torre de resfriamento - f

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ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA Disciplina: Operações Unitárias IV AVALIAÇÃO DE TORRES DE RESFRIAMENTO Data da realização do experimento: Turma: EQM_T01 Profº. Dra Responsável: Kiki Melo Braga Aluna: Dianna Grandal dos Santos Nota do grupo Aluna: Giulia Lofiego Aluna: Jéssica Cascaes de Moraes Aluno: Renan Brandão e Souza Aluno: Richard Paul Alcon Aluna: Sheyla Hidalgo Paredes Manaus, AM 2015

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Relatorio laboratorial de operaçoes unitarias 4

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ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA QUMICA

Disciplina: Operaes Unitrias IV

AVALIAO DE TORRES DE RESFRIAMENTO

Data da realizao do experimento:

Turma: EQM_T01Prof. Dra Responsvel: Kiki Melo Braga

Aluna: Dianna Grandal dos Santos

Nota do grupo

Aluna: Giulia Lofiego

Aluna: Jssica Cascaes de Moraes

Aluno: Renan Brando e Souza

Aluno: Richard Paul Alcon

Aluna: Sheyla Hidalgo Paredes

Manaus, AM

2015

1 INTRODUO

As torres de resfriamento so utilizadas geralmente para resfriamento de gua oriunda de processos industriais, como por exemplo, resfriamento de reatores qumicos e nucleares, descargas de turbinas de instalaes termoeltricas e nucleares, usinagens e entre outros processos que necessitam de remoo de carga trmica para reinserir a gua ao sistema. Gerando dessa forma grande economia para indstria e tambm para o meio ambiente, por evitar o consumo demasiado de recurso hdrico.A torre de resfriamento avaliada dessa prtica baseada na operao unitria de umidificao, regida pelos princpios bsicos da engenharia, onde a transferncia de massa comprova estar acompanhada simultaneamente com a transferncia de calor. A partir desse fundamento, cabe ao engenheiro qumico determinar e avaliar solues para implantao das torres de resfriamento. A utilizao de torres com leitos de partculas permitem uma maior superfcie de contato entre a fase lquida e gasosa, devido ao aumento da superfcie de contato e melhor disperso do lquido para obteno de resultados mais satisfatrios.Na umidificao existe apenas dois componentes e duas fases, sendo a fase lquida composta por um lquido com grau de pureza elevado e a outra fase gasosa composta por um gs inerte mais o vapor da fase lquida. O processo de transferncia de massa acontece por meio de difuso na fase gasosa por transporte turbulento. Assim, a transferncia de energia dado pelo calor latente (vaporao) e calor sensvel. Portanto, o objetivo principal das torres de resfriamento diminuir a carga trmica da gua (fase lquida) em contato com o ar (fase gasosa) em contracorrente, permitindo sua vaporizao na corrente gasosa, fazendo com que a fase lquida saia com uma temperatura menor do que na entrada na torre.

1.1 INTERAO GS LQUIDO

O processo de resfriamento da gua, Umidificao, a gua com temperatura mais elevada entra em contato com a fase gasosa (mistura de gs e vapor) em estado mais frio, dessa forma a interao gs lquido apresenta os perfis de temperatura e de concentrao da umidade, Fig. 1.1, conforme as condies de operao que ocorrem no fundo da torre de resfriamento.

Figura 1.1. Condies numa torre de resfriamento (umidificador) na parte interior da torre.

