informe de avance tópicos de ingeniería química-eiq664-01

7/24/2019 Informe de Avance Tpicos de Ingeniera Qumica-EIQ664-01

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DE VALPARASO

F A C U L T A D D E I N G E N I E R A

E S C U E L A D E I N G E N I E R A Q U M I C A

DISEO DE UNA TORRE DEENFRIAMIENTO DE AGUA DE

TIRO INDUCIDO

INFORME AVANCE____________________________________________

TPICOS DE INGENIERA QUMICAEIQ 664-01

Integrantes:

Manuel Aracena

Gabriel Silva

Fecha de entrega:21 de Octubre de 2015

Profesores:

Horacio Aros

Marco Solar


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RESUMEN

El presente informe trata sobre el planteamiento de diseo e ingeniera bsica y

detallada de una torre de enfriamiento de agua de tiro inducido a escala de

laboratorio.

Se plantearan el diseo a partir del balance de masa y energa segn los

requerimientos del caudal de agua a enfriar. Las ecuaciones de diseo de basan en

la teora de Merkel, conforme a las normas establecidas por el Cooling Tower

Institute.

Con respecto a la ingeniera de la torre de enfriamiento, se detalla el diagrama deflujo del proceso junto con el P&ID propuesto para el equipo. Las partes de la torre

son especificadas con su funcin especfica junto con los equipos de apoyo.

Por otro lado, se estiman los costos del equipo principal junto con la instrumentacin

y equipos de apoyo.


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CONTENIDO

1

Introduccin ...................................................................................................... 4

2

Marco terico .................................................................................................... 5

2.1

Fundamento ............................................................................................... 5

2.2

Clasificacin ............................................................................................... 6

2.3

Componentes bsicos ................................................................................ 7

2.4

Fenmeno de transporte: Teora de Merkel ............................................... 8

3 Diagrama de flujo ............................................................................................ 10

3.1

Nomenclatura de diagrama de flujo ......................................................... 11

3.2

Descripcin del proceso ........................................................................... 11

4

Balance de masa y energa ............................................................................ 12

5

Diseo de torre de enfriamiento de agua ........................................................ 12

6

Equipo y caractersticas .................................................................................. 12

7

P&ID y detalle ................................................................................................. 12

8

Costos estimativos .......................................................................................... 12

9 Procedimiento experimental ........................................................................... 12

10

Conclusiones .................................................................................................. 12

11

Conclusiones ambientales .............................................................................. 13

12

Bibliografas .......................................................Error! Marcador no definido.

13

Anexos ........................................................................................................... 14


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1 INTRODUCCIN

El ingeniero qumico es unprofesional especializado en los procesos de produccinde la industria y sectores relacionados, incluyendo la concepcin, calculo,

construccin, puesta en marcha y operacin de equipos e instalaciones donde se

efectan las transformaciones necesarias para la obtencin de resultados o de

diversos productos[1].

El uso principal del agua en la industria es la remocin de calor, principalmente

enfriar uno o varios productos de una planta que puede ser reutilizada [2]. El diseo

de equipos de enfriamiento de agua ha sido un implemente provechoso a la industriamanufacturera, como de productos qumicos y energa, y cuyo estudio radica en los

fenmenos de transferencia de masa, energa y momentum.

Los equipos a escala de laboratorio permiten tanto estudiar de forma terica y real

los fenmenos de ingeniera qumica que ocurren a escala industrial.

El objetivo de dicho informe es lograr un diseo operacional de una torre de

enfriamiento de agua de tiro inducido a escala de laboratorio a partir de la ingeniera

conceptual, bsica y detallada del proyecto.


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2 MARCO TERICO

2.1 FUNDAMENTO

En las torres de enfriamiento se logra disminuir la temperatura del agua caliente que

proviene de un circuito de refrigeracin mediante la transferencia de calor y materia

al aire que circula por el interior de la torre [3]. A fin de mejorar el contacto aire-agua,

se utiliza un entramado denominado relleno. El agua entra en la torre por la parte

superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores.

De esta forma, se consigue un contacto ptimo entre el agua y el aire atmosfrico.

El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua

y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una

cesin de calor del agua hacia el aire. sta se produce debido a dos mecanismos:

la transmisin de calor por conveccin y la transferencia de vapor desde el agua al

aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporacin.

Principales caractersticas de las torres de enfriamiento, son equipos que se

emplean para enfriar agua en grandes volmenes [4], siendo el medio ms

econmico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los

intercambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a travs de la pared. Existen

distintos tipos de torres de enfriamiento. Las hay para la produccin de agua de

proceso que slo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. Tambin hay

torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso.

