Torre 2 - Biblioteca

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE
DE TRANSFERENCIA DE MASA EN
TORRES DE ENFRIAMIENTO
TESIS
que para obtener el título de
INGENIERO QUIMICO
Presenta
DULCE PAULINA PADILLA MASCAREÑO
Obregón, Sonora;
Noviembre de 2013
ii
DEDICATORIAS
A Dios:
Por
acompañarme
siempre,
gracias
por
permitirme
terminar mis estudios universitarios de manera satisfactoria
y cumplir una etapa más en mi vida.
A mi papa, José Antonio Padilla Torres:
Por su gran amor y cariño, su orientación y consejos que me
han permitido realizarme como persona, por su gran apoyo
incondicional, Muchas gracias.
A mi familia:
Por su gran cariño, apoyo e interés que siempre me han
demostrado. Porque nunca me han dejado sola, Muchas
gracias.
A mi Novio, Omar Eliezer Leal Acosta:
Por estar siempre conmigo, apoyarme en todo momento,
demostrándome su amor y comprensión.
Gracias.
iii
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto Tecnológico de Sonora:
Por ofrecerme las herramientas para realizar esta etapa de
mi
vida,
contribuyendo
en
mi
formación
profesional.
Gracias.
A las Instituciones: A las instituciones, como lo son Cervecería
Modelo del Noroeste, IMSS (Instituto Mexicano del Seguro
Social), y Casa Ley, que me proporcionaron
información
para colaborar en mi trabajo. Gracias.
A mi Asesor, Mtro. Jorge Saldivar Cabrales
Por su tiempo y disposición en la realización de este trabajo,
orientándome con gran entusiasmo. Gracias.
A mis revisoras, Dra. Edna Meza Escalante y Mtra. Nidia Josefina
Ríos: Por su interés y apoyo en la revisión de este trabajo.
Gracias.
A mis maestros y compañeros:
Por
transmitir
sus
conocimientos,
experiencias
y
orientación durante las horas compartidas en clase. Gracias.
A mis amigos y personas que creen en mí y han estado
conmigo apoyándome. Gracias.
iv
ÍNDICE
DEDICATORIAS .......................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................. iii
ÍNDICE ........................................................................................................................ iv
LISTA DE TABLAS……………………………………………………………….................vi
LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………….viii
RESUMEN……………………………………………………………………………………ix
CAPÍTULO I
I.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1
1.1 Antecedentes ........................................................................................................ 1
1.2 Planteamiento del Problema ................................................................................ 3
1.3 Objetivo ................................................................................................................ 4
1.4 Justificación .......................................................................................................... 4
1.5 Delimitaciones ...................................................................................................... 5
1.6 Limitaciones. ......................................................................................................... 5
CAPÍTULO II
II.
MARCO TEORICO……………………………………………………………………6
2.1 Torres de enfriamiento ........................................................................................ 6
2.1.1 Clasificacion de las torres de enfriamiento ......................................................... 7
2.1.2 Partes internas de las torres de enfriamiento y función del empaque……...10
2.2
Condiciones de Proceso para las torres de enfriamiento .............................. …13
2.3 Diseño de una torre empacada ......................................................................... 15
2.3.1 Empleo de la expresion de velocidad de transferencia de masa ...................... 15
2.3.2 Coeficientes de transferencia de masa…………………………………………….17
v
2.3.3 Definiciones del coeficiente de transferencia de masa……………………….18
CAPÍTULO III
III.
METODO………………………………………………………………………………19
3.1 Objetivo………………………………………………………………………………...19
3.2 Materiales………………………………………………………………………………19
3.3 Procedimiento…………………………………………………………………………20
3.3.1 Realizar búsqueda de lugares que cuentan con torres de enfriamiento para
enfriar agua………………………………………………………………………………….20
3.3.2 Recopilar datos de operación de las torres de enfriamiento………………..20
3.3.3 Realizar los cálculos necesarios para obtener el coeficiente de transferencia
de masa………………………………………………………………………………………21
3.3.4 Numerar las diferentes condiciones ambientales de temperatura y humedad
relativa en
la cual se hicieron las mediciones necesarias para el cálculo del
coeficiente y observar si existe alguna influencia de estos parámetros con respecto al
valor del coeficiente…………………………………………………………………………22
CAPÍTULO IV
IV RESULTADOS Y DISCUSION……………………………………………………….23
4.1 Aplicación de las torres de enfriamiento e importancia en el proceso……………23
4.2 Datos obtenidos e imágenes de las torres de enfriamiento empleadas………….25
4.3 Resultados y cálculos para la obtención del coeficiente de transferencia de
masa………………………………………………………………………………………….27
CAPÍTULO V
5.1 CONCLUSIONES ................................................................................................ 41
5.2 RECOMENDACIONES .......................................... ¡Error! Marcador no definido.
BIBLIOGRAFÍA ............................................................ ¡Error! Marcador no definido.
vi
LISTA DE TABLAS
Número
Nombre de Tabla
Página
1
Entalpias de la mezcla de vapor a la entrada
y salida de la torre H1 y H2 en KJ/KG.
29
2
Humedades absolutas a la entrada y salida de la torre
Y1 y Y2 en kgvapAgua/kgAseco
29
3
Área de Flujo Af en m2.
29
4
Caudal del Aire Qaire en m3/s.
29
5
Área total de la torre At en m2.
30
6
Flujo de Gas seco Gs en Kg/s, flujo másico de aire seco por unidad de
superficie G’s o G/A en Kg/m2-s, flujo másico de agua por unidad de
superficie L/A en Kg/m2-s, y el Caudal de Agua que se recircula en la
torre L en Kg/s o m3/s.
30
7
Flujo de agua que se pierde por evaporación E en Kg/s, que se pierde
por arrastre A en Kg/s, flujo de agua de reposición R en Kg/s, y el
flujo de agua de purga P en Kg/s.
31
8
Balance de sales se obtienen: CR= Cantidad de sales disueltas en
agua de reposición; CP= Cantidad de sales disueltas en agua de
purga.
31
9
Obtención de las unidades de transferencia NtoG
32
10
Número de unidades de transferencia de Casa Ley NtoG.
34
11
Número de unidades de transferencia de IMSS torre 1 NtoG.
36
12
Número de unidades de transferencia de IMSS torre 2.
37
13
Número de unidades de transferencia NtoG.
39
14
Coeficiente de transferencia de masa KyA en Kg/m3-s.
40
vii
LISTA DE FIGURAS
Número
Nombre de la figura
Página
1
Torre de Tiro Forzado.
9
2
Torre Atmosférica.
9
3
Torre Tiro inducido contracorriente.
9
4
Tiro inducido flujo transversal.
9
5
Tiro Natural.
10
6
Algunos empaques al azar para torres.
11
7
Empaques regulares o amontonados.
13
8
Nomenclatura para los balances de materia en un absorbedor o
separador de torre empacada.
16
9
Definición del coeficiente de transferencia de masa
18
10
Hoja de datos.
22
11
Sistema de Refrigeración para IMSS, Casa Ley.
25
12
Diagrama de proceso de Cervecería Modelo.
26
13
Tiro inducido a contracorriente IMSS torre 2.
27
14
Tiro inducido a contracorriente Casa Ley.
27
15
Tiro inducido a contracorriente Cervecería.
28
16
Tiro inducido a flujo transversal IMSS.
28
17
Línea de operación del sistema en Cervecería.
33
viii
18
Número de Unidades de transferencia del sistema en Cervecería.
33
19
Línea de operación del sistema en Casa Ley.
35
20
Número de Unidades de transferencia del sistema en Casa Ley.
