EJERCICIO 7.10 m3 s Se desea deshumidificar 1,2 (2 540 pies3/min) de aire, que se tiene a las temperaturas de 38,0°C bulbo seco y 30,0 °C húmedo, hasta una temperatura de bulbo húmedo de 15 °C en una torre de contra corriente para la deshumidificación se utilizara agua enfriada a 10 °C. El empaque va a ser de anillos de GS Raschig de 50 mm (2 pulg). Para mantener el arrastre al mínimo, va a ser 1,25 kg aire/m 2s (922 2 lbm/h.pies ) y se va a utilizar un flujo del líquido 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? Solución: TL1 Cálculo de la temperatura Con la ecuación (7.26) del Treybal: tG1 tw1 w1 Yw' 1 Y1' hG k y w1 , Y 'w1 , Y '1 y h G / k Y De esta ecuación, desconocemos los valores de: -Primero calculamos el calor latente de vaporización para el agua, con la siguiente correlación: 2 C1 (1 Tr )C2 C3Tr C4Tr donde: C1 = 5,205 3×107 14 K J 1kmol J w1 43688696.3199 0.11564 B 1687.9 w1.15 Tc.0425945 P.811704 31. N/m2 1708.19 w2.15 K 303. para luego calcular la humedad absoluta: log PA A Presion de Vapor (Agua): A 5.K 288.44526687 w1. 02kg kg 2 43688 696. 205 107 1 647.468445777 Tr 0.537 T en K C 230.257 95 Tr = T/Tc en J/kmol T en K Tw1. J/kmol 44222963.15 K): J kmol .949 w2. K 303. 2 2 424 455.14 Tc. 12.212 C4 = 0. bar 7 6 P.17 P en bar T. K 647.15 T.15 0. J/kg 2454104.948546 mmHg 6 1 4259.319 9 C3 = -0.°C TW2 TW1 15 30 B T C 273. K 288.15 Tw2. J/kg 2424455.14 K 303.0868 4 Se hará un ejemplo ha escrito para verificar los resultados de la computadora A 15°C (288.0170808 0. K 647.15 303.15 K w1 30 C 5.4558 P.14 Tr 0.54 Tw1 Se hará un ejemplo para : 0.25795 647.14 K 647.95 kmol 18. J/kmol 43688696.15 K 0.212 303.C2 = 0.19 Para el sistema aire – agua hG k y 950 N m kg K (Mediciones de Dropkin) -Ahora calculamos la presión de vapor del agua con la siguiente correlación. 0242 0.02 MB 28.537 288. N/m2 101325 p t .02 kg agua 0. kg agua/kg aire seco Y'2.15 N log p A 1708.17 273.97 kg aire sec o Humedad de saturación a tw1: Y 'w1 4259. para poder apreciar que no hay casi nada de diferencia de error. 456 28.537 303. 456 2 m log p A 5. 456 18.11564 -Ahora calculamos la humedad absoluta. 02 kg agua 0.17 273. 027 3 101325 4259.1687. usando las presiones de vapor hallados anteriormente: Y 'i Humedad absoluta: pt . 0107 101325 1708. con la siguiente correlación. de: w1 Yw' 1 Y1' tG1 tw1 Y1 Yw1 tG 2 tw 2 hG kY tG1 tw1 hG kY Y2 Yw2 w1 Con la computadora obtuvimos: Y'1.087 18.01067 Y'W1 0. 087 28.02730 M A pisat M B pt pisat De la misma manera se verificará los datos a escrito con los resultados de la computadora.15 N log p A 4 259.11564 A 30°C (303. atm 1 MA 18. kg agua/kg aire 0.15 230. Humedad de saturación a tw2: Y 'w 2 1708.15 230.15 K): 1687.00873 w2 Yw' 2 Y2' hG kY tG 2 tw2 hG w 2 kY .97 kg aire sec o Y1 y Y2 Ahora despejando .97 Y'W2 0. 087 2 m log p A 5. 