OPERACIONES UNITARIAS IV Clase introductoria

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1 Uniersidad de Los Andes Facultad de Ineniería Escuela de Ineniería Química Dto. de Oeraciones Unitarias y Proyectos OPERACIONES UNITARIAS IV Clase introductoria Prof. oana Castillo yoanacastillo@ula.e 1 CONTENIDO Oeraciones Unitarias en Ineniería Química. Procesos de Searación. Contenido del curso Oeraciones Unitarias IV. Transferencia de Masa. Introducción a la Humidificación. Reaso de definiciones de Humedad y Diarama Psicrométrico. 2 1

2 OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA Ineniería Química Materia rima Proceso Productos Acondicionamiento Purificación 3 PROCESOS DE SEPARACIÓN Alimentación i,j Proceso de Searación Producto 1 (X1) Producto 2 (X2) Producto n (Xn) 1 y 2 diferente comosición y ueden tener diferentes fases Aente de Searación: Masa o Enería Aente de Searación: Promuee la searación Princiio de Searación: Proiedad física o química inherente a los comonentes de la mezcla que ermite que se efectué la searación. Searación: Transferencia de masa: Fuerza, dirección? Termodinámica Grado de Searación: Limitado or el Equilibrio Termodinámico 4 2

3 CONTENIDO DEL CURSO OPERACIONES UNITARIAS IV Humidificación. Secado. Eaoración. Cristalización. Intercambio Iónico. Adsorción 5 TRANSFERENCIA DE MASA Para que haya transferencia de masa, debe existir un radiente imulsor. Para un comonente i, el flujo transferido de ese soluto (Ni) se uede escribir: N i masa Ky. A. C tiemo Ky es el Coeficiente de transferencia de masa. masa Ky[] área.tiemo.unidades del radiente imulsor A es el área donde se llea a cabo la transferencia, interfase [] l 2 C es el radiente de concentración, la transferencia de masa a desde el mayor alor hacia el menor. En el caso de humidificación corresonde a diferencia de humedades. 6 3

4 TEMA 1: HUMIDIFICACIÓN Imlica la transferencia de masa y enería de una fase líquida a una mezcla aseosa de aire y aor. Cuando un líquido relatiamente caliente se one en contacto directo con un as que no esté saturado, arte del líquido se aoriza. La temeratura del líquido disminuye debido rincialmente al calor latente de eaoración. Interfase i Eaoración suerficial TL del líquido sin fuente externa de calor. Fase Líquida Ti Fase Gaseosa T Alicaciones: Enfriamiento de auas de roceso. Acondicionamiento de aire Transferencia de masa Transferencia de calor sensible Transferencia de calor latente 7 DESHUMIDIFICACIÓN Imlica la transferencia de masa y enería de un aor que se transfiere desde la fase aseosa a la fase líquida. Transferencia inersa de la humidificación. Interfase i Condensación del aor sin fuente externa de calor TL Fase Líquida Ti T Alicaciones: Fase Gaseosa Transferencia de masa Transferencia de calor sensible Transferencia de calor latente Deshumidificación del aire 8 4

5 REPASO DE DEFINICIONES Diferencia entre los términos: Vaor y Gas. Presión de Vaor: P* Presión Parcial del aor: P Terminoloía ara oeraciones de contacto Gas-Líquido. 9 TERMINOLOGIA PARA OPERACIONES DE CONTACTO G-L HUMEDAD MOLAR: m m n n P HUMEDAD ABSOLUTA: PM m PM HUMEDAD RELATIVA ϕ 10 5

6 HUMEDAD PORCENTUAL ϕ P P VOLUMEN HÚMEDO: Vh Vh Volumen del as húmedo/masa de as seco PV nrt nrt V P V h 1 PM + PM R T P n n + n Sustituyendo Tomando Base: 1 K de as 1 n + PM PM 11 CALOR ESPECÍFICO C Cˆ m + Cˆ m C Cˆ m + Cˆ C m Cˆ Cˆ + Cˆ Cˆ + Cˆ m Para el sistema Aire-Vaor de Aua en el SI C0.24Kcal/KºC C0.46Kcal/KºC Kcal C ˆ [ ] K º C m m 12 6