Fonte: Foust et al, 1982

Onde:TL = temperatura global do lquidoTi = temperatura da interfaceTV = temperatura global do gsYi = umidade global do gs

Nota-se que TL < TV no fundo da torre, objetivo da coluna, tambm a difuso do vapor atravs da fase gasosa e o fluxo de energia em forma de calor latente e sensvel entre as fases lquidas e gasosas. Os pontos Ti e Yi esto na interface e indicam condies de equilbrio, situam-se na carta psicromtrica de umidade sobre a linha de saturao.Para a determinao da vazo do gs no orifcio dada pela seguinte equao:

1.2 PROCESSO DE UMIDIFICAO E MTODO GRFICO DE MICKLEY

A nomenclatura e o arranjo do processo fsico esto ilustrados na Figura 1.2. Os ndices 1 e 2 referem-se, respectivamente, a base e ao topo da coluna. E a partir dos balanos de massa e energia (entalpia), e arranjos tericos determina-se as equaes da linha de fora impulsora (Eq. 1.1) e da linha de operao (Eq. 1.2), assim como determinao da altura do recheio (Eq. 1.3). Por fim, para determinar a curva de mudana de temperatura na fase gasosa utiliza-se o mtodo grfico de Mickley, conforme a Eq. 1.4 e a Figura 1.3.

Figura 1.2. Processo de umidificao da torre de resfriamento.

Fonte: Foust et al, 1982

Onde:q = calor trocado entre a coluna e as suas vizinhanas (J/s ou Btu/h)A = rea interfacial (m ou ft)a = rea interfacial por volume da coluna (m/m ou ft/ft)S = seco reta da torre (m ou ft)TL, TV = temperaturas das fases lquida e gasosa, respectivamente (C)dZ = altura infinitesimal do recheio da coluna (m ou ft)V = vazo do solvente, ou gs sem humidade (mol/s ou lb-mol/h)L2 = vazo do lquido no topo da coluna (mol/s ou lb-mol/h)HL2 = entalpia da fase lquida afluente no topo da coluna (J/mol ou Btu/lb-mol)Y2 = razo molar entre o soluto e o solvente no gs do topo da colunaHV1 = entalpia da fase gasosa afluente na coluna (J/mol ou Btu/lb-mol)V2 = volume da fase gasosa que sai na coluna (mol/s ou lb-mol/h)

A linha de fora impulsora (Eq. 1.1) desenvolve-se em qualquer ponto em contato lquido-gs do dispositivo. A temperatura e a entalpia da interface podem ser verificadas em qualquer ponto, desde que seja conhecido a temperatura do lquido (tL), e a entalpia da fase gasoso (Hg) e a razo entre os coeficientes de transmisso de calor da fase lquida (hL) e gasosa (ky). A inclinao da reta dada por hL/ky.

(Eq.1.1)

A linha de operao (Eq. 1.2) aplica-se em termos de entalpia do (HV) e da temperatura do lquido (TL), alm da relao (Lmd.CL / V).

(Eq.1.2)

Dessa forma, a altura do recheio (z) determinada pela Equao 1.3.

(Eq.1.3)

A fim de determinar a curva de temperatura da fase gasosa, utiliza-se a Equao 1.4 que relaciona as temperatura na interface (Ti) com as fase gasosa (Tv), com as entalpias das mesmas em conjunto ao mtodo grfico de Mickley, Figura 1.3.

(Eq.1.4)

Figura 1.3. Mtodo grfico de Mickley

Fonte: Foust et al, 1982

2 OBJETIVOS

Avaliar as condies prticas no desenvolvimento de torres de resfriamento, assim como os eventos fenomenolgicos mediante a instalao experimental no laboratrio.

2.1 OBJETIVOS ESPECFICOS

Determinar o fluxo de ar na instalao; Definir as entalpias e umidades absolutas do ar na entrada e sado da torre de resfriamento atravs da carta psicromtrica; Aplicar o conceito de fluxo limite para determinar GSmnimo e demais condies de operao; Calcular o valor do coeficiente de transferncia de massa (Ky a); Encontrar a temperatura de sada do gs utilizando o mtodo grfico de Mickley.

3 MATERIAIS E MTODOS

Devido a problemas operacionais, no foi possvel utilizar o soprador na torre de resfriamento. Na Figura 3.1 observa-se as principais partes da instalao.

