4 2 Unidad 4 - Operaciones con aire - Ing de Procesos(3) (1)

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INGENIERÍA DE PROCESOS
Unidad 4
Carrera de Ingeniería Industrial
Unidad 4
Procesos de Manufactura
PARTE 2
OPERACIONES UNITARIAS QUE UTILIZAN AIRE
El conocimiento y cálculo de las cantidades de aire seco y vapor de agua en el aire atmosférico es de importancia para diversas operaciones, como por ejemplo:
 Intercambio de calor (enfriamiento con aire)
 Secado de materiales
 Procesos de combustión (se utiliza el aire porque es la fuente de oxígeno más económica)
 Acondicionamiento de aire (para mantener un lugar a condiciones diferentes a las del aire atmosférico)
Introducción 
4
Instalaciones de aire acondicionado en las industrias para mantener temperatura y humedad relativa adecuadas
Aire acondicionado doméstico mantiene temperatura adecuada
El aire comprimido es un componente esencial en el sector industrial, para accionar maquinaria o como actuador de válvulas, por ejemplo
limpiar peines y agujas (textil)
grapadoras, prensas y remachadoras
El aire en los procesos de combustión no debe contener partículas, debe tener poca humedad y se prefiere alta temperatura
AIRE HÚMEDO
VIDEO INTRODUCTORIO
ENLACE DE YOUTUBE
6
¿Cómo se produce el Aire Húmedo?
Mezcla de O2 y N2
Sólo gas O2
PV = n RT
Sólo gas N2
PV = n RT
PT VT = nT RT
8
El aire seco es una mezcla de gases
8
PO2 VT = nO2 RT
PN2 VT = nN2 RT
Presión parcial del O2
Presión parcial del N2
Cada gas ejerce una presión parcial
(PO2 + PN2) VT = (nO2 + nN2) RT
Sumando:
PT VT = nT RT
9
9
nT = nO2 + nN2 
Ley de Dalton:
PT = PO2 + PN2
Moles totales:
nO2
nT
PT
PO2
Fracción molar de O2 = = = yO2
10
La fracción molar de un componente está en función de las presiones, parcial y total
10
1. El aire húmedo se comporta como una mezcla de gases ideales
Aplicamos ley de gases ideales 
 PTVT = nAHRT
Masa molar media
MAH
Mi
yi
Ley de Dalton
Fracción parcial molar
yi
2. Aire húmedo saturado
Ejemplo: Aire a presión atmosférica y 12,2ºC está saturado de vapor de agua. ¿Cuál es la presión parcial que ejerce el vapor?
 Respuesta: Pv = Pvo = 1,412 kPa
Pvo
Presión de vapor
3. Humedad relativa
Ejemplo: Aire a 12,2ºC y 1 atm de presión tiene una humedad relativa de 75%. ¿Cuál es la presión parcial que ejerce el vapor?
 Respuesta: Pv = (Hr /100) Pvo = 0.75 x 1.412 = 1.059 kPa
Humedad relativa 
4. Humedad molar
Ejemplo: Aire a 12,2ºC y 1 atm de presión tiene una humedad relativa de 75%. ¿Cuál es la humedad molar del aire? ¿Cuál es el porcentaje molar del aire? 
 % mol AS = (1/1,0106) x 100 = 99 
% mol H2O = = 1
 nv 1.059
Hm = =		= 0.0106 
 nAS 101.325 – 1.059
 nv Pv	 mol de vapor
Hm = = ( )
 nAS PT - Pv mol de AS 
Pv = (Hr /100) Pvo = 0.75 x 1.412 = 1.059 kPa
5. Humedad absoluta o Humedad
Ejemplo: Aire a 12,2ºC y 1 atm de presión tiene una humedad relativa de 75%. ¿Cuál es la humedad del aire? ¿Cuál es el porcentaje en peso del aire? 
 mv 18
H = = 0,0106 x = 0,0066 
 mAS 29
 % masa AS = (1/1.0066) x 100 = 99.3 
 % masa H2O = = 0.7
 mv 18 kg de vapor
H = = Hm x ( )
 mAS 29 kg de AS
Pv = (Hr /100) Pvo = 0.75 x 1.412 = 1.059 kPa
 nv 1,059
Hm = =		= 0,0106 
 nAS 100.325 – 1.059
6. Volumen de aire húmedo AH
Combinando la ecuación de estado del gas ideal y la definición de humedad, se llega a la siguiente expresión:
 1 H R T m3 de AH
AH = ( + ) ( )
 29 18 P kg de AS
Este valor expresa el volumen ocupado por el aire total (húmedo) por cada kilogramo de aire seco presente
Ejemplo: Aire a 12,2ºC y 1 atm de presión tiene una humedad relativa de 75%. ¿Cuál es el volumen que ocupa el aire por kilo de aire seco?
¿Cuántos kilos de aire seco y agua hay en una sala de 20 m3?
 1 0,0066 8.314 x (12.2 + 273)
AH = ( + ) x = 0.816 m3 de AH/kg AS
 29 18 101.325 
 20 m3
Kg AS =		 = 34.5 kg 
 0.816 m3 /kg AS
 