35
21
Línea de operación del sistema en IMSS torre 1.
36
22
Número de Unidades de transferencia del sistema en IMSS torre 1.
37
23
Línea de operación del sistema en IMSS torre 2.
38
24
Se calcula el número de unidades de transferencia de IMSS torre 2
38
ix
RESUMEN
El presente trabajo se desarrolló mediante mediciones llevadas a cabo en diversas
torres de enfriamiento, ubicadas en la localidad de Ciudad Obregón, Sonora, para la
obtención del coeficiente de transferencia de masa o también llamado de rapidez,
que es útil para observar la rapidez con la cual un componente se transfiere de una
fase a otra. La obtención del coeficiente de transferencia de masa es importante para
lograr controlar la eficiencia del proceso y sobretodo el costo energético de las
empresas.
El presente trabajo tiene como objetivo “Determinar el coeficiente de transferencia de
masa de diferentes torres de enfriamiento de la localidad, con la finalidad de
comparar la situación en la cual están operando actualmente y proponer mejoras al
sistema que involucra el agua de las torres de enfriamiento”.
Se realizaron mediciones en IMSS (Instituto Mexicano del Seguro Social), donde se
analizó dos torres, en Cervecería Modelo del Noroeste analizando una torre al igual
que en Casa Ley con una torre, adquiriéndose en cada lugar la recopilación de datos
de la operación de las torres de enfriamiento, y obteniéndose mediante cálculos el
coeficiente de transferencia de masa.
Los valores obtenidos de los coeficientes para cada torre fueron: IMSS (torre 1)
0.1281 kg/m3s, IMSS (torre 2) 0.8251, Cervecería Modelo 0.3289 kg/m3s, y Casa Ley
0.9828 kg/m3s. Observándose que en Casa Ley se obtuvo el valor del coeficiente
más alto, enseguida la torre 2 de IMSS, es importante señalar que el empleo del
agua de las torres de IMSS y Casa Ley es similar, ya que, ambas son utilizadas para
la refrigeración de edificios, requiriendo temperaturas similares del agua de
enfriamiento en los dos lugares mencionados anteriormente.
Al terminar este proyecto concluimos en que se cumplió con el objetivo planteado ya
que, se calcularon los coeficientes de transferencia de masa para todas las torres de
enfriamiento estudiadas, trayendo beneficios en el sector energético y productivo de
las empresas mencionadas con anteriodad.
I. INTRODUCCIÓN
En este primer capítulo se presentan antecedentes sobre los fundamentos de
transferencia de masa e información recopilada previamente acerca del coeficiente
de transferencia de masa, donde se describe cuales son las necesidades de contar
con dicho coeficiente y su situación actual en relación a los procesos de transferencia
de masa, planteándose así la problemática a abordar, el objetivo propuesto, la
justificación y finalmente las limitaciones del presente trabajo.
1.1
Antecedentes
Las operaciones de transferencia de masa concentran su importancia desde el punto
de vista químico industrial, ya que es muy difícil encontrar un proceso químico que no
requiera previamente la purificación de la materia prima o un producto intermedio, o
simplemente separar el o los productos finales del proceso de sus subproductos.
Las mismas casi siempre van acompañadas de operaciones de transferencia de
calor y del movimiento o flujo de fluidos. Las operaciones de transferencia de masa
están presentes en la producción de fertilizantes, la industria azucarera, la
producción de ácidos sulfúrico y clorhídrico, las refinerías de petróleo, etc.
2
Estas operaciones se caracterizan por la transferencia a escala molecular de una
sustancia a través de otra, al clasificar las operaciones de transferencia de masa este
estudio se concentrará en la que es de interés para este trabajo, la cual es la
Operación de Transferencia de Masa Gas-Liquido.
Si la fase líquida es un líquido puro que sólo contiene un componente, mientras que
la gaseosa contiene dos o más, la operación se conoce como humidificación o
deshumidificación, según el sentido de la transferencia (he aquí la excepción que se
mencionó antes). Por ejemplo, el contacto entre aire seco y agua líquida da como
resultado la evaporación de parte del agua al aire (humidificación del aire). Al
contrario, el contacto entre aire muy húmedo y agua líquida pura tiene como
resultado la condensación parcial de la humedad del aire (deshumidificación). En los
dos casos, se trata de la difusión de vapor de agua a través del aire (Treybal, 1993).
Las operaciones de humidificación y deshumidificación implican transferencia de
materia entre una fase líquida pura y un gas permanente que es insoluble en el
líquido.
Los procesos de humidificación y deshumidificación forman parte muy importante en
las plantas industriales. Son parte de diferentes aplicaciones que van desde el
enfriamiento de agua en pozos petrolíferos, hasta la aplicación en centrales
nucleares y termoeléctricas. En la mayoría de los procesos donde se requiera
suministrar o retirar cierta cantidad de calor, contacto de la corriente de líquido con
gas seco y/o húmedo plantea una solución al proceso. En la humidificación se
transfiere calor y líquido hacia el gas. Puede llevarse a cabo para controlar la
humedad presente
dentro
de
un
espacio,
o
más
frecuentemente,
para
enfriar y recuperar el agua de los sistemas de enfriamiento. La deshumidificación es
el proceso inverso y se practica frecuentemente como uno de los pasos necesarios
en los sistemas de acondicionamiento de aire. Para realizar este tipo de operaciones
unitarias se puede utilizar cualquier equipo que permita un buen contacto entre el gas
3
y el líquido, tales como torres con platos, torres y cámaras de aspersión de líquido,
torres de paredes mojadas, torres empacadas, siendo estas últimas las más
comúnmente utilizadas. Teóricamente, en los procesos de humidificación, se habla
de la existencia de una interfase, entre el líquido y el gas, en la cual ocurre la
transferencia de masa, calor sensible y latente hacia el gas, para el caso de un
proceso de enfriamiento de agua. El vapor de agua se difunde de la interfase hacia el
gas con una fuerza impulsora en la fase gaseosa (Hi – Hg) kg de H2O/kg de aire
seco. No hay fuerza impulsora para la transferencia de masa en la fase líquida,
puesto que el agua es un líquido puro (Beltrán, 2011).
Un coeficiente es un número que expresa un cambio en relación con las condiciones
en que se produce, como lo es el Coeficiente de Transferencia de Masa o también
llamado de rapidez, que es útil para observar la rapidez con la cual un componente
se transfiere de una fase a otra. Este coeficiente es de gran importancia ya que con
él se regula la rapidez con la cual se alcanza el equilibrio y se controla el tiempo que
se necesita para la separación, el tamaño y por último el costo del equipo a utilizar.
1.2 Planteamiento del Problema
En México, los procesos de transferencia de masa han venido avanzando y
diversificándose en los últimos años. Esto, ha traído como consecuencia un mayor
uso de equipos donde se utilizan los procesos de transferencia de masa.
Actualmente se presentan problemas con la operación de dichos equipos, ya que no
se cuenta con información confiable para su diseño, y operación, por lo que, es
necesario para los diversos sectores de la industria, saber con precisión y certitud
cuales son las condiciones en las que están operando los equipos, según las
condiciones que se requieran y de esta manera establecer un control, y si fuera el
caso realizar alguna mejora en el sistema.
4
1.3 Objetivo
Determinar el coeficiente de transferencia de masa de diferentes torres de
enfriamiento de la localidad, con la finalidad de comparar la situación en la cual están
operando actualmente y proponer mejoras al sistema que involucra el agua de las
torres de enfriamiento.