Figura 3.1. Instalao Experimental Torre de resfriamento.

1 = soprador;2 = vlvulas de cunha;3 = manmetros em U;4 = leito de slidos (recheio);5 = medidor de vazo do gs (orifcio).O procedimento experimental consistia em um processo em contracorrente. Procedimento:1. Foi dada a diferena hidrosttica (ho = 2.01 cm);2. Ento, foi ligada a bomba do tanque com o termostato para enviar a gua com a temperatura TL2 = 36.5 C (leitura feita aps certo tempo, 20 minutos) para a torre com uma vazo de 45 L/h;3. Em seguida, depois da vazo dgua ter estabilizada seria feita a leitura das quedas de presso no orifcios, temperatura no soprador e topo do recheio, assim como a umidade no soprador e topo do recheio. Os dados foram dados: a. H1 = 16.5 cm e H2 = 19.2 cm;b. TG1 = 23.3 C e TG2 = 37.2 C;c. YR1 = 0.50 e YR2 = 0.93.4 RESULTADOS E DISCUSSO

Inicialmente, foi feita a leitura da presso esttica (h0 = 0,0201 m) da torre de resfriamento. Posteriormente foi lido a queda de presso (hLIDO = 0,0270 m) no sistema j em operao. Partido do valor da queda de presso com o sistema em operao menos o valor da leitura da presso esttica foi determinada a queda de presso efetiva (hEFETIVO = 0,0690 m) a fim de definir a real queda de presso no sistema (H), visto que por tratar-se de valores pequenos, os manmetros so instalados em certa angulao (Sen = 0,419), partido desse princpio, a real queda de presso dita como o produto da queda de presso efetiva pelo seno do ngulo de instalao do manmetro.A real que de presso do sistema foi definida como 0,002891 m. Para a fase lquida (gua pura) foi considerado que a gua a se resfriar entra no sistema a temperatura de 40,0 C com uma vazo de 45,0 L.h-1. Enquanto a fase gasosa (Ar mais vapor dgua) entre na coluna com uma temperatura de 23,3 C e umidade relativa de 50%, e sai pelo orifcio superior a uma temperatura de 37,2 C e umidade relativa de 93%.

4.1 Determinao da vazo de ar pelo orifcio

Para determinar a vazo na sada do orifcio foi calculada as densidades man e para a gua e para o ar, respectivamente, nas temperaturas adequadas, portanto realizando uma interpolao chega-se aos valores:

man = 993,4 kg m3 e = 1,139 kg m3

Com isto pode ser utilizada a Equao 4.1 abaixo para o clculo de G2:

G2 = .K.(for)[(2.g.H (man ) ] 0,5(Eq.4.1)

Onde: = 0,6032K = 1for = ( * 0,022882) 4g = 9,81

Assim, colocando os valores fornecidos na Equao 4.1, G2 assume o valor de 1,70x103.Transformando para fluxo mssico, multiplicando pela densidade (1,179 Kg m3) e transformando para hora:G2 = 1,7x10-3 * 1,179 * 3600 = 7,31 Kg h Para a determinao de HG1, HG2, y1 e y2, utilizou-se a carta psicomtrica, junto aos valores fornecido de bulbo mido de entrada e de sada obtendo assim:HG1 = 48 Kg h y1 = 0,009HG2 = 142 Kg h y2 = 0,040

Assim, para poder ser possvel aplicar o conceito de fluxo limite, deve-se primeiro realizar os seguintes clculos:G2 = GS(1+y2)G2 = 7,31 (1+ 0,040)G2 = 7,03 Kg h

Calculando Cp para a temperatura de 36,5 0C obtm-se o valor de 4,1787 KJ Kg0C, e transformando o fluxo volumtrico de entrada de liquido par fluxo mssico tem-se que o valor de L2 44,7 Kg h e este pode ser aplicado na obteno da temperatura de temperatura de sada do liquido chamado na equao de TL1:

Ento possvel agora traar a linha de operao com os pontos (TL2, HG2) e (TL1, HG1) que correspondem aos valores de (40;142) e (36,5;48), respectivamente.

