Introducción a las operaciones de separación

HUMIDIFICACIÓN
Humidificación
Problemas
Problema 1*. Se planea enfriar agua de 43,3 ºC a 29,4 ºC en una columna de enfriamiento de agua
empacada en contracorriente usando aire que ingresa a 29,4 ºC con una temperatura de bulbo húmedo
de 23,9 ºC. El flujo de agua es de 9764,9 kg/(h.m2) y el de aire es de 6835,4 kg/(h.m2). El coeficiente
de transferencia de masa global es KYa = 2500 kg/(m3 h ΔY). Calcule: (a) la velocidad mínima de aire
que puede usarse y (b) la altura necesaria de torre si se usa un flujo de aire de 6835,4 kg/(h.m2).
Las líneas de operación-interfase son verticales. Las entalpías de aire saturado con vapor de agua
tienen como referencia agua líquida a 0 ºC.
Temperature (ºC)
H* (kJ/kg a.s.)
Temperature (ºC)
H* (kJ/kg a.s.)
15,6
43,68
37,8
148,2
26,7
84,0
40,6
172,1
29,4
97,2
43,3
197,2
32,2
112,1
46,1
224,5
35,0
128,9
60,0
461,5
Problema 2*. Una torre de enfriamiento de 50 m2 de sección transversal se usa para enfriar agua
desde 42 ºC hasta 29 ºC, que fluye a 425.250 kg/h. El aire ambiente a 32 ºC tiene una temperatura de
bulbo húmedo de 22 ºC y un flujo de 6.000 kg/(h m2). El coeficiente de transferencia de masa total es
KYa = 740,375 kg/(m3 h ΔY). Determine (a) el caudal mínimo de aire y (b) el número de unidades de
transferencia globales referidas a la entalpía de la fase gaseosa. (c) Manteniendo las otras condiciones
invariables, si la temperatura de bulbo húmedo cambia a 25,5 ºC, ¿cuál será la temperatura de salida
del agua?
Datos: Ecuación de Antoine: ln PAsat (bar )  11,96481 
3984,923
, temperatura en K.
T  39,724
La presión total es 1 atm.
PROBLEMA 3. Una planta requiere 54.432 kg/h de agua de enfriamiento para que fluya a través de
los condensadores de sus equipos de destilación. El agua sale de los condensadores a 43 ºC. Se planea
enfriarla para reutilizarla mediante el contacto con aire en una torre de tiro inducido. El agua de
reposición proviene de un pozo a 10 ºC. Las condiciones de diseño escogida son: aire que entra a 29,4
ºC de Tbs., 23,9 ºC de Tbh, y el agua se enfría hasta 5,56 ºC de diferencia con la temperatura de bulbo
húmedo. Se utilizará una relación aire/agua de 1,5 veces la mínima. Para el empaque utilizado, Kya es
3204 kg/(m3·h), siempre que la tasa del líquido sea como mínimo 27,12 kg/(m2·s), y la tasa mínima de
gas 2,03 kg/(m2·s). Calcule el área requerida y la altura del empaque.
PROBLEMA 4. Se desea diseñar una torre de enfriamiento con el objeto de enfriar agua desde 110
ºF hasta 80 ºF por contacto con aire que entra a 120 ºF y Tbh = 70 ºF. La cantidad de aire utilizado es
1,5 veces la cantidad mínima. Suponga que el coeficiente kya = 0,197 GL0,4·GV0,5, donde GL y GV
Problemas de Operaciones Unitarias III – 2016 – Ingeniería Química
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vienen dados en lb/h ft2, la tasa de líquido es 1000 lb/h ft2 y se utilizará 60.000 ft3estándar /h a la
entrada. Calcule para la torre: altura, diámetro y humedad del aire a la salida.
Nota: 1 ft3estándar está medido a 70 ºF y 1 atm.
PROBLEMA 5. En un día particularmente caliente, una torre de enfriamiento de tiro forzado enfría
agua desde 113 °F a 90 ºF por medio de un contacto a contracorriente con aire a 120 ºF y 70 ºF de
temperatura de bulbo húmedo. El aire sale a 101 ºF con una temperatura de bulbo húmedo de 90 ºF. El
caudal de agua es 1000 lb/(h ft2) referido a la sección transversal de la torre. Bajo condiciones
normales de operación, el aire entra a 100 ºF con un 50% de humedad relativa. ¿A qué temperatura
podrían enfriarse 1000 lb/(h ft2) de agua a 113 ºF?