1.4 Justificación
El manejo deficiente de los resultados que se obtienen comúnmente en las industrias
sobre la operación de torres de enfriamiento constituye un factor importante para
controlar la eficiencia del proceso y sobretodo el costo energético. Por lo mismo, es
necesario tener información confiable, ya que en estos días no se cuenta con datos
recientes y reales confiables que nos ayuden a la realización del diseño de los
equipos.
Los resultados de esta investigación beneficiarán a las empresas en las que se
realizaron las pruebas experimentales trayendo mejoras en el sector energético,
sobretodo en el sector productivo.
Este trabajo será de utilidad además para contar con información confiable y reciente
para posteriores diseños en sistemas de enfriamiento.
1.5 Delimitaciones
La investigación está delimitada a los siguientes factores:
-
La investigación se desarrolla en torres de enfriamiento de Empresas y
Organizaciones cercanas a la localidad.
-
En la investigación participaron los ingenieros de las empresas de estudio y
los equipos e instrumentos de medición tanto proporcionados en el Instituto
5
Tecnológico de Sonora (ITSON), así como el equipo de estudio de las empresas, en
este caso se refiere específicamente a las torres de enfriamiento.
1.6 Limitaciones.
Al realizar el trabajo se encontró como limitante que no se cuenta con información
suficiente y confiable del coeficiente de transferencia de masa en la bibliografía del
tema y las páginas web, debido a que son escasas las investigaciones
experimentales de este coeficiente, y si las hay no están muy al alcance, es decir, es
información que se mantiene confidencial.
De la información que se encuentra en páginas web, la mayoría no se relaciona con
el tema de estudio, es decir, se emplea para situaciones que no implican torres de
enfriamiento empacadas.
II. MARCO TEÓRICO
El siguiente capítulo contiene información relacionada al objeto de estudio de la
presente investigación. En el se presenta información respecto a investigaciones o
conocimientos que se tienen acerca de torres de enfriamiento y del coeficiente de
transferencia de masa, en donde toda fuente de información se encuentra en la
literatura.
2.1 Torres de Enfriamiento
Posiblemente la aplicación más notable de un aparato que opera con contacto
directo entre un gas y un líquido, es la torre de enfriamiento. Las torres de
enfriamiento se emplean para poner en contacto agua caliente que proviene de los
sistemas de enfriamiento de procesos con aire para el propósito de enfriar el agua y
poder usarla de nuevo en el proceso. Una torre de enfriamiento reduce
ordinariamente los requerimientos de enfriamiento de agua por cerca de 98%, aun
cuando hay alguna contaminación natural causada por la saturación del aire con el
vapor de agua (Kern, 1999).
7
El aire y el agua son sustancias de bajo costo, y cuando se deben manejar
volúmenes grandes, como en muchas operaciones de enfriamiento de agua, es
esencial el equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido. En
algunos lugares, la armazón y el empaque interno son de abeto de Douglas, o bien
de pino, material que es muy durable cuando se tiene un contacto continúo con agua.
Las torres de enfriamiento se utilizan con mayor frecuencia, en especial para grandes
cargas de enfriamiento (Foust y col., 2006).
2.1.1 Clasificación de torres de enfriamiento
Las torres de enfriamiento se clasifican de acuerdo con los medios por los que se
suministra el aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar
gran superficie de contacto entre al aire y el agua.
 Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre
mediante un abanico situado en la parte superior de la torre.
Torres de
Tiro mecánico
 Tiro forzado: El aire se fuerza por un abanico en el fondo de
la torre y se descarga por la parte superior.

Atmosféricas: Aprovecha las corrientes atmosféricas
de aire, este penetra a través de rompe vientos en
una sola dirección, cambiando con las estaciones del
año y las condiciones atmosféricas.
Torres de
8
Circulación natural
 Tiro natural: Operan de la misma manera que una
chimenea de un horno. La diferencia entre la
densidad del aire en la torre y en el exterior originan
un flujo natural de aire frío en la parte inferior y una
expulsión del aire caliente menos denso en la parte
superior.
(Kern, 1999).
Es común la impregnación de la madera, bajo presión, con fungicidas como creosota,
pentacloro fenoles, cromato ácido de cobre y similares. Generalmente, el entablado
de los costados de la torre es de pino, cemento de asbesto, poliéster reforzado con
vidrio y similares. Se han construido torres completamente de plástico. Las torres de
tiro mecánico pueden ser del tipo de tiro forzado (figura 1), en donde el aire se
empuja en la torre mediante un ventilador en el fondo. Estas torres están sujetas
particularmente a la recirculación del aire caliente y húmedo que es descargado,
dentro de la toma del ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que
materialmente reduce la efectividad de la torre. En el tipo de tiro forzado (figura 1) el
aire entra a través de una abertura circular mediante un abanico, y debido a esto se
debe suministrar una altura de torre y su volumen correspondiente de relativa
inefectividad, que se usa como entrada de aire (Treybal, 1993).
9
Figura. 1 Torre de Tiro Forzado.
De las torres de circulación natural (figura 2 y figura 5), en las torres atmosféricas se
depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire. El diseño de
corriente natural asegura un movimiento más positivo del aire aún en tiempo
tranquilo, al depender del desplazamiento del aire caliente dentro de la torre
mediante el aire externo más frío. Se requieren entonces chimeneas bastante
elevadas. En la torre atmosférica (figura 2), las corrientes penetran a todo el ancho
de la torre, las torres se hacen muy angostas en comparación con otros tipos, y
deben ser muy largas para una capacidad igual.
Figura. 2 Torre Atmosférica.
Las torres de tiro natural (figura 5) deben ser altas para promover el efecto de las
densidades, deben tener una sección transversal grande debido a la baja velocidad
con que el aire circula comparada con las torres de tiro mecánico (McCabe y col.,
1991; Treybal, 1993).
10
Figura. 5 Tiro Natural
Los dos tipos de torre deben ser relativamente altos, con el fin de trabajar a una
pequeña aproximación a la temperatura de bulbo húmedo. En general, el equipo de
corriente natural se utiliza en la zona sudoeste de Norte América Medio Oriente, en
donde la humedad es generalmente baja, en ciertas partes de Europa en donde las
temperaturas del aire son generalmente bajas y, con mayor frecuencia, en todas las
partes en que este aumentando el costo de energía para la potencia del ventilador
(Treybal, 1993).
En las torres de tiro inducido (figuras 3 y 4), las cuales tienen el ventilador en la
parte superior que
permite una distribución interna más uniforme del aire, se
muestra a continuación los parámetros más importantes en torres de tiro inducido: el
flujo del liquido está generalmente en el rango L’ = 0.7 a 3.5 kg/m2 * s (500 a 2 500
lb,/hft’); el flujo del aire superficial esta en el rango de GS = 1.6 a 2.8 kg/m2 . s (1 200
a 2 100 lb,/h ft2), en donde la caída de presión del gas es generalmente menor de
250 N/m2 (25 mm H,O). Si el nublado es excesivo, se pueden utilizar
intercambiadores de calor de tubo aletados para evaporar la niebla con el calor de
agua que se va a enfriar (Treybal, 1993).
11
En las torres de tiro inducido (figuras 3 y 4), el aire puede entrara a lo largo de una o
más paredes de la torre y, como resultado, la altura requerida de la torre para
entrada del aire es muy pequeña (Kern, 1999).
Figura. 3 Torre Tiro inducido contracorriente. Figura. 4 Tiro inducido flujo transversal
2.1.2 Partes internas de las torres de enfriamiento y función del empaque
Si el agua pasa a través de una boquilla capaz de producir pequeñas gotas, se
dispondrá de una gran superficie para el contacto de agua-aire. Puesto que la
interfase agua-aire es también la superficie de transferencia de calor, el uso de la
boquilla permite alcanzar buenos niveles de eficiencia por metro cúbico de aparato
de contacto.