7 ENTALPÍA ESPECIFICA H H + H Hˆ Hˆ + Hˆ Hˆ [ Cˆ ( T Tref ) + λ ] + Cˆ ( T Tref ) Si T ref T ref T ref Hˆ Hˆ a [ Cˆ + Cˆ ] ( T Tref ) [ Cˆ ] ( T Tref ) + λ Tref + λ Tref Para el caso de Aire-aua y tomando T ref aua líquida a 0ºC Kcal [ ] T [ ] KAS H ˆ 2 13 TEMPERATURA DE ROCIO Temeratura a la cual la mezcla aire-aor de aua estará saturada, cuando la mezcla se enfría a resión y humedad absoluta constante. P*P T 14 7

8 TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA, Ts Temeratura alcanzada or una mezcla de as cuando se one en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas. Aire Ts,s Aire T, El aua entra y sale a Ts. Aua reosición Ts Balance de enería: ( T Tref ) m.( s ). λ Tref m. Cˆ. Calor que ierde el aire Tomando Tref Ts Cˆ λ Calor latente eaoración del aua ( ) ( T T ) El aire se humidifica s> y se s s enfría hasta Ts. Ts El equio es adiabático: Q0 ECUACION DE TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABATICA 15 TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABÁTICA, Ts En un diarama Psicométrico, de coordenadas s T, la ecuación de la temeratura de saturación adiabática es una recta de endiente neatia: ( s ) Cˆ ( Ts T ) λts T 16 8

9 TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO, Tw Temeratura límite de enfriamiento alcanzada or una equeña masa de líquido en contacto con una masa mucho mayor de as húmedo Aire T, Alodón mojado Tw Balance de enería: ( hc + hr ). A. ( T Tw ) Ky. A. ( w ). λ Tw Termómetro Calor que cede el aire al alodón húmedo Calor latente eaoración del aua La elocidad de transferencia calórica de G a L se iuala a la elocidad de calor requerida ara la eaoración del aua y T ermanece constante en Tw Considerando que hr<<<hc c y ( ) ( T T ) w h λ K Tw w ECUACION DE TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO 17 TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO, Tw El cociente hc/ky se conoce como RELACIÓN PSICROMETRICA DE LEWIS, y uede estimarse mediante: hc ˆ Sch C. Sch es el número adimensional de Schimdt Pr es el número adimensional de Prandtl Ky Pr Para el sistema Aire-Aua, se cumle que hc Cˆ Ky SchPr Para otros sistemas existen alores tabulados. [1] Finalmente, sustituyendo la relación de Lewis en la ecuación de T bulbo húmedo y arrelando, queda ( w ) Cˆ ( Tw T ) λtw ECUACION DE TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO 18 9

10 RELACIÓN ENTRE Ts y Tw ( s ) Cˆ ( Ts T ) λts ECUACION DE TEMPERATURA DE SATURACIÓN ADIABATICA ( w ) Cˆ ( Tw T ) λtw ECUACION DE TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO Para el sistema Aire-aua: Las endientes son exactamente IGUALES, se ubican en la misma recta 19 DIAGRAMA PSICROMÉTRICO Reresentación ráfica de las ecuaciones analíticas anteriores, dibujadas ara una resión P

11 Referencias [1] OCON; TOJO. Problemas de Ineniería Química. Caítulo 4. Auilar. Madrid [2] COULSON, J; RICHARDSON. Chemical Enineerin. Caítulo 11. Volumen [3] TREBAL, R. Oeraciones de Transferencia de Masa. Caítulo 7. Mc Graw Hill. Caítulo 7. México [4] FOUST, A. Princiios de Oeraciones Unitarias. Caítulo 17. Continental S.A. México Palabras claes: Humidificación 21 11