

+ C

Ecuacin para calcular la presin de vapor del agua

TH2O = Temperatura del agua en C

Nomenclatura

G AIREe = Gasto de aire a la entrada de la columna en ft3/ h estndar

TBS e = Temperatura de bulbo seco a la entrada de la columna en C

TBH e = Temperatura de bulbo hmedo a la entrada de la columna en C

Ye = Humedad absoluta a la entrada de la columna en g H2Ov / g ASTBS s = Temperatura de bulbo seco a la salida de la columna en C

TBH s = Temperatura de bulbo hmedo a la salida de la columna en C

Ys = Humedad absoluta a la salida de la columna en g H2Ov / g ASQ H2O = Gasto de agua que se recircula en la columna en gal / hT H2O e = Temperatura del agua de entrada en la columna en C

T H2O s = Temperatura del agua de salida de la columna en CYr % = Humedad relativa en porciento

Flujo de aire libre de soluto en gmol AS / h

G e = Gasto de aire de entrada a condiciones del Laboratorio de I. Q. en m^3 / h

Humedad molar del aire gmol en H2Ov / gmol AS

Coeficiente convectivo individual de transferencia de masa molar

en gmol H2Ov / h cm2 atm

Presin de vapor de agua en la interfase en atm

Presin parcial del vapor de agua en el seno de la corriente del aire en atm

A = rea normal a la direccin de la transferencia de masa molar en cm^2

Di = Dimetro interno de la columna en cm

humedad en la saturacin en gmol H2Ov / gmol Aire seco

humedad molar en gmol H2Ov / gmol ASPT = Presin total en atm

PA = Presin de vapor en atm

Rapidez de transferencia de masa molar en

gmol H2Ov / h cm2Material necesario para la experimentacin

1.- Un psicrmetros con termmetros de mercurio

2.- Un psicrmetro digital

3.- Un par de guantes

4.- Una cubeta

5.- Una carta psicromtrica6.- Dos termmetros de mercurio7.- una piceta

8.- Una pinza de tres dedos con nuez

9.- Dos codos de PVC para las salidas de aire de las columnas

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