La función del empaque es aumentar la superficie disponible en la torre ya sea
distribuyendo el líquido sobre una gran superficie o retardando la caída de las gotas
a través del aparato. En la torre de enfriamiento, debido a los requerimientos de
grandes volúmenes de aire y pequeñas caídas de presión permitidas, es costumbre
usar largueros de madera de sección rectangular o triangular, que dejan la torre
sustancialmente sin obstruir. El empaque, es casi exclusivamente fabricado en
12
cualquiera de las dos formas y su propósito es interrumpir el descenso del líquido
(Geankoplis, 1998; Kern, 1999).
Por lo general estas torres se construyen de madera con cubiertas múltiples de
tablillas. También se han llegado a utilizar materiales tales como el aluminio, acero,
ladrillo, concreto, tablero de asbesto y después vino el papel impregnado y por ultimo
rellenos modulares laminares de PVC. Para evitar la corrosión se utilizan materiales
de construcción inertes tales como pino, acero inoxidable y porcelana (Foust y col.,
2006).
El empaque de plástico puede ser polipropileno, moldeado en forma de enrejado o
alguna otra forma. El espacio vacío es muy grande, generalmente mayor del 90%,
con el fin de que la caída de presión del gas sea lo más pequeña posible. En
consecuencia, la interfase aire-agua no solo incluye la superficie de las películas
líquidas que humedecen los enrejados (u otro empaque), sino también la superficie
de las gotas que caen como lluvia desde cada fila de empaque hacia la siguiente.
Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la
instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. En el pasado se utilizaron
materiales fácilmente obtenibles; por ejemplo, piedras rotas, grava o pedazos de
coque; empero, aunque estos materiales resultan baratos, no son adecuados debido
a la pequeña superficie y malas características con respecto al flujo de fluidos.
Actualmente, son fabricados los empaques al azar más utilizados; los tipos más
comunes se muestran en la figura 6 (Treybal, 1993).
13
Figura 6 Algunos empaques al azar para torres (McCabe 1991, Treybal 2006).
Según se muestra, los anillos de Rasching son cilindros huecos, cuyo diámetro va de
6 a 100 mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner
en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico;
de carbón, que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales o de
plásticos. Los plásticos deben escogerse con especial cuidado, puesto que se
pueden deteriorar rápidamente y con temperaturas apenas elevadas, con ciertos
solventes orgánicos y con gases que contienen oxígeno.
Los empaques de hojas delgadas de metal y de plástico ofrecen la ventaja de ser
ligeros, pero al fijar los límites de carga se debe prever que la torre puede llenarse
inadvertidamente con líquido. Los anillos de Lessing y otros con particiones internas
se utilizan con menos frecuencia. Los empaques con forma de silla de montar, los de
Berl e Intalox y sus variaciones se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75 mm; se
fabrican de porcelanas o plásticos. Los anillos de Pall, también conocidos como
Flexirings, anillos de cascada y, como una variación, los Hy-Pak, se pueden obtener
14
de metal y de plástico. Los Tellerettes y algunas de sus modificaciones se pueden
conseguir con la forma que se muestra y en plástico. Generalmente, los tamaños
más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y
mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por unidad
de volumen. A manera de orientación general: los tamaños de empaque de 25 mm o
mayores se utilizan generalmente para un flujo de gas de 0.25 m3/s, 50 mm o
mayores para un flujo del gas de 1 m3/s. Durante la instalación, los empaques se
vierten en la torre, de forma que caigan aleatoriamente; con el fin de prevenir la
ruptura de empaques de cerámica o carbón, la torre puede llenarse inicialmente con
agua para reducir la velocidad de caída (Treybal, 1993).
Figura 7. Empaques regulares o amontonados.
2.2
Condiciones de proceso para las torres de enfriamiento
Desde el punto de vista de corrosión de tubos, 120ºF es la máxima temperatura a la
que el agua de enfriamiento sale normalmente. Cuando la temperatura del agua está
15
sobre 120ºF se puede utilizar un enfriador 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 de enfriamiento corresponde a la temperatura de bulbo
húmedo del aire. La diferencia entre la temperatura de agua a la salida de la torre y
la temperatura de bulbo húmedo se llama aproximación.
Una de las características discutibles en las torres de enfriamiento se conoce como
fogging, 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 (Kern,
1999).
La absorción de gas es una operación unitaria en la cual los componentes solubles
de una mezcla gaseosa se disuelven en un líquido. La operación inversa, llamada
separación o desorción, se utiliza cuando se quieren transferir los componentes
volátiles de una mezcla liquida a un gas.
Los aparatos utilizados para poner en contacto una corriente gaseosa con una liquida
en forma continua puede ser una torre empacada, rellena con material de empaque
sólido regular o irregular, una columna de platos que contiene varios platos
perforados o de burbuja y tapón, una torre o cámara vacía, donde se rocía el liquido,
una columna de paredes húmedas o un recipiente con agitación o rocío.
Los tres pasos principales incluidos en el diseño de una torre de absorción o
separación son:
1.- Los datos de las relaciones de equilibrio vapor-liquido del sistema se utilizan para
determinar: a) la cantidad de líquido necesaria para absorber la cantidad requerida
de los componentes solubles del gas, o b) la cantidad de gas necesaria para separar
la cantidad requerida de los componentes volátiles de un líquido.
16
2.- Los datos sobre la capacidad de manejo de vapor y liquido del equipo
considerado se utiliza para determinar el área de la sección transversal requerida y el
diámetro del equipo a través del cual van a fluir las corrientes de gas y liquido. La
consideración de los factores económicos incluidos muestra que es deseable fijar las
velocidades de los fluidos muy por debajo de los valores máximos que se pueden
utilizar.
3.- Los datos de equilibrio y los balances de materia se utilizan para determinar el
número de etapas de equilibrio (platos teóricos o unidades de transferencia)
requeridas para la separación deseada. El tiempo de contacto requerido entre las
corrientes que fluyen o la altura necesaria de la torre se pueden calcular si se
dispone de los datos para la velocidad especifica de transferencia de materia entre
las fases liquida y gaseosa, expresada en términos de eficiencia del plato o como
altura de una unidad de transferencia.
La transferencia de materia entre fases es importante en la mayor parte de los
procesos en los que están incluidos gases y líquidos. Cuando un líquido puro se
evapora y se convierte en gas, solo es necesario calcular la transferencia de masa
en la fase gaseosa, es decir, la transferencia de masa en la fase liquido puro no está
incluida (Perry R. H., 2001).
2.3 Diseño de una torre empacada
Los métodos para estimar la altura de la sección activa de los contactores
diferenciales a contraflujo, como, por ejemplo las torres empacadas y de rocío y los
absorbedores de película descendente se basan en las expresiones de velocidad
que representan la transferencia de masa en la interfase gas-liquido y sobre los
balances de materia, que representan los cambios de composición masiva en las dos
fases a contraflujo.
17
Las expresiones de velocidad están basadas en los principios de la transferencia de
masa en la interfase descritos anteriormente en esta sección. La combinación de
dichas expresiones da por resultado una expresión integral para el número de
unidades de transferencia o ecuaciones íntimamente relacionadas con el número de
platos teóricos (Perry, 1976).
2.3.1 Empleo de la expresión de velocidad de transferencia de masa
En la figura 8 se muestra la sección de una torre empacada de absorción junto con la
nomenclatura que se utiliza para desarrollar las ecuaciones siguientes. En una
sección diferencial dh se puede igualar la velocidad a la que se pierde el soluto de la
fase gaseosa con la velocidad a la que dicho soluto es transferido a través de la fase
gaseosa, hasta la interfase, como sigue:
ecuación 1.