47 B 5. con t0 0 C H1' CB C AY ' tG1 0Y '1 .91156 por lo que tendremos que .75E-04 1. con t0 0 C H 2' CB C AY ' tG 2 0Y '2 .60E+03 1. CA y CB -Cálculo de Las capacidades caloríficas se calcularon mediante la siguiente correlación: Capacidad calorífica de gases Ci A BT CT 2 DT 2 R Aire (B) Agua (A) A 3.45E-03 C 0 0 D -1.31451 R. con t0 0 C t0 temperatura de referencia CA . 95 Nm kg K J kg kg agua kg aire sec o -Cálculo de la entalpía: Para calcular la entalpía se necesitará las siguientes ecuaciones: H ' CB C AY ' tG t0 0Y ' (1) H 'w1 CB C AY ' Tw1 0Y 'w1 .K 1009.082 T. K 311.seco Y '1 Haremos un cálculo para para que se vea que la diferencia de error Y1 0.355 3. J/kg. CB y 0 Las variables que nos dificultan el cálculo de la entalpía son: calcular antes esas tres variables. con t0 0 C H 'w 2 C B C AY ' Tw1 0Y 'w 2 . 0273 Y1 0. 0242 kg agua kg aire sec o 38C 30C 950 2 424 455.21E+04 R. J/mol.15 C. m3atm/kmolK 0.K 8.504 1866. 016 105 (311.15 Tr 0. J/kmol 44733277.42208796 0.14 K 273.14 K 647.K J CB 1009. K 273.212 273.504 mol.31451 J / mol. °C 0 T0.31451 J / mol.15 K ) 2 0.151 H'2 H'W1 42187. como se puede ver no hay casi nada de diferencia en los resultados a escrito con los resultados a computadora. 205 107 1 647.K CB 3.15) 2 8. J/kg 2482423.82 kg kmol 18. 450 10 3 (311.15 K ) 0(311. Ahora calculamos las entalpías con las ecuaciones (1): Entalpías H'1 100053.6392 99573. 0 - Cálculo de El calor latente de vaporización para el agua a t0: se halló con la correlación (*): 2 C1 (1 Tr )C2 C3Tr C4Tr (*) Calor de vaporización a t0 T0.3199 0.15 K 0 0 C 5.15 K 273.15 K 0.82 0.15 K ) 0(311.575 10 3 (311. con los resultados obtenidos a computadora: CA 3.121 105 (311.15 K ) 2 0.17 2 482 423.K Efectivamente. 02kg Los resultados a computadora y ha escrito son los mismos.14 K J 1 kmol J 0 44733277.355 0.2 0.15)2 8.912 mol. ha escrito.25795 647.19 J kmol . 470 1.Como en todos los casos se verificará los resultados.K J C A 1866.548 2 43688696. K kg aire sec o kg kg aire sec o H w 2 41917.K kg aire sec o kg kg aire sec o H w 1 99573.816 0.0273 30C 2482423. 912 0. 00873 20C 2 482 423.504 1866. K kg . Pendiente de línea de operación L 'min C A.K kg aire sec o kg kg aire sec o H1 100 053.548 J kg aire sec o con valor mas aceptable pero concordante Yw2 H w' 2 Luego se halla en función de tw2 y se tiene: J J kg agua J kg agua H w 2 1009. 504 1866. 0242 kg .K kg .158 J kg aire sec o Ahora calcularemos a TG2: J J kg agua J kg agua H 2 1009.0273 kg .0107 kg . K kg aire sec o kg kg aire sec o H 2 42187.504 1866.912 0.816 0.912 0.6395 J kg aire sec o Y 'w1 H w' 1 Si evaluamos en función de tw1 y se tiene: J J kg agua J kg agua H w 1 1009.H'W2 41917.K kg .643 J kg aire sec o C A .548 Lmin 2882. L H 2 H1 41917.504 1866.6432 Resultados de la computadora Calcularemos las entalpías ha escrito para verificar si hay error.816 0. 