Sendo a linha vermelha a linha de operao e a de cinza a representao do fluxo limite.Aplicando-se o conceito de fluxo limite para os valores de HGmax = 106 KJ Kg e TL2max = 400C:Com os valores j determinado de HGmx possvel obter o valor de GSmn:

Pra a determinao da linha de fora impulsora primeiro deve-se determinar o valor de -hL ky, assim:

Utilizando o mtodo do ponto aleatrio, encontra-se o valor de Hi, para assim aplicar no grfico e encontrar a inclinao da linha de fora impulsora:

Assim pode ser traada a linha de fora impulsora, como pode ser observada no grfico em anexo.

Para o clculo da altura do recheio, utilizou-se a seguinte equao:

Para resolver a integral utilizou-se o mtodo do trapzio:Inicialmente calcula-se o valor de h, que corresponde a subtrao dos limites da integral pelo nmero de iteraes realizadas na resoluo da integral.Assim selecionando o valor de 5 h = (142-48) 5 = 18,8

NHgHi1 (Hi-Hg)

01421660,0417

1123,21610,0265

2104,41550,0198

385,61510,0153

466,81450,0128

5481410,0108

A somatria R = 0,1005, portanto multiplicando a somatria com h (18,8), tem-se que o valor integral 1,528.

Aplicando valor na equao:

Atravs do grfico possvel notar o valor da temperatura de sada do gs tg2 = 36,8C no qual se assemelha ao valor dado no experimento de 36,5C.5 CONCLUSO

Com base em um modelo fenomenolgico e a partir dos dados experimentais, foi obtido uma correlao entre o desempenho da torre de resfriamento em funo das principais variveis de processos. As variveis estabelecidas no processo so a vazo de circulao da gua, as entalpias, a diferena de temperaturas de entrada e sada da torre, a diferena entre a temperatura da gua que sai da torre e a temperatura de bulbo mido do ar. Os resultados apresentaram boa consistncia, no entanto alguns cuidados devem ser observados, o principal refere-se aferio dos instrumentos de medio, principalmente dos termmetros pois caso seja realizado de forma inadequada poder afetar no resultados. Foram realizadas anlises mais tericas, o que nos permitiu aprofundar os conceitos e mecanismos de fenmenos de calor e massa que ocorrem simultaneamente na torre de resfriamento. Foi possvel ento concluir os clculos de entalpias, fluxo de ar, aplicao do conceito de fluxo limite e a utilizao da carta psicromtrica para encontrar valores desejados. Desta forma, os objetivos gerais e especficos foram alcanados e os resultados, ficaram dentro do esperado, mostrando como os parmetros variam em cada processo analisado, vale ressaltar que todos os clculos feitos foram a partir de analises tericas uma vez que o equipamento encontrava-se com problemas no soprador e no era possvel realizar o experimento de torres de resfriamento.

6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

FOUST, A. S. et al. Princpios das Operaes Unitrias, Rio de Janeiro. Guanabara Dois, 1982. 670 p.

McCABE, W.L.; SMITH, J.C.; HARRIOT, P. Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica. 4a Ed., McGraw-Hill, 1995. 1112 p.

TREYBAL, Robert, E. Operaciones de Transferencia de Masa. 2 ed. Mc Graw-Hill do Brasil, 1985. 858 p.

TROVATI, J. Tratamento de gua de Resfriamento. So Paulo: Indstrias Corona, 2004, 89 p. Relatrio Tcnico.

OLIVEIRA, J. D. Auditoria em Torres de Resfriamento em Indstrias Qumicas. Dissertao (Especializao em Engenharia Econmica). Escola Politcnica. Universidade Federal da Bahia. Salvador. Bahia. 2011.