Cuando solo se transfiere un componente,
ecuación 2.
Al sustituir esta relación en la ecuación (1) y reacomodar términos se obtiene,
GM2
y2
LM2
x2
Torre
empacada
dh
18
y1
GM1
x1
LM1
Figura 8. Nomenclatura para los balances de materia en un absorbedor o separador
de torre empacada.
ecuación 3.
ecuación 4.
-
-
Para esta derivación se utiliza la expresión de velocidad en la fase gaseosa NA =kG
(y-yi) y al integrar en toda la torre se obtiene,
ecuación 5.
La expresión general dada por la ecuación (4) es más compleja de lo requerido, pero
debe utilizarse cuando el coeficiente de transferencia de masa varía de punto a
punto, como puede ser el caso cuando el gas no es diluido o cuando la velocidad del
gas varía a medida que este se disuelve. Los valores de yi que se pueden utilizar en
la ecuación (4) dependen de la composición local del líquido xi y de la temperatura.
Esta dependencia se representa mejor al utilizar las líneas de operación y equilibrio,
como se analiza posteriormente (Perry, 1976).
2.3.2 Coeficientes de transferencia de masa
Muy a menudo no nos interesamos en una descripción detallada del proceso y aun
cuando podríamos estarlo, puede no ser factible un modelo detallado. Por lo tanto,
estamos alentados a buscar un medio conveniente de describir el proceso de
19
transferencia de masa. Dado que el flujo es proporcional al gradiente de
concentración, definamos un coeficiente de transferencia de masa empírico de una
manera similar a la transferencia de calor.
Consideremos la difusión a régimen permanente del soluto A, a través de una
membrana, como se muestra en la figura 9. Después de que el soluto se difunde a
través de la membrana, es arrastrado de la superficie externa por una corriente
gaseosa. Un coeficiente de transferencia de masa para la transferencia del
componente A en la corriente libre se define en términos de la difusión de la interfase
por la expresión (6):
k c* 
D(C A / Z ) Z 0
JA

C A1  C A
C A1  C A
(6)
M
Donde k c* es el coeficiente de transferencia de masa. La concentración C A se
evalúa en la corriente libre que fluye sobre la superficie y C A1 es la concentración en
la superficie, pero en la fase del fluido.
La ecuación (6) se puede escribir de la misma forma que la ley de enfriamiento de
Newton, donde k c* es análogo al coeficiente de transferencia de calor convectivo.
N A  k c* (C A1  C A )
(7)
CA∞
CA
1
Gas A
20
Figura 9 Definición del coeficiente de transferencia de masa
La expresión anterior se limita para velocidades de transferencia de masa baja en las
que el flujo de bulto se desprecia y el perfil de concentraciones no se deforma.
Obviamente, la ecuación anterior no toma en cuenta ni el caso en el que los fluidos
en la corriente libre se difunden en contracorriente a la especie A ni el caso de
velocidades de flujo altas. En este cápitulo la ecuación (7) se amplia para incluir una
variedad de situaciones físicas y se presentaran modelos teóricos para el coeficiente
de transferencia de masa (Welty y col., 2012).
2.3.3
Definiciones del coeficiente de transferencia de masa
Se pueden encontrar formas sencillas del coeficiente de transferencia de masa al
considerar la evaporación a régimen permanente de un solo componente A en un
gas. Aunque solo un componente individual se evapora, se debe conocer la
información con respecto a la transferencia del gas B. Dos casos que se pueden
usar para derivar valores teóricos para el coeficiente de transferencia de masa son la
contradifusión equimolar y la difusión de un solo componente (Hines & Maddox,
1987).
III. MÉTODO
En este capítulo se describe el objeto de estudio del proyecto, los materiales que se
utilizan para llevarlo a cabo y el procedimiento desarrollado que permitió alcanzar el
objetivo planteado.
3.1 Objetivo
El objeto bajo estudio del proyecto son las condiciones de operación de las diferentes
torres de enfriamiento de la localidad, con el fin de obtener el coeficiente de
transferencia de masa de cada una de las torres.
3.2 Materiales
A continuación se enlistan todos aquellos materiales empleados para llevar a cabo el
proyecto, dando una breve explicación de para que se utilizaron.
1. Psicrómetro o higrómetro: utilizado para medir las temperaturas y
humedades relativas del aire a la entrada y salida de la torre.
2. Anemómetro: Este equipo fue usado para tomar la velocidad del aire a la
salida.
3. Termómetro: Equipo usado para medir la temperatura de entrada y salida
del agua.
22
4. Cinta métrica: Usada para tomar las mediciones de cada dimensión de la
torre.
5. Rotámetro: Aparato utilizado para obtener el caudal de flujos de agua.
6. Recipientes: Recipientes plásticos pequeños para muestra de agua.
3.3 Procedimiento
En este apartado se describirá a detalle cada uno de los pasos seguidos para
alcanzar el objetivo fijado.
3.3.1 Búsqueda de lugares que cuentan con torres de enfriamiento para enfriar
agua.
Para realizar esta búsqueda se tuvo que identificar primero en que lugares es
necesario el contar con torres de enfriamiento, eliminando aquellas que utilicen
amoniaco ya que no cumplía con el objetivo del trabajo, investigándose se
encontraron los siguientes lugares como lo fueron: IMSS, Cervecería Modelo del
Noroeste, y Casa Ley, por lo que una vez que se verificó que sí se tenían las torres
de enfriamiento necesarias para el proyecto, realicé las visitas pertinentes.
3.3.2 Recopilación datos de operación de las torres de enfriamiento.
Los datos de operación de las torres de enfriamiento se recopilaron mediante una
hoja de datos. La mayoría de los apuntes necesarios se pudieron tomar al momento
de la visita a la empresa, pero en algunas ocasiones no se encontraban al alcance
de obtenerlos; en este caso, se obtenía la información por medio de los encargados
del lugar o bien se realizaba una prueba a laboratorio para obtención de la
información necesaria. En la
obtención de datos.
figura 10 se muestra la hoja empleada para la
23
Figura. 10 Hoja de datos.
3.3.3 Obtención del coeficiente de transferencia de masa.
A continuación se describirán los puntos llevados a cabo para la obtención del
coeficiente de transferencia de masa.
1. Se obtienen entalpias de la mezcla de vapor a la entrada y salida de la torre,
H1 y H2 en KJ/Kg.
2. Se obtienen humedades absolutas a la entrada y salida de la torre, Y1 y Y2 en
KgvapAgua / KgAseco.
3. Se calcula el Área de Flujo, Af en m2.
4. Se calcula el Caudal del Aire, Qaire en m3/s.
24
5. Se calcula el área total de la torre, At en m2.
6. Se calcula el flujo de Gas seco, Gs en Kg/s.
7. Se calcula el flujo másico de aire seco por unidad de superficie, G’s o G/A en
Kg/m2-s.
8. Se calcula el flujo másico de agua por unidad de superficie, L/A en Kg/m2-s.
9. Caudal de Agua que se recircula en la torre, L en Kg/s o m3/s.
10. Se calcula el flujo de agua que se pierde por evaporación, E en Kg/s.
11. Se calcula el flujo de agua que se pierde por arrastre, A en Kg/s.
12. Se calcula el flujo de agua de reposición R en Kg/s.
13. Por balance de agua se obtiene el flujo de agua de purga, P en Kg/s.
14. Por balance de sales se obtienen: CR= Cantidad de sales disueltas en agua de
reposición; CP= Cantidad de sales disueltas en agua de purga, las cuales se
determinan también con un conductímetro.