643 99573. K kg .L Lmin ' S G H 2 H1 t L 2 tL1* LINEA DE OPERACIÓN Calculamos la pendiente dela línea de operación: Evaluaremos la pendiente con Lmin usando tL1* = tW1. que evidentemente supone que ha alcanzado las condiciones del equilibrio (saturación).795239 Ahora lo intentamos hacer ha escrito: C A. 00873 kg . J J kg agua J kg agua H1 1009.L G 'S 2882.0107 15C 2482423.816 0. 0242 38C 2 482 423.795 J kg aire sec o C GJ 10 30 t L 2 tL*1 . 912 0. 36 Lreal kg agua s .312 -Ahora calculamos el flujo másico líquido Flujo másico liquido mínimo: Calculando ha escrito.119394833 Resultados de la computadora Ha escrito los resultados son: 1. 312 GS kg gas sec o s Flujo másico del gas seco: G'S. 9065 kg aire sec o s 4184 J s Ahora hallamos el flujo másico líquido real: Flujo veces 1. 2 m3 1. 0242 kg 28.Ahora calculamos el flujo másico del gas seco: GS 1.905330937 J 1.36 GS' H '2 H ' m REAL t L2 t L1 (2) 0. H 2 El punto se encontrará trazando una recta con pendiente mínima (la hallada) donde el punto ' t W1 .15 K kmolK M prom . kg/kmol 28. Ahora calculamos: Peso molecular promedio: 1 Y1 Y 1 1 MB M A M prom G1 PM prom RT Mprom1. 9065 1. 5 1.5 L'real C A.119 3 m3 atm RT m 0.831 Lmin 0. 02 PM prom 1atm 28. 561 kg kmol kg G1 1.L L'real. 0243 kg aire húmedo GS 1. se tiene: 2892. 312kg aire sec o kg agua C kg agua 0. 0243 kmol 28.119kg aire húmedo kg gas sec o s m3 1. kg/s 1.56057559 3 G1. kg gas seco/s G1 G1 1 Y1 1. H1i e intersectando con la vertical trazada por tL2. 561 1 0. 97 18. g/m 1. 082 311.t ' L2 . 25 kg aire m 2s A 0.25 kg aire/m2. anteriormente se calculado.31212kg gas sec o kg gas sec o º C En la expresión 9.36kg agua 4184J s J 4324. Calculo de la sección transversal El problema indica que para mantener el arrastre mínimo G’ S = 1. podemos decir: m REAL H '2 H1 ' t L2 t L1 .s. ya no se encuentra a condiciones de saturación.70583 En la hoja de Excel. podemos decir: G 's G 's .95265542 m 2 A su vez podemos definir el diámetro como: 4A d 1 2 1.7892 98779. sino más bien se trata de la temperatura de salida (tL1) del agua del deshumidificador.1928 t L2 t L1 s kg agua º C 1.min A … (4) Donde: A = área de la sección transversal. puede apreciarse que se obtuvo el mismo resultado. reemplazando en (2): m REAL H '2 H1 ' 1.En donde el término tL1*. Puesto que: 1. verificando su éxito. Despejamos tL1: t L1 t L2 H '2 H1 ' m REAL …(3) En (3) t L1 10 41423. que se encuentra en la carpeta.31212 kg gas sec o s A 1.101342687 RESPUESTA (a) Temperatura del gas en el tope de la columna Desde que: H 2' CB C AY2' tG 2 0Y2' tG 2 tw 2 w 2 Yw' 2 Y2' hG ky . con el G’S.8669 23.333C 4301.min. Cálculo de la altura de la torre (Y) .62 kgº C s kg aire J J 189108.00887 0.0202 1. 00887 kg aire sec o Luego: H 2' 1005 1884 0. .6 s Kgº C s kg aire s 4187 kg J J 23.312 aire 42629.0243 GS' L'2 .3 0 º C 1. con (estimado)=20°C se tiene: 20 15 2463212 0. 00887 19 2502300 0.L t L1 t 0 G S' CS2 t G 2 T0 0 Y2 ' (7) Reemplazando valores: kg kg kg J J 1.tG 2 Por prueba y error. 