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Autor: CARLOS ALBERTO ECHEVERRI
Curso: 5/5 (1 opinión) |1904 alumnos|Fecha publicación: 24/02/2006

·         Principio.

Una muestra de gas es extraída de la fuente a una velocidad constante, la humedad es removida de la muestra de la corriente y determinada volumétrica o gravimétricamente.

·         Aplicabilidad.

Este método es aplicable para determinar el contenido de humedad del gas de chimenea. Dos procedimientos son dados: El primero es un método de referencia, para determinaciones exactas del contenido de humedad (tal como son necesarias para calcular emisiones). El segundo es un método aproximado que suministra estimativos del porcentaje de humedad para ayudar en el establecimiento del muestreo isocinético con anterioridad a la medición de la emisión de contaminantes. El método aproximado descrito aquí es un acercamiento sugerido. Son también aceptables métodos alternativos para calcular el contenido de humedad como: tubos secantes, mediciones de temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo (psicrometría), técnicas de condensación, cálculos estequiométricos, experiencia previa, etc.

El método de referencia consiste en tomar una muestra de los gases que circulan por la chimenea, succionándolos con una bomba que los hace pasar a través de un filtro para retener las partículas y por unos burbujeadores, que se encuentran en un baño de hielo, para condensar la humedad. De acuerdo con el volumen de gases muestreado y el volumen de agua recolectada se determina el porcentaje de humedad de los gases.

El volumen de vapor de agua, corregido a condiciones de referencia, colectado en los burbujeadores es:

                                                          (5.15)

En la cual:

Vwref  =  Volumen de vapor de agua corregido a condiciones de referencia, m3.

Vf =    Volumen final de agua en los tres primeros burbujeadores, mL.

Vi =     Volumen inicial de agua en los tres primeros burbujeadores, mL.

Pw =    Densidad del agua, 0.9982 g/mL.

Wf =    Peso final de la silica gel o del último burbujeador, g.

Wi =     Peso inicial de la silica gel o del último burbujeador, g.

R =     Constante de los gases ideales, 0.06236 mm Hg m3/mol K.

Tref =   Temperatura de referencia, 298 K.

Pref =   Presión de referencia, 760 mm Hg.

Mw =   Masa molar del agua, 18.0 g/mol.

Si en lugar de medir los volúmenes inicial y final de agua en los tres primeros burbujeadores, estos se pesan para determinar la cantidad de agua recolectada, la ecuación 5.15 se modifica de esta manera:

                                                                             (5.16)

En la cual:

Vwref =  Volumen de vapor de agua corregido a condiciones de referencia, m3.

Pf =    Peso final de agua en todos los burbujeadores, g.

Pi =     Peso inicial de agua en todos los burbujeadores, g.

R =     Constante de los gases ideales, 0.06236 mm Hg m3/mol K.

Tref =   Temperatura de referencia, 298 K.

Pref =   Presión de referencia, 760 mm Hg.

Mw =   Masa molar del agua, 18.0 g/mol.

Los tres primeros burbujeadores, además de ganar peso por el agua colectada, también lo pueden hacer por las partículas que atraviesan el filtro (partículas menores de 0.3 µm) y quedan atrapadas en el líquido. Por eso se registra el volumen de agua recolectado y no su peso. Sin embargo, la masa de las partículas recogidas es tan pequeña con respecto a la del agua recolectada que la masa de las partículas se puede despreciar. Otra alternativa es, corregir el peso del agua recogida en los burbujeadores al restarle el peso de las partículas que quedan atrapadas en el líquido.

El volumen de gas seco medido por el medidor gas, corregido a condiciones de referencia es:

                                                                                     (5.17)

En la cual:

Vmref =  Volumen de gas seco corregido a condiciones de referencia, m3.

Vm =    Volumen de gas seco medido por el medidor de gas seco, m3.

Y =     Factor de calibración del medidor de gas seco.

Pm =    Presión absoluta en el medidor de gas seco, mm Hg.

Tref =   Temperatura de referencia, 298 K.

Pref =   Presión de referencia, 760 mm Hg.

Tm =     Temperatura promedio en el medidor de gas seco, K.

La presión absoluta en el medidor de gas seco es igual a:

                                                                                         (5.18)

En la cual:

Pm =  Presión absoluta en el medidor de gas seco, mm Hg.

Pa =   Presión barométrica, mm Hg.

 = Presión diferencial promedio a través del orificio, mm H2O.

El contenido de humedad de los gases en la chimenea esta dado por la siguiente ecuación:

                                                                                      (5.19)

En la cual:

Bws =   Fracción volumétrica de vapor de agua en la corriente gaseosa.

Vwref =  Volumen de vapor de agua corregido a condiciones de referencia, m3.

Vmref =  Volumen de gas seco corregido a condiciones de referencia, m3.

El método de referencia frecuentemente se realiza simultáneamente con una medición de emisión de contaminantes; cuando es así, el cálculo del porcentaje isocinético y la emisión de contaminantes para la corrida se basarán sobre los resultados del método de referencia o su equivalente.