15. Se calcula el número de unidades de transferencia, NtoG.
16. Se obtiene el coeficiente de transferencia de masa, KyA.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En el presente capítulo se muestran los resultados obtenidos de la aplicación
de cada una de las actividades descritas en el capítulo anterior.
4.1 Aplicación de las torres de enfriamiento e importancia en el proceso.
El uso que se le dan a las torres de enfriamiento es similar para los diferentes
lugares de estudio, este equipo tiene la finalidad de acondicionar el agua que se
alimenta para que ésta cumpla con otra función dentro del condensador, y mediante
la ayuda de equipos como se muestran en la figura 11, cumplir con el objetivo que es
la refrigeración. Las torres de enfriamiento analizadas se encuentran en:
1. Supermercado Casa Ley Centro. Una torre.
2. Hospitales 1 y 2, de la Unidad Medica Familiar 1, y de la Guardería
IMSS. Dos torres.
3. Cervecería Modelo. Una torre.
Para el caso de la torre de enfriamiento de la cervecería Modelo el uso del
agua de las torres es para el enfriamiento de maquinaria como lo son los
26
compresores y condensadores, estos equipos, tal como se muestra en la figura 12,
trabajan con el agua de las torres de enfriamiento y son equipos indispensables para
el correcto funcionamiento de la planta, principalmente los equipos correspondientes
al área de refrigeración y aire comprimido; el primero para la refrigeración de la
cerveza desde su etapa de fermentación hasta la etapa de reposo, el segundo
debido a que todos los procesos de la planta se manipulan por elementos
neumáticos o mejor conocidos como actuadores neumáticos (electroválvulas,
pistones, bombas neumáticas e inclusive la generación de vapor conlleva el uso de
aire comprimido en su proceso). Además se cuenta con 4 condensadores de placas
de titanio, estos tienen la función de convertir el amoniaco gas en amoniaco líquido.
Es aquí donde entra el uso del agua de las torres de enfriamiento, el agua que se
utiliza es agua recién salida de las torres de enfriamiento donde viene con
temperatura de 22 a 24 grados aproximadamente, y se hace fluir a contraflujo del
amoniaco líquido para realizar un intercambio de calor y condensar el amoniaco.
27
Figura 11 Sistema de Refrigeración para IMSS y Casa Ley.
POZOS
DIAGRAMA DEL PROCESO EN CERVECERIA
RETORNO DE AGUA
PARA ENFRIAMIENTO
LINEA DE ALIMENTACION DE AGUA DE RED
PROCESO DE OSMOSIS
VALVULAS DE CORTE
SISTERNA DE
AGUA DE RED
GRAL
TORRE DE ENFRIAMIENTO
BOMBA DE AGUA
BANCO DE BOMBAS
E-10
E-11
FLOTADOR
SISTERNA DE
AGUA TRATADA
POR OSMOSIS
TANQUE ELEVADO
CONDESADORES
EQUIPO PARA ENFRIAMIENTO
COMPRESORES RECIPROCANTES
Y DE TORNILLO
Figura 12 Diagrama de proceso de Cervecería Modelo.
4.2 Datos obtenidos e imágenes de las torres de enfriamiento empleadas.
En las figuras siguientes se muestran las torres de enfriamiento reales, un
esquema de ellas y se indica, también, los datos que se tomaron de cada torre al
hacer mediciones.
28
Figura 13 Tiro inducido a contracorriente, IMSS torre 2.
Figura. 14 Tiro inducido a contracorriente, Casa Ley.
29
Figura. 15 Tiro inducido a contracorriente, Cervecería.
Figura.16 Tiro inducido a flujo transversal, IMSS.
4.3 Resultados y cálculos para la obtención del coeficiente de transferencia de
masa.
En este apartado se muestran las tablas y gráficos que se elaboraron para obtener
los coeficientes de Transferencia de masa. El procedimiento incluye el manejo de
ecuaciones, el uso de la calculadora psicométrica (G & P Engineering, PsychroCalc),
consultas bibliográficas, consultas a personal de los lugares visitados, el uso de
programas como Word, Excel y Visio. Primeramente, se presenta la tabla 1 que nos
muestra las entalpías de la mezcla de vapor a la entrada y salida de la torre (H1 y
H2) en KJ/Kg.
30
Tabla 1. Entalpías de la mezcla de vapor a la entrada y salida de la torre (H1 y H2).
Cervecería Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
Entalpia del gas de
entrada KJ/Kg
48.75
52.52
52.07
47.92
Entalpia del gas de
salida KJ/Kg
52.55
63
59.03
63.59
Enseguida se tienen las mediciones de humedades absolutas para las diferentes
torres usando el programa Calculadora Psicométrica, obtenidas al introducir la
temperatura bulbo seco “tg1” y la humedad relativa “H.R.”, la humedad absoluta
ayuda a calcular la relación de kilogramos de vapor de agua por cada kilogramo de
aire seco. La tabla 3 muestra los resultados de la medición del área de flujo de gas,
que se utiliza para obtener el caudal volumétrico de gas húmedo, tal como se
muestra en la tabla 4. La tabla 5 muestra los resultados del área transversal al flujo
de aire húmedo que asciende y agua, enfriándose que desciende. La tabla 6, es un
comparativo de los valores reportados en la literatura, con respecto a los valores
obtenidos en las mediciones realizadas en las diferentes torres.
Tabla 2. Humedades absolutas a la entrada y salida de la torre Y1 y Y2.
Cervecería Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
Tabla 3. Área de Flujo Af .
Humedad absoluta entrada
KgvapAgua/KgAseco
0.0076
0.0089
0.0086
0.0074
Humedad absoluta salida
KgvapAgua/KgAseco
0.0095
0.0132
0.0117
0.0145
31
Cervecería Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
Área de Flujo Af
en m2.
9.34
5.31
6.15
1.43
Tabla 4. Caudal del Aire Qaire.
Cervecería Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
Caudal del Aire Qaire en
m3/s.
153.66
88.13
54.80
17.53
Tabla 5. Área total de la torre At.
Cervecería Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
Área total de la torre
en m2.
22.32
19.79
30
7.50
Tabla 6. Flujo de Gas seco Gs en Kg/s, flujo másico de aire seco por unidad de
superficie G’s o G/A en Kg/m2-s, flujo másico de agua por unidad de superficie L/A
en Kg/m2-s, y el Caudal de Agua que se recircula en la torre L en Kg/s o m3/s.(1)
Área Total
(At)
L (Kg/s
Agua)
Gs ( Kg/s
Aire)
L/A
(kgAgua/
s m2)
G/A
(kgAire/s
m2)
Valores del
Rango
Treybal L/A
Comentarios
de las
desviaciones
Valores
Comparación
recomendad con el valor
o por Perry recomendad
L/A
o del Perry.
IMSS (torre 2)
IMSS (torre
1)
Casa Ley
Cervecería
Modelo
32
22,32
34,7
182,09
1,55
8,158
0.7-3.52
19,79
38,44
104,44
1,94
5,277
0.7-3.52
30
35,87
64,94
1,19
2,164
0.7-3.52
7,505
14,13
20,77
1,88
2,767
0.7-3.52
Dentro del
rango
recomendado
por Treybal
(1993)
Dentro del
rango
recomendado
por Treybal
(1993)
Dentro del
rango
recomendado
por Treybal
(1993)
Dentro del
rango
recomendado
por Treybal
1.35-3.391
1.35-3.391
1.35-3.391
1.35-3.391
(1993)
Valores
dentro de lo
recomendad
o por Perry
(1976)
Valores
dentro de lo
recomendad
o por Perry
(1976)
Valor abajo
de lo
recomendad
o por Perry
(1976)
Valores
dentro de lo
recomenda
do por
Perry
(1976)
(Perry, 1976).