PROBLEMA 6*. Una torre de enfriamiento empacada con cuñas de madera, enfría 63,09 L/s de
agua desde 40,56 ºC hasta 32,22 ºC, usando un tiro forzado a contracorriente de aire que entra a 43,33
ºC y 20% de saturación. Las medidas indican que el aire sale a 35,56 ºC con una temperatura de bulbo
húmedo de 34,44 ºC. El gerente de la planta desea enfriar el agua hasta una temperatura tan baja como
sea posible. Una de las soluciones posibles sería aumentar la proporción de flujo de aire y con respecto
a esta posibilidad se encuentran que la velocidad del ventilador puede ser aumentada sin sobrecargar
los motores de tal forma que el aire fluya a 1,5 veces el valor previamente usado. A un flujo mayor de
gas se presentará inundación de la torre. ¿Cuál sería la temperatura de salida del agua obtenida con
este mayor flujo de aire y cuáles serían las condiciones de salida del aire?
PROBLEMA 7*. En un centro de investigación se opera una torre de enfriamiento a contracorriente
que permite reutilizar el agua de proceso. Un ingeniero de este centro toma los siguientes datos de la
torre de enfriamiento con objeto de aprender más acerca del potencial de operación:
- Condiciones del aire: temperatura de 120 ºF y temperatura de bulbo húmedo de 70 ºF.
- Condiciones del aire en la descarga de la torre de enfriamiento: temperatura de 101 ºF y temperatura
de bulbo húmedo de 96 ºF.
- Condiciones del agua: temperatura de entrada de 113 ºF, temperatura de salida de 90 ºF y flujo de
1000 lb/(h pie2).
- Altura de la torre: 20 pies.
Determine cuáles son los valores de hLa, kYa y hca para esta torre.
PROBLEMA 8. Una torre de enfriamiento de circulación en contracorriente y tiro inducido se
emplea para enfriar 3,8 m3/h de agua desde 43 ºC a 28,3 ºC. La temperatura de bulbo húmedo en la
localidad donde está instalada la torre es de 22,8 ºC. Se ha decidido utilizar la misma velocidad de aire
(kg de aire seco/ min) que de líquido y una velocidad superficial másica (GG’) de 4.888 kg a.s./h m2.
El coeficiente de transferencia de masa estimado, kGa, es de 44,19 kmol/(h m3 atm). Determinar la
altura de relleno y las condiciones del aire de salida necesaria cuando:
(a) La relación hLa / kGa es ∞.
(b) Si la misma relación vale 5.
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PROBLEMA 9. Se ha de utilizar una torre de enfriamiento de tiro forzado para enfriar 68.000 kg/h
de agua de 43 ºC utilizando 56.600 kg de aire seco / h. Se utilizará una temperatura de proyecto para el
termómetro bulbo húmedo de 24 ºC. Suponiendo que la relación hLa/kGa es infinita.
(a) Determinar el número de unidades de transferencia que son necesarias.
(b) Determinar la altura de la torre en estudio.
(c) La humedad y temperatura de la corriente de aire a la salida de la torre.
PROBLEMA 10*. Se desea enfriar un caudal de agua de 400.000 lb/h desde 110 ºF a 83 ºF con aire
en una torre de enfriamiento en contracorriente. La temperatura de bulbo húmedo del aire entrante es
de 73 ºF y se utilizará igual caudal másico de gas que de líquido. El caudal másico superficial de aire
es de 10.000 lb/ (h ft2). Si el coeficiente kYa se estima en 70 lb/(h ft3), calcular:
(a) La altura de la torre si hLa/kYa = ∞.
(b) El diámetro de la torre.
(c) La evolución de aire en la torre si la temperatura del gas entrante es de 100 ºF.
(d) Graficar los perfiles de temperatura y humedad en la cabeza y el fondo de la columna y la
dirección de los flujos de calor sensible y de calor latente.
Valores de entalpía de aire saturado a diferentes temperaturas
(ref.: aire gaseoso y agua líquida a 0 ºC).
T, ºC
0
10
20
30
40
50
60
Hsat, kJ/kg a.s.
9,48
29,36
57,57
100,03
166,79
275,58
461,50
Los problemas marcados con un asterisco (*) deberán llevarse
resueltos a la clase de problemas.
Sitio web: http://www.herrera.unt.edu.ar/operacionesunitarias2y3
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