Kg H2O = 0.0066 x 34.5 = 0.23 kg		
7. Punto de rocío Tr
Es la temperatura a la cual el aire, al enfriarse, se saturaría y empezaría la condensación
Ejemplo: Aire a 15ºC y 1 atm de presión tiene un punto de rocío de 7,2ºC ¿Cuál es la humedad H de este aire? ¿Cuál es la fracción en masa del aire seco?
 mv 18
H = = 0.0101 x = 0.0063 
 mAS 29
 nv 1.016
Hm = =		= 0,0101 
 nAS 101.325 – 1.016
 y AS = (1/1.0063) = 0.994 
8. Principio de conservación de la energía: balance de energía
Msale
Us
Eks
EPs
Mentra
Ue
Eke
EPe
Trabajo
Calor
sistema
Msistema
Esistema = U + Ek + Ep
Ue
Eke
Epe
Q, W
U
Ek
EP
Us
Eks
Eps
Q, W
Calor de reacción exotérmica
Calor latente de condensación
Calor de reacción endotérmica
Calor latente de vaporización
U Energía interna
Ek Energía cinética
Ep Energía potencial
Balance de energía
Se utiliza esta expresión para referirse a la aplicación del principio de conservación de la energía, Primera Ley de la Termodinámica
Balance de energía en sistemas sin reacción química
Calor
sistema
 H = nAS  CP dt + nv  CP dT
8.1) Uso de las capacidades caloríficas molares
 
Tablas: apéndice del texto en la bibliografía
Ejemplo
Calcule el calor que debe suministrarse para calentar 50 m3/min de aire inicialmente a 8°C hasta 25°C. El aire inicial tiene un punto de rocío de 4°C. La presión permanece constante a 100 kPa
Datos: Considere al aire como gas ideal
CP (AS) = 28.94 + 0.4147 x10-2 T + 0.3191 x10-5 T2 – 1.965 x10-9 T3
CP (V) = 33.46 + 0.688 x10-2 T + 0.7604 x10-5 T2 –3.593 x10-9 T3
 H = nAS (h2 – h1)AS + nV (h2 - h1)V
8.2) Uso de las ENTALPÍAS molares
 