Nota: El método de referencia (figura 5.3) puede producir resultados cuestionables cuando es aplicable a corrientes gaseosas saturadas o corrientes que contienen gotas de agua. Por lo tanto, cuando estas condiciones existen o son sospechadas, se realizará una segunda determinación del contenido de humedad con el método de referencia, así: Asumir que la corriente de gas esta saturada. Colocar un sensor de temperatura (capaz de medir hasta 1 °C) a la sonda del método de referencia. Medir la temperatura del gas de la chimenea en cada punto de la travesía durante la travesía del método de referencia; calcular la temperatura promedio del gas en la chimenea. A continuación, se debe determinar el porcentaje de humedad así: (1) Usando una carta psicrométrica y haciendo correcciones apropiadas si la presión de la chimenea es diferente a la de la carta, ó (2) usando las tablas de presión de vapor saturado.

 

Figura 5.17. Método aproximado para el muestreo de humedad.

En el método aproximado (figura 5.17) para el muestreo del contenido de humedad solamente se utilizan dos burbujeadores, cada uno con 5 mL de agua, y se toma la muestra de gas con un caudal constante de 2 L/min hasta que el medidor de gas seco registre aproximadamente 30 L. Por lo tanto, la ecuación 5.15 ó 5.16 solamente tendrá en cuenta el peso de los dos burbujeadores. El contenido de humedad en la corriente gaseosa determinado por el método aproximado esta dado por:

                                                                              (5.20)

En la cual:

Bws =   Fracción volumétrica de vapor de agua en la corriente gaseosa.

Vwref =  Volumen de vapor de agua corregido a condiciones de referencia, m3.

Vmref =  Volumen de gas seco corregido a condiciones de referencia, m3.

Bwm =   Fracción volumétrica aproximada de vapor de agua en la corriente gaseosa que se pierde en el segundo burbujeador (0.025).

Conocer el contenido de humedad de la corriente gaseosa es importante para determinar la masa molar del gas en la chimenea; y con esta determinar la velocidad y el caudal del gas en la chimenea. También es un parámetro importante para la realización del muestreo isocinético, ya que el porcentaje de isocinetismo depende tanto del porcentaje de humedad de los gases en la chimenea como del tamaño de la boquilla seleccionado para la toma de la muestra, que a su vez depende también del contenido de humedad.

El método de referencia para medir la humedad es el más exacto, pero implica mayor esfuerzo y un tiempo considerable para la toma de muestra, por lo cual es poco utilizado para obtener estimativos de la humedad.

El porcentaje de humedad se puede determinar por comparación con muestreos de fuentes similares, por balances de masa en el proceso, utilizando la técnica de temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco y una carta psicrométrica, o realizando una determinación preliminar de la humedad.

La técnica de temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco empleada para medir el contenido de humedad en la corriente gaseosa consiste en medir las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo (psicrometría). El termómetro de bulbo seco se introduce en la chimenea hasta que alcanza el equilibrio. El otro termómetro, el de bulbo húmedo, es cubierto con una mecha de algodón saturada con agua destilada. Este también se introduce en la chimenea hasta alcanzar el equilibrio. La temperatura de bulbo seco alcanza rápidamente el equilibrio, mientras que la de bulbo húmedo asciende hasta el equilibrio, se nivela y luego aumenta otra vez hasta que la mecha se seca. El punto de inflexión en el cual la temperatura alcanza el equilibrio es considerada la temperatura de bulbo húmedo (ver figura 5.18)

A temperaturas por debajo de 100 °C, las temperaturas de bulbo húmedo y seco pueden medirse en la corriente gaseosa sin preocupación de que la neblina de ácido sulfúrico este presente y aumente el punto de rocío sustancialmente. Sin embrago, por encima de 100 °C, se pueden tener resultados erróneos debido al secado rápido de la mecha de bulbo húmedo.

 

Figura 5.18. Determinación de las temperaturas de bulbo húmedo y seco.

Partiendo de las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo y la presión absoluta en la chimenea se obtiene el porcentaje de humedad, con la siguiente ecuación:

                                                                                              (5.21)

En la cual:

Bws  =   Fracción volumétrica de vapor de agua en la corriente gaseosa.

Ps =     Presión absoluta en la chimenea, mm Hg.

Ph2o = Presión parcial del vapor de agua en la corriente gaseosa, mm Hg.

La presión parcial del vapor de agua en la corriente gaseosa se puede hallar a través de la siguiente ecuación:

                                                  (5.22)

En la cual:

Ph2o  =    Presión parcial del vapor de agua en la corriente gaseosa, mm Hg.

Ps =       Presión absoluta en la chimenea, mm Hg.

Hw(tw) = Humedad de saturación a la temperatura de bulbo húmedo, kg H2O/kg aire seco.

hfg (tw) = Entalpía de vaporización del agua a la temperatura de bulbo húmedo, J/kg.

td =       Temperatura de bulbo seco, °C.

tw =       Temperatura de bulbo húmedo, °C.

La humedad de saturación a la temperatura de bulbo húmedo se puede hallar a través de la siguiente ecuación:

                                                                          (5.23)

En la cual:

Hw(tw) =    Humedad de saturación a la temperatura de bulbo húmedo, kg H2O/kg aire seco.

Mw =       Masa molar del agua, 18.0 g/mol.

PvH2o(tw) = Presión de vapor de agua a la temperatura de bulbo húmedo, mm Hg.

Ma =       Masa molar del aire seco, 28.97 g/mol.

Ps =         Presión absoluta en la chimenea, mm Hg.