Para determinar las cantidades de los flujos másicos de evaporación “E”, arrastre “A”,
reposición “R” y purga “P”, de los cuales algunos de los flujos se pudo conseguir el
dato al realizar la visita, y de los que no pudieron obtenerse se debió hacer un
balance de agua, cuya ecuación utilizada es: P=R-E-A. Todas las variables de esta
ecuación tiene las siguientes unidades Kg/s, en la Tabla 7 se muestran los resultados
de dichos flujos másicos.
Tabla 7. Flujo de agua que se pierde por evaporación E en Kg/s, que se pierde por
arrastre A en Kg/s, flujo de agua de reposición R en Kg/s, y el flujo de agua de
purga P en Kg/s.
Cervecería
Modelo
Casa Ley
Evaporación E
en Kg/s
Arrastre A en
Kg/s
Reposición R
en Kg/s
Purga P en
Kg/s
0,345967887
0,449088021
0,0694
0,076885142
14,5107
2,109573671
14,09533211
1,583600508
33
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
0,201314935
0,147526557
0,071966324
0,028277773
12,93928126
3,975804329
12,666
3,8
En la tabla 8, se muestra un balance de sales, tomando en cuenta las sales que
entran es igual a las sales que salen en la torre, los significados de las variables para
el balance se definen en la tabla inferior, toda variable de esta ecuación tiene las
siguientes unidades KgSales/KgAgua.
BALANCE DE SALES (sales que entran=sales que salen)
Tabla 8. Balance de sales se obtienen: CR= Cantidad de sales disueltas en agua de
reposición; CP= Cantidad de sales disueltas en agua de purga
Cervecería
Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
CR= Cantidad de sales
disueltas en agua de
reposición
(KgSales/KgAgua)
CP= Cantidad de
sales disueltas en
agua de purga
(KgSales/KgAgua)
0,00170442
0,000614947
0,000125474
0,000125474
0,002682
0,000781263
0,000430737
0,000430737
El número de unidades de transferencia NtoG, se determina con la ayuda de los
datos de la tabla 9, con ellos se obtiene la línea de operación de la torre, la curva de
equilibrio donde finalmente se logra el número de unidades de transferencia NtoG.
El área bajo la curva se obtuvo con los valores de las columnas de la tabla 9 con
Entalpia de Equilibrio H’ y la inversa de la diferencia de Entalpia de Saturación H* y
34
Entalpia de Equilibrio H’. Tomando los puntos como si formaran una figura
trapezoidal irregular y el área se saca con la formula de esa misma figura
.
Este procedimiento se muestra en las figuras 17 a 24 para cada una de las torres
analizadas Asimismo, en las tablas 9 a 12 se detallan los cálculos para obtener el
número de unidades de transferencia de masa de cada sistema de enfriamiento.
Tabla 9. Obtención de las unidades de transferencia NtoG de Cervecería Modelo.
–
–
tl
20,6
21,05
21,5
21,95
22,4
22,85
23,3
23,75
24,2
24,65
25,1
H'
48,75
49,10905647
49,46811295
49,82716942
50,1862259
50,54528237
50,90433884
51,26339532
51,62245179
51,98150827
52,55
PsychroCalc
H*
59,66
61,24
62,86
64,51
66,18
67,89
69,64
71,41
73,22
75,07
76,95
H*-H'
10,91
12,13094353
13,39188705
14,68283058
15,9937741
17,34471763
18,73566116
20,14660468
21,59754821
23,08849173
24,4
1/H*-H'
0,09165903
0,08243382
0,07467208
0,06810676
0,06252433
0,05765444
0,05337415
0,04963616
0,04630155
0,04331162
0,04098361
AREA =
Ntog
AREA
0,03125458
0,05945953
0,08509236
0,10854433
0,13011981
0,15005258
0,16854584
0,18576936
0,20185746
0,22581803
0,22581803
El área bajo la curva se obtuvo con los valores de las columnas de la tabla 9 con
Entalpia de Equilibrio H’ y la inversa de la diferencia de Entalpia de Saturación H* y
Entalpia de Equilibrio H’. Tomando los puntos como si formaran una figura
trapezoidal irregular y el área se saca con la fórmula de esa misma figura
.
35
Linea de operación
"Cerveceria"
H* ; H' (Kj/kg)
100
80
60
40
Curva de equilibrio
20
Linea de Operacion
0
20
22
24
26
28
30
Temperatura del Liquido (C)
Figura 17. Línea de operación del sistema en Cervecería.
1/H*-H' (Kg/Kj)
Número de Unidades de transferencia
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
Numero de Unidades de
transferencia
48
49
50
51
52
53
H' (Kj/Kg)
Figura 18. Número de Unidades de transferencia del sistema en Cervecería.
36
Tabla 10. Número de unidades de transferencia de Casa Ley NtoG.
–
PsychroCalc
–
tl
22,7
H'
52,52
H*
67,32
H*-H'
14,8
1/H*-H'
0,06756757
AREA
23,38
24,06
24,74
53,568
54,616
55,664
69,95
72,66
75,44
16,382
18,044
19,776
0,06104261
0,05542008
0,05056634
0,06739173
0,12841818
0,18395507
25,42
26,1
26,78
27,46
28,14
28,82
29,5
56,712
57,76
58,808
59,856
60,904
61,952
63
78,31
81,27
84,31
87,45
90,68
94,01
97,44
21,598
23,51
25,502
27,594
29,776
32,058
34,44
0,04630058
0,04253509
0,03921261
0,03623976
0,03358409
0,03119346
0,029036
AREA = Ntog
0,23471334
0,28126323
0,32409903
0,36363607
0,40022377
0,43416721
0,46572745
0,46572745
De manera similar al proceso anterior, el área bajo la curva correspondiente a la
operación de la torre de enfriamiento de Casa Ley, se obtuvo con los valores de las
columnas de la tabla 10 con Entalpía de Equilibrio H’ y la inversa de la diferencia
de Entalpía de Saturación H* y Entalpía de Equilibrio H’. Tomando los puntos como
si formaran una figura trapezoidal irregular y el área se saca con la formula de esa
misma figura
.
37
H* ; H' (Kj/kg)
Casa Ley
Curva de Equilibrio
Linea de Operacion
Temperatura del Liquido (C)
Figura 19. Línea de operación del sistema en Casa Ley.
Número de Unidades de transferencia
0.08
1/H*-H' (Kg/Kj)
0.07
0.06
0.05
0.04
Numero de Unidades de
transferencia
0.03
0.02
0.01
0
50
55
60
65
H' (Kj/Kg)
Figura 20. Número de Unidades de transferencia del sistema en Casa Ley.
38
Tabla 11. Número de unidades de transferencia de IMSS torre 1 NtoG.
–
PsychroCalc
–
tl
H'
28
28,3
28,6
28,9
29,2
29,5
29,8
30,1
30,4
30,7
31
H*
52,07
52,766
53,462
54,158
54,854
55,55
56,246
56,942
57,638
58,334
59,03
H*-H'
90,01
91,45
92,92
94,41
95,91
97,44
98,99
100,56
102,15
103,76
105,39
37,94
38,684
39,458
40,252
41,056
41,89
42,744
43,618
44,512
45,426
46,36
1/H*-H'
0,02635741
0,02585048
0,0253434
0,02484349
0,02435698
0,02387205
0,0233951
0,02292631
0,02246585
0,02201382
0,02157032
AREA =
NtoG
AREA
0,01816834
0,03598382
0,05344885
0,07057061
0,08735431
0,10380328
0,11992313
0,1357196
0,15119853
0,16636581
0,16636581
Finalmente, el área bajo la curva de las torres de enfriamiento del IMSS se
obtuvieron con los valores de las columnas de las tablas 11 y 12, con Entalpías de
Equilibrio H’ y la inversa de la diferencia de Entalpías de Saturación H* y Entalpías
de Equilibrio H’. Tomando los puntos como si formaran una figura trapezoidal
irregular y el área se saca con la formula de esa misma figura
.