Ejemplo
Calcule el calor que debe suministrarse para calentar 80 kg/min de aire inicialmente a 30°C hasta 120°C. El aire inicial tiene una humedad relativa de 70%. La presión permanece constante a 100 kPa
Datos: Considere al aire como gas ideal
Utilice los valores de entalpía de la tabla “Entalpías de gases entre 25°C y T”
Cs es la capacidad calorífica del aire húmedo por cada kilogramo de aire seco
 1.005 CP del aire kJ/kg. °C
 1.880 CP del vapor de agua kJ/kg.°C
Sea un aire húmedo de humedad H (H : kg agua/kg AS)
Por 1 kilogramo de aire seco 
Hay H kiloramos de vapor de agua 
Entonces hay (1+ H) kilos de aire húmedo
 Cs = 1.005x1 + 1.88 x H en kJ / kg AS °C
8. 3) Entalpía de aire húmedo
hfg = calor latente de vaporización del agua a 0°C = 2501.4 kJ/kg
Calor para llevar el aire húmedo de To a T
Para evaluar la entalpía del aire húmedo por kilo de aire seco H AH ,se ha elegido como estado de referencia:
	aire seco a 0°C
	agua líquida a 0°C
Entonces, la entalpía hAH se calcula como “el calor necesario para llevar a 1 kg de AS y H kg de agua desde el estado de referencia hasta una temperatura T, considerando que el agua líquida se vaporiza a 0ºC
hAH = H o + Cs(T-To) kJ / kg de AS 
Cs = 1.0051 + 1.88 H
hfg (a 0ºC) = o = 2 501.4 kJ/kg de agua
To = 0ºC
hAH = 2501.4 H + (1.005 + 1.88 H )(T-To)
kJ / kg de AS 
9. DIAGRAMA DE HUMEDAD
Los parámetros del aire que pueden medirse con la finalidad de conocer su composición son:
Humedad
Humedad molar
Humedad relativa
Temperatura de bulbo seco (TBS) o simplemente temperatura
Temperatura de bulbo húmedo (TBH)
 Esta temperatura se mide con un termómetrocuyo bulbo se ha rodeado con un algodón o gasa húmeda y al colocarse en el aire se registra la temperatura. Si el aire no está saturado, la temperatura que se registra con este termómetro será menor que la que se registra con un termómetro común. Si el aire está saturado, ambas temperaturas son iguales, así como el punto de rocío	
Es la representación gráfica de los parámetros más comunes del aire húmedo
9.1 Temperatura de bulbo húmedo TBH
Cuando el aire no está saturado, las temperaturas de rocío, la temperatura de saturación adiabática (TBH) y la temperatura del aire no coinciden
El aire se humedece y enfría por evaporación del agua en un proceso adiabático
Diagrama de humedad (Sistema aire vapor de agua a 101,325kPa)
Usada para analizar procesos de humidificación, secado y acondicionamiento de aire
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 
Temperatura bulbo seco T (ºC)
Humedad H (kgH2O/kg AS)
0,07
0.06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
20%Hr
100%Hr
Línea de Saturación
Líneas de enfriamiento adiabático
Tbh es cte
Humedad Hm (molH2O/mol ASs)
0,12
0.10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
10%Hr
Líneas de humedad relativa
10. Calentamiento o enfriamiento de aire húmedo
CALENTAMIENTO / ENFRIAMIENTO DE AIRE 
Aire Húmedo
F
T1
H1
HAH
Aire Húmedo
F
T2
H2
HAH
Q
Balance de energía:
a) Q = FAS hAH2 - FAS hAH1
 
b) Q = FAS xCs(T2 –T1)
 Q = FAS (1.005 + 1.880 H)(T2-T1)
Diagrama de humedad (Sistema aire vapor de agua a 101,325kPa)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 
Temperatura bulbo seco T (ºC)
Humedad H (kgH2O/kg AS)
0,07
0.06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
100%Hr
Enfriamiento
Calentamiento
11. Enfriamiento de aire húmedo por debajo de su punto de rocío
Q
ENFRIAMIENTO DE AIRE 
Aire Húmedo
F1
T1
H1
h1
Aire Húmedo
F2
T2
H2
h2
Agua condensada
F3
T3 = T2
Balance de masa
F1 = F2 + F3 masa total
 1 1 
( ) x F1 = ( ) x F2 aire seco
 1 + H1 1 + H2
Diagrama de humedad (Sistema aire vapor de agua a 101,325kPa)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 
Temperatura bulbo seco T (ºC)
Humedad H (kgH2O/kg AS)
0,07
0.06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
100%Hr
Enfriamiento con condensación
12. Enfriamiento de aire húmedo por debajo de su punto de rocío (condensación de agua)
Balance de energía
Q =  Hs -  He = FAS h2 + F3h3 – FASh1 
h1 =  2 501.4 H1 + (1.005 + 1.88 H1) (T1 -To)
h2 =  2 501,4 H2 + (1.005 + 1.88 H2) (T2 -To)
h3 = 4.18 (T3 -To)
FAS = 
To = 0°C
Cambios de entalpía cuando cambia la presión, a temperatura constante
 h = 0 para gases 
 h =  P para sólidos y líquidos
Cambios de entalpía cuando cambia la temperatura a presión constante
 h =  P + CP dT
13. Procesos con cambio de presión
Bibliografía:
Título: Principios elementales de los procesos químicos. 
Autor: Felder, Richard M. y Rousseau, Ronald W. Editorial LIMUSA. 2011. 
i
i
m
x
m
å
=
T
i
T
i
T
i
i
V
V
P
p
n
n
x
=
=
=
100
x
p
p
H
v
R
V
°
=