Cuando el agua es reutilizada, se bombea a travs de la instalacin en la torre de

enfriamiento. Despus de que el agua se enfra, se reintroduce como agua de

proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40

y 60C. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamien to y de ah

fluye hacia abajo a travs de tubos de plstico o madera. Esto genera la formacin

de gotas. Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire

de arriba, provocando un enfriamiento de 10 a 20 C.


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Es recomendable realizar un tratamiento del agua a enfriar, agregando lcalis,

fungicidas, bactericidas y floculantes [5]; ya que stos nos ayudara con las

incrustaciones y la corrosin. Parte del agua se evapora, causando la emisin de

ms calor. Por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de

refrigeracin. De esta manera, el agua le trasmite al aire el calor que contiene,

mientras cae y el aire a su vez sale por la parte superior, conteniendo el calor. Por

eso, muchas veces las torres de enfriamiento muestran blancas fumarolas en su

parte superior.

Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la

parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan

un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento.

2.2 CLASIFICACIN

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 [6]. Torres de tiro mecnico Se

caracterizan por la aspersin del agua caliente, que es suministrada a la torre

mediante boquillas o por el uso de compartimientos de orificios que permiten circular

el agua a lo largo del empaque o relleno caracterstico. Estos son comnmente

fabricados en madera e impregnados de fungicidas bajo presin.

a) Tiro Inducido: Usadas ampliamente debido a que son altamente eficientes, el

aire es succionado a travs de la torre por medio de un ventilador dispuesto en

la parte superior; logrndose una distribucin uniforme del aire a travs del

empaque.

b) Tiro Forzado:La velocidad de descarga es baja, lo cual reduce la efectividad

de la torre, el ventilador est dispuesto en la parte inferior, lo cual conlleva a

recirculacin del aire caliente y hmedo, el aire es descargado en la parte

superior.


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c) Tiro natural: Las torres de tiro natural, generalmente tienen la forma de

chimenea hiperblica. En ellas el agua caliente proveniente del proceso se pone

en contacto con el aire, provocando su calentamiento Estos equipos presentan

bajos costos de mantenimiento y de operacin debido a que no tienen consumo

elctrico, se emplean para manejar grandes capacidades de enfriamiento y

requiere bajas temperaturas de aire a la entrada. Son comnmente utilizadas en

centrales elctricas o industrias de gran tamao.

2.3 COMPONENTES BSICOS

Las torres de enfriamiento se componen de 7 elementos bsicos que se

describen a continuacin.

a) Sistema de distribucin de agua: Hace referencia a la manera como se vierte

el agua sobre la torre. Existen dos tipos de sistemas, uno que opera por

gravedad y otro por presin. El primero se compone de un recipiente y unos

agujeros que distribuyen el agua. El segundo se compone de sistemas de

pulverizacin con toberas orientadas hacia abajo que pueden ser en forma deespina de pescado o rotativas.

b) Relleno: Es el material empaquetado que tiene la torre en su interior, su finalidad

es brindar mayor tiempo y rea de contacto del aire con el agua.

(a) (b) (c)

Ilustracin 1. Torre de enfriamiento de tiro natural (a), tiro forzado (b) y tiro inducido (c).


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c) Eliminadores de gotas: Los eliminadores bsicamente retienen las gotas de

agua arrastradas por el aire que salen de la torre. Son paneles ubicados en la

parte superior que re direccionan el flujo y separan las gotas del aire,

hacindolas caer de nuevo sobre el relleno.

d) Chimeneas: Se emplean en torres de tiro inducido para mejorar el

comportamiento del ventilador y evitar efectos de recirculacin de aire.

e) Ventiladores:En las torres de enfriamiento se utilizan dos tipos de ventiladores:

Axiales para torres de tiro forzado e inducido y centrfugos para torres de tiro

forzado

f) Bombas: Las bombas reciben el agua del proceso y alimentan la torre.

2.4 FENMENO DE TRANSPORTE:TEORA DE MERKEL

La teora ms aceptada para el proceso de enfriamiento de este tipo de torres por

transferencia de calor es desarrollado por Merkel. Este anlisis se basa a diferencia

de potencial de entalpa como la fuerza motriz [7]. Por medio de esta teora, se

demostr que la transferencial total de calor es directamente proporcional a la

diferencia entre la entalpa del aire saturado a la temperatura del agua, y la entalpa

de aire en el punto de contacto con el agua (interface).

Ilustracin 2. Interface de transferencia de energa y masa desde el punto microscpico de una torre de enfriamientode agua.