Tabla 12. Número de unidades de transferencia de IMSS torre 2.
–
PsychroCalc
–
tl
24
24,55
25,1
25,65
26,2
26,75
27,3
27,85
H'
47,92
49,487
51,054
52,621
54,188
55,755
57,322
58,889
H*
72,42
74,66
76,95
79,3
81,71
84,18
86,7
89,29
H*-H'
24,5
25,173
25,896
26,679
27,522
28,425
29,378
30,401
1/H*-H'
0,04081633
0,0397251
0,038616
0,03748266
0,03633457
0,0351803
0,03403908
0,03289365
AREA
0,06310421
0,12448447
0,18410777
0,24194357
0,29797547
0,35220885
0,40465065
39
28,4
28,95
29,5
60,456
62,023
63,59
91,94
94,66
97,44
31,484 0,03176216 0,45530848
32,637 0,03064007 0,50420063
33,85 0,0295421 0,55135336
AREA =
Ntog
0,55135336
IMSS (Torre 1)
120
H* ; H' (Kj/kg)
100
80
60
Curva de Equilibrio
40
Linea de Operacion
20
0
27
28
29
30
31
32
Temperatura del Liquido (C)
Figura 21. Línea de operación del sistema en IMSS torre 1.
Número de Unidades de
transferencia
1/H*-H' (Kg/Kj)
0.03
0.025
0.02
0.015
Numero de Unidades
de transferencia
0.01
0.005
0
50
52
54
56
58
60
H' (Kj/Kg)
Figura 22. Número de Unidades de transferencia del sistema en IMSS torre 1.
40
H* ; H' (Kj/kg)
IMSS (Torre 2)
curva de equilibrio
Linea de Operacion
Temperatura del Liquido (C)
Figura 23. Línea de operación del sistema en IMSS torre 2.
1/H*-H' (Kg/Kj)
Número de Unidades de transferencia
0.045
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
Numero de Unidades de
transferencia
45
50
55
60
65
70
H' (Kj/Kg)
Figura 24. Se calcula el número de unidades de transferencia de IMSS torre 2.
En la tabla 13 se colocan los valores obtenidos del número de unidades de
transferencia para las cuatro torres medidas.
41
Tabla 13. Número de unidades de transferencia NtoG.
Cervecería Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
Número de unidades de
transferencia NtoG.
0,22581803
0,465727454
0,16636581
0,55135336
Finalmente se obtuvo el coeficiente de transferencia de masa KyA para cada una de
las torres de enfriamiento visitadas, en la tabla 14 se observa cada uno de los
valores de este coeficiente, en donde Casa Ley obtuvo el valor del coeficiente más
alto, enseguida la torre 2 de IMSS, es importante señalar que el empleo del agua de
las torres de IMSS y Casa Ley son similar, ya que, ambas son utilizadas para la
refrigeración de edificios, requiriendo temperaturas similares del agua de
enfriamiento en los dos lugares mencionados anteriormente.
CASA LEY
CERVECERIA
42
IMSS (Torre 1)
IMSS (Torre 2)
Tabla 14. Coeficiente de transferencia de masa KyA.
Cervecería Modelo
Casa Ley
IMSS (torre 1)
IMSS (torre 2)
Coeficiente de transferencia de
masa KyA en Kg/m3-s.
0,328971
0,982852
0,1281595
0,825124
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
Una vez realizada la presente investigación se puede afirmar que se cumplió con el
objetivo de estudio, debido a que se calcularon los coeficientes de transferencia de
masa de dos torres de enfriamiento de IMSS, una de Cervecería Modelo del
Noroeste y por último la que está ubicada en Casa Ley.
Se puede observar que los datos de los coeficientes de transferencia de masa son
diferentes, debido a que cada coeficiente de transferencia de masa tiene su valor
dependiendo del diseño, los materiales de construcción y las condiciones de
operación de los equipos de torres de enfriamiento. El principal factor que interviene
44
en el resultado del coeficiente, es el área eficaz para la transferencia de masa, ya
que, esto incluye; las formas y las dimensiones del empaque, el material del mismo y
la velocidad de transferencia de masa del gas. Este coeficiente tiende a aumentar
tanto por las velocidades del líquido como por las del gas, pero influye más la
velocidad del gas.
Los grados de temperaturas del agua son muy similares en las cuatro torres de
enfriamiento, y las humedades relativas no cambian mucho, las torres guardan
similitud en sus datos ya que, la mayoría de ellas son de uso comercial y se
requieren para los mismos objetivos, a excepción de la torre de enfriamiento de
IMSS, que es de madera, esta no es de uso comercial.
Entre mayor sea el área de contacto para la transferencia de masa, mayor es el valor
del coeficiente de transferencia de masa.
5.2 RECOMENDACIONES
Al acudir personalmente a cada una de las empresas en donde se ubicaba el objeto
de estudio, y al ver su funcionamiento, se obtuvieron diversas observaciones, con las
cuales se realizan las siguientes recomendaciones:
En primera instancia, se empezará con IMSS, en donde se recomienda reforzar el
plan de mantenimiento preventivo con el que se cuenta y así realizar las operaciones
en tiempo y forma, esto con el fin de evitar el mantenimiento correctivo y prolongar la
vida útil del equipo. Incrementar la capacidad de los abanicos del gas en la torre 1,
para tener un mayor flujo de aire por unidad de flujo de agua.
Se recomienda además disminuir los focos de riesgo que puedan poner en peligro la
integridad física de los trabajadores como por ejemplo: proteger los abanicos en la
45
salida de aire de las torres, asegurar las escaleras, barandales y todo lo que pueda
ser causa de accidentes este en buenas condiciones.
También se debe reforzar el señalamiento de la conducción de agua de las tuberías
por colores, para tener una mejor visualización, y se recomienda finalmente se
tengan medidores más precisos de flujos de agua en las salidas y entradas a las
torres.
Para Cervecería Modelo del Noroeste se recomienda: instalar un intercambiador de
calor a base de placas, ya que son más eficientes, por medio de amoniaco para
ayudar a disminuir el arranque de los ventiladores y recuperar agua debido a que
habría menos evaporación; se recomienda también instalar una cisterna de
recuperación de condensados de los compresores de aire y reenviarlo a las torres,
esto ayudará en el ahorro de agua, además de instalar una línea de by-pass con filtro
opcional, otra mejora que se contempla es reemplazar los rellenos de las torres de
material pvc, ya que, se observan bastantes desgastados.
Para Casa Ley, se recomienda eliminar sedimentos de tinas de las torres, tapar
fugas de agua en descarga del tubo PVC al controlador, emplear un sistema para
evitar incrustaciones y cuidar que se purguen las torres para bajar la conductividad, y
concentración de sólidos.
Finalmente, se recomienda a las empresas mencionadas anteriormente poner en
práctica las propuestas de mejora planteadas, ya que es un beneficio tanto para la
certificación de las empresa, así como en la salud y seguridad de sus trabajadores y
con ello reducir el impacto ambiental que generan los residuos peligrosos generados
en los procedimientos operativos.
46
BIBLIOGRAFÍA
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