Humidificacion

Humidificación

1.1.- INTRODUCCIÓN

La humidificación es una operación unitaria en la que tiene lugar una transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa. De hecho siempre que existe una transferencia de materia se transfiere también calor. Pero para operaciones como extracción, adsorción, absorción o lixiviación, la transferencia de calor es de menor importancia como mecanismo controlante de velocidad frente a la transferencia de materia. Por otro lado, en operaciones como ebullición, condensación, evaporación o cristalización, las transferencias simultáneas de materia y calor pueden determinarse considerando únicamente la transferencia de calor procedente de una fuente externa.

La transferencia simultánea de materia y calor en la operación de humidificación tiene lugar cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro, en el cual es prácticamente insoluble. Este fenómeno nos conduce a diferentes aplicaciones además de la humidificación del gas, como son su deshumidificación, el enfriamiento del gas (acondicionamiento de gases), el enfriamiento del líquido, además de permitir la medición del contenido de vapor en el gas.

Generalmente la fase líquida es el agua, y la fase gas el aire. Su principal aplicación industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración, que será el objeto de estudio de la práctica que nos ocupa. A grandes rasgos, el proceso que tiene lugar en la operación de humidificación es el siguiente:

- una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo contenido en humedad), normalmente aire atmosférico.

- parte del agua se evapora, enfriándose así la interfase.

- el seno del líquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfría.

- a su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se humidifica.

En la deshumidificación, agua fría se pone en contacto con aire húmedo. La materia transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase líquida, que dependiendo de cómo estemos operando, o se evapora (humidificación), o bien se condensa (deshumidificación.)

Existen diferentes equipos de humidificación, entre los que destacamos las torres de enfriamiento por su mayor aplicabilidad. En ellas, el agua suele introducirse por la parte superior en forma de lluvia provocada, y el aire fluye en forma ascendente, de forma natural o forzada. En el interior de la torre se utilizan rellenos de diversos tipos que favorecen el contacto entre las dos fases. .

1.2.- DEFINICIONES EN LA INTERACCIÓN AIRE-AGUA

Antes de desarrollar las ecuaciones de diseño en una torre de enfriamiento, hemos de definir una serie de variables y conceptos involucrados en la operación de humidificación.

- Humedad absoluta: es la razón másica de vapor de agua respecto al aire seco

(1)

MA: masa molecular del agua; MA= 18 g/mol

MB: masa molecular del aire; MB= 28,9 g/mol

PA: presión parcial que ejerce el vapor de agua en la mezcla gaseosa

P: presión total (atmosférica.)

- Humedad relativa: es la relación molar entre la cantidad de vapor de agua presente en el aire y la cantidad máxima posible (saturación) para esa temperatura:

(2)

Pv es la presión de vapor, que podríamos definir como la presión que ejerce un vapor en equilibrio con su líquido. La presión de vapor es función de la temperatura. Para un rango de temperaturas comprendido entre 0ºC y 50ºC, podemos obtener la Pv del agua mediante la ecuación:

(3)

en la que Pv está expresada en mm Hg, y la T (temperatura) en K.

- Calor específico (cP): calor necesario para aumentar 1ºC a una unidad de masa de una sustancia, a presión constante. Tomamos los valores medios de los calores específicos del agua y del aire entre 0ºC y 100ºC:

cPaire = cP,B = 1005 J/(kg•ºC)

cPvapor de agua = cP,A = 1884 J/(kg•ºC)

cPagua líquida = cL = 4180 J/(kg•ºC)

- Calor específico húmedo (cS): (es el cP de la mezcla gaseosa aire-agua):

cS = cP,B + cP,A •H = 1005 + 1884•H [J/(kg•ºC)] (4)

- Entalpía específica del gas: calor asociado a un gas a cierta temperatura y presión (referencia 0ºC y agua líquida):

(5)

donde = 2.502.300 J/kg agua (calor latente)

- Entalpía específica de saturación: es la entalpía del gas saturado de humedad; la entalpía de saturación es función de la temperatura, y cumple la ecuación:

(6)

donde la T está expresada en ºC.

- Condiciones de saturación adiabática:

Considérese el proceso que se lleva a cabo de forma esquemática en la figura 1, mediante el cual se busca que el gas se sature. Para ello hacemos circular agua a lo largo de

la torre en forma de lluvia; el agua entra en contacto directo con una corriente de aire no saturado. Para que el proceso sea adiabático ha de cumplirse que:

- no se transfiera calor a la torre

- la corriente líquida se recircule

De esta forma la temperatura a la entrada será igual que a la salida. La diferencia de temperaturas entre el gas y el líquido tenderá a ser cero tanto más cuanto nos acerquemos a

la salida del gas, y no habrá transferencia de calor sensible entre las fases. El único efecto que ejercerá el líquido en la torre es que parte de él se vaporizará y pasará a la corriente gaseosa. Si suponemos que la torre es suficientemente alta para que las fases líquida y gas alcancen el equilibrio en la parte superior de la misma, la fase gaseosa estará saturada, y TLentrada = TLsalida = TGsalida = TS . Así pues, la temperatura Ts será la temperatura de saturación adiabática, y Hs la humedad del gas saturado a Ts , es decir, la humedad de saturación adiabática.

A partir de balances globales de materia y entalpía entre las condiciones inicial del gas (T y H a la entrada) y la condición de saturación adiabática, se llega a la ecuación:

(7)

La ecuación 7 relaciona la temperatura y humedad de un gas para cualquier condición de entrada con las condiciones correspondientes para el mismo gas con su temperatura de saturación adiabática (sólo se puede aplicar para esos dos puntos, no para describir la trayectoria seguida por el gas a medida que se satura).

Si en nuestro sistema aire-agua consideramos que la Ts es igual a la temperatura de bulbo húmedo TH, y mediante las ecuaciones de transferencia

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