0108 Y2' 950 kg agua Y2' 0. donde: De kg agua tranf .0202 .L t L2 t 0 G S' CS1 t G1 T0 0 Y1 ' L'1C A.Con balance de calor en la columna Y1' 0. 1. H L2 H 2' Luego: 0.380 s L1' H L1 o: GS' H 1' . (Evaluando antes) . L'2 C A.36 agua 4187 1.312kg aire seco kg aire seco s kg H2O s Lueg kg L'1 1. 00887 H 2' 42187.4 s s (Aproximación suficiente).36 0.0243 0.3 190578.3802 agua 10 0 º C 1.312 aire 100735.64 J kgaire sec o VERIFICACIÓN DE CÁLCULOS. 026 0. ρ = 101.97 ($) Datos de GEANKOPLIS (a 29 ºC) 1 18.685 y A 18.974(0.1065) 0.008 x10-3 0.0028 mezcla 0.026 8 10 6 0.6879 kg 1.02 1 28.3 .0028 ms D H2O( v ) aire : kN m2 T = 29 ºC =302 ºK.97 18.082 302 m M prom prom n M prom y A M A yB M B yi Mi i 1 Reemplazando valores: 28.97 yA 0.026 0.00873 1 0.026(1.008 28. (kg/kmol) M 18.01644 kmol 28.02 y MB = 28.prom ' Yprom 1.6879 1 0.02 8 12 1 2 1 0.97 21 1 18. MA = 18.9007) 0.026 yB 1 0.9033 y121 y222 0.008 2 28.1578 3 0.97 1 18.026(1) 0.02 0.974 Peso molecular.0158 1 1 0.01644 2 2 kg aire sec o t G.02 28.974 mezcla.974(1) 1.9033 1.2 (Consta Novela: Fenómenos de transporte) Viscosidad.prom Con los datos: Sustancia H2O(v) Aire Fracción molar y 0.576 106 0.97 De la tabla 2.01644 kg 28.0242 0.1065 Luego: y111 y212 0.t G1 t G 2 38 20 29º C 302º K 2 2 kg agua Y ' Y2' 0.9007 2 4 1.8 106 kg 15.02 12 1 28.0158 x10-3 .974 15.(kg/m s) ($) µ 0.97 8 1 28.97 1 2 4 0.02 1 y A 28.0158 2 18.02 1 0. 30258509 -0.2 LN(f) -0.16 0.61618614 -0.79175947 2.41 0.3711 0.A rAB Para el H2O(v): B K K 809.2039728 0.2 f(x) = 0.2 AB 252.32850407 -0.4 -0.4 0.0.38629436 -0.91629073 -0.32 0 -0.1 78.1º K.3711 nm Para el aire: rA rB 0.14842001 -0.38 1.3 1.5 -1 -0.06x^2 .69314718 1.8 -1 -1.5 .54 0.47 -0.3 1 1.72 0.0.82098055 6 10 0.2641 nm 78.96 0.18 K Graficamos los datos de la tabla 2.44 1.2641 0.5 0 0.3176 nm 2 2 AB A B 809.2 -1.6 252.89159812 -0.51082562 0 0. rA 0.67 AB Fig : f 1 1 M A M B Luego: 1 2 1 1 18.04082199 -0.6 -0.6º K.01x^3 + 0.75502258 4 0.96758403 0.5 LN( kT/e ) K T 0.3074847 1.4 0.36 -1.6 1 2 3 1.5 2 2.09861229 0.2 0. kT/e f LN(kT/e) LN(f) kTe F 0.18 K K K K KT 302 K 1.670436233 0.2.97 1 2 0.47x .02 28. rB 0. 2707 2 0.3054 kg agua m2 s Tabla 6.0725 m 1.562 dS2 2.Para anillos Raschig de cerámica.0725 2.3211 105 3 m s 0.0496 m 2 1.312kg aire sec o 0.3230 2 1.91 103 m3 m3 L oW L tW L s W De la ecuación (6.36 L' prom 1 1.2706 kg 1.5 del libro TREYBAL .158 kg ms kg m2 2.09 10 737.47 104 0.685kg m s ' ' kg L L 2 1.69): m3 m3 .562 2 0.249 0.3176 2 0.3 101.3681 agua 2 2 s G prom ' L prom ' 2 1.0725 0.21 5.0189 2.3 103 0.312kg aire sec o 0.58 G1' G '2 2 1.0496 m m2 s kg kmol kmol G prom 1.3 302 0.67 m2 s D AB 2.0725 1.376 1.5 1.3433 mezcla s kg aire sec o s s G ' prom G1' 1.D AB 104 1.3433 1.5L ' 6 L tW 0.312 aire sec o 1.312 aire sec o 1. de tamaño nominal 50 mm: dS 0.3802 1.47 10 4 L s W L s W dS1.376 0.0443 2 m s 28.21 2.0242kg H2O( v ) kg kg G1' 1.576 10 6 G 1.3701 kg agua s 1.5L ' 6 L tW 0.508dS0.00873kg H2O( v ) kg kg 1.3211 10 5 SCG D 15.084 0.3230 mezcla s kg aire sec o s s 1.508 0.09 10 737. 