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La ecuacin de Merkel en su forma integrada, la cual representa el balance de

energa y masa por medio de potencial de entalpia es:

=

(1)

Donde:

:Coeficiente de transferencia de masa

:rea de contacto

:Volumen efectivo de enfriamiento

:Flujo de agua a enfriar

:Entalpia del aire saturado a la temperatura del agua

: Entalpia del aire de entrada

1:Temperatura de entrada del agua

2:Temperatura de salida del agua


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3 DIAGRAMA DE FLUJO

El diagrama de flujo a continuacin muestra el proceso global del proyecto junto a

los equipos a utilizar (Solo diagrama de flujo, no incluye instrumentacin).

TK-100

E-100

P-100

TK-200

F1

F2

F3 F3

F4

F5

F6

CT-100

Ilustracin 3. Diagrama de flujo de torre de enfriamiento de agua de tiro inducido.


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3.1 NOMENCLATURA DE DIAGRAMA DE FLUJO

Simbologa Descripcin

CT-100 Torre de enfriamiento de agua.

E-100 Calentador de agua (Calefont).

P-100 Bomba Centrifuga.

TK-100 Estanque de alimentacin de agua.

TK-200 Estanque de almacenamiento de agua de torre de enfriamiento.

F1 Ingreso de agua calentada.

F2 Salida de aire caliente.

F3 Entrada de aire frio.

F4 Salida de agua enfriada.F5 Agua de alimentacin fra.

F6 Agua de alimentacin fra.

3.2 DESCRIPCIN DEL PROCESO

El diagrama de flujo (fig.) corresponde a una torre de enfriamiento de tiro inducido

con recirculacin de agua.

Se tiene un depsito de alimentacin con agua (TK-100) el cual es impulsado por

una bomba centrifuga (P-100) hacia la torre (CT-100). Para calentar el agua se

utiliza un intercambiador de calor (E-100), en este caso un Calefont, el cual elevara

la temperatura del fluido proveniente del tanque de alimentacin con el fin de aportar

la temperatura necesaria para llevar a cabo la experiencia. El agua ingresa a la

torre por medio de unos pulverizadores para distribuir homogneamente el fluido a

lo largo del equipo. El aire ingresa por la parte inferior de la torre de forma natural

donde entra en contacto directo con el agua que cae por gravedad a travs del

relleno. Finalmente el aire caliente sale por la parte superior de la torre de forma

forzada a travs de un ventilador mecnico, y el agua fra por la parte inferior, el

cual llega a un estanque de almacenamiento (TK-200) para ser puesta en


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recirculacin por gravedad al estanque de alimentacin y volver a completar el ciclo

del proceso nuevamente.

4 BALANCE DE MASA Y ENERGA

5 DISEO DE TORRE DE ENFRIAMIENTO DE AGUA

6 EQUIPO Y CARACTERSTICAS

7 P&IDY DETALLE

8 COSTOS ESTIMATIVOS

9 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

10 CONCLUSIONES


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11 CONCLUSIONES AMBIENTALES

12 BIBLIOGRAFA

[1] Universidad de Malaga, Facultad de ciencias, Ingeniero Qumico, Lunes 19

Octubre 2015. [En lnea]. Available: http://www.ciencias.uma.es/ingenieria-

quimica.

[2] A. T. Valencia, Diseo de una torre de enfriamiento de agua para uso

industrial, Escuela Superior Politecnica del Litoral, Guayaquil.

[3] Fiber Tower Ltda.: ingeniera y tecnologa para la industria, TORRES DE

ENFRIAMIENTO DE TIRO INDUCIDO, [En lnea]. Available:

http://www.fibertower.cl/torres.htm. [ltimo acceso: Martes 20 Octubre 2015].

[4] MUNDO HVACR, Refrigeracin, Sectores de la industria: Torres de

Enfriamiento, [En lnea]. Available:

http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2009/03/torres-de-enfriamiento/.[ltimo acceso: Martes 20 Octubre 2015].

[5] Juan Manuel Mamani (Slideshare), Torres de enfriamiento, [En lnea].

Available: http://es.slideshare.net/JuanManuelMamani/torres-de-enfriamiento-

41400495. [ltimo acceso: Martes 20 Octubre 2015].

[6] J. L. M. D. P. FRANCISCO JAVIER CALZADA DIFFOR, DISEO DE UN

SISTEMA INDUSTRIAL DE ENFRIAMIENTO CON AGUA DEREFRIGERACIN PARA UN COMPLEJO INDUSTRIAL EN LIMA, PER.,

Universidad Pontificia Comillas ICAI-ICADE, Madrid, 2012.


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[7] D. W. G. Robert H. Perry, Perry's Chemical Engineer's handbook, McGraw-Hill,

1999.

13 ANEXOS

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