68 a 2).195 0.0443 FG 0.195 G 1 L o 0.01299 3 m Tabla 6.72): d L' k L dS 25.195 G SCG 2 3 dS G ' G 1 L o 1.481 35.52.58 2 3 0.36 kmol lbmol 1.303877 - kg m2 s Para anillos de Raschig de 50 mm.85a AW Dado la ecuación (6.5543 2 45.2707 6 15.2707 0.7211 0.481.01299 m3 m3 Tabla 6. L oW 0.29 m a VW 0. (dentro del rango de 0.4 del libro TREYBAL: (Área interfacial) L ' 1.91 10 3 0.5 G a AW m n L ' P Luego: 808 1. m = 31.74 0.75) del libro TREYBAL: m3 0.5543 2 2 m s ft h lbmol 29lb lb k y FG M B 1.3 del libro TREYBAL 0.0725 1.1 S DL L 0.36 0.45 SCL 0.5 L tW L oW .0189 3 2 2 m m 44.0189 5.70): FG 1.85 35.0189 0.8108 3 3 3 m m m 0. P = 0.52 1.8108 m2 m3 a VW 0.74 - Para anillos de Raschig (cerámicos) de 50 mm: L o L t Ecuación (6.108 103 El análogo de la transferencia de calor de la ecuación (6.36 Ecuación (6.158 0 a AW 31.71): L o 0.576 10 1 0.3054 0.5 1. se obtienen: n=0 808 G ' 0.7211 FG SCG 2 3 G dS G ' 1.028 2 ft h lbmol ft h FG 2. 1 103 0.3038 0.07 J 9.43009 C2 C3 0.45 PrL 0.59606 k C1 C2T C3T 2 C4T 3 T en K k enW / m.667 Btu Pendiente lb ky a lb º F 45.59606 k L PrL Luego: Por lo tanto: h L 25. es el coeficiente de transferencia de calor de la fase líquida.73 0.1 S k th L 0.59606 0.45 7.86E-09 289.1cp 1.5 2 h L 4256.73 0.5 Btu h ft 2 º F Btu 750.5 2 hL a h ft º F 16.0057255 -0. K 1.3 t liq 16.7 º C 1.Nu d L ' h L dS 25.0725 1.8º F h L 750.6667º C 2 La Conductividad del H2O(v) se calcula mediante la siguiente ecuación: Conductividad del agua C1 -0.1 0.8166667 k. W/mK 0.1 10 3 Cp 7.3048 m 1K 1º C 2 sm K 1J h ft 1º C 1.1 10 3 kg ms 4187 1.5 Es: En donde hL.484 10 4 Btu 3600 s 0.K H2O a16.000008078 C4 T.028 2 ft h Calculo de la altura de la torre: Por cálculos realizados anteriormente decimos: .0725 1. PrL Evaluación del : 10 23. 0155 kg lb .1514 t L1 23. Ahora graficamos la curva de equilibrio del aire (curva de color celeste): H L1 Curva de equilibrio T.1376 kg lb .8671044 40 12.5162604 80 37.7231558 70 28. H.4627013 45 14. Btu/lb °F 30 9.3911292 55 18.0451001 kg L 1.47579152 35 10. H '2 42187.380 s ' 1 H H 2' 50 40 30 H.H1' 100053. H 2' G S' H 1' 0.0202 1.639 t L2 10º C 50F J Btu 18. kg aire sec o 1.765867 1 90 49.312kgaire sec o s .353211 75 32.5578557 65 24.0202 Luego: kg H 2O s kgagua tranf . H L2 L1' H L1 G S' .333º C 74F J Btu 43.36 0.2925766 50 16.0243 0.00887 0. °F H L2 Posteriormente procedemos a graficar la LINEA DE OPERACIÓN (línea roja): Luego: L'2 .2905627' 85 42. Btu/lb 20 10 0 20 30 40 50 60 70 80 90 T.7978083 60 21. LINEA DE OPERACIÓN °F Btu/lb 74 43. °F Ahora se toman 10 puntos.33 33.6675333 20.2531333 37.67 58 55.0366 71. °F H.4888667 4 66 34. para calcular la altura de este problema.9603333 6 7 8 9 10 60. para luego tomar esos puntos que interceptaron a la curva de equilibrio y realizar el método del TRAPECIO. mientras que cuando se toma pocos puntos el error suele ser bastante): Puntos Se tiene la ecuación: An : Donde: El A1 : n: El T. mejor se acerca a los resultados.67 40. los cuales saldrán de la línea de operación hasta que corte la curva de equilibrio.0174 2 3 71.1376071 50 40 f(x) = 1. Ejem: Para 71. luego graficamos dichos puntos: d: Incremento .69 30 H.667 10 1 Las Entalpías se calcularon con la ecuación de la LINEA DE OPERACIÓN.2531 Y así sucesivamente para todos los datos (consultar el Excel).33 31.9032667 18.33 68.4318 23.139 A n A1 d n 1 último término primer término Número de puntos d 74 50 2.33°F : H 1.33.7246 5 63.33 52.691 40. Btu/lb 20 10 0 20 30 40 50 60 70 80 90 T.67 50 29.1960667 26.04x . (Se tomó 10 puntos porque a mayores puntos. Btu/lb 1 74 43.0155559 50 18. °F HIi.8417.4329957 H i.76426667 61. Luego encontramos los puntos que cortan a la curva de equilibrio.8503831 Ahora usamos el método del trapecio para calcular la altura: 71. se encuentra los puntos requeridos dando temperaturas al azar que corten a la curva de equilibrio.04x .20224085 -0.10771655 -0.8503831 66.76426667 52.08954943 -0.7229338 52.88 17.35503486 0.557 25. Btu/lb: 74.3475996 23.18219896 -2.76426667 58.09944439 -0.37138258 -2.02660049 4.66823662 1.67 Donde el número de color rojo es la temperatura que se da al azar para ver si llega a cortar a la curva de equilibrio.6416894 I f(HI) Altura base 69.76426667 58. Btu/lb: 74.2649399 66.50 40 f(x) = 1. °F27.37 20.28632405 0.557 25.2649399 -0.76426667 55.09684114 -2.16215708 -0.63 18.09189366 -2.0174 16.67 31. puesto que un programa nos evitaría todos estos cálculos al azar. 43.9722654 -0.9723.33. de la siguiente manera: Tomamos el primer punto (74.41548901 0.24174101 -2.1 15.11841734 -0.67 31.2721.11306694 -2.10358047 -2.63 18.4329957 -0.0174).27 Ti.97 29.1384572 -0.3475996 -0.6416894 -0.4409755 -0.12843727 -2.9736179 -0.37 20.08959203 .50364652 0.76426667 63. es por ello la importancia de saber programar en MATLAB.7229338 -0.69 30 H.9722654 21.31254718 0.515624 -0.52 15. Los puntos que cortan a la curva de equilibrio son: Ti.85038 43.46152399 SUMA: Área 0.4409755 -0.515624 29.26769473 0. y el número azul es la Entalpía resultante.28124118 -0.13 61.1 69. Btu/lb 20 10 0 20 30 40 50 60 70 80 90 T.13 Usando 7.76426667 55.09423788 -0.667 74 74.84 71.76426667 50.15030714 -2. ahora lo remplazamos en la ecuación anterior: h a H ' Hi ' L T ' Ti k y a h a Hi ' H ' L T ' Ti ' k y a 31.9736179 27. De la misma manera se hace para los nueve puntos restantes. °F Ahora con la ecuación: h L a H ' H i ' k y a T ' Ti ' Hi ' y Ti Donde: son los puntos a calcular.88 63.25401857 0.76426667 50. 461 m 2.8882m . 707kg m 3s 1 De donde por (7.N tG H 2' H1' dH ' 4. 707 3 ms Por tanto: H tG 1. 0285 2 44.0895 H i' H ' De la ecuación 7.53): Z H tG N tG Z 0. 3048m 3600s kg kya 2. 454kg 1 ft 1h kya 45.0895 Z 1. 29 3 ft h m 1l b 0. 25 kg m 2 s 1 0. 461 m 4.51 es evidente que G' H tG S kya Valor de kya 2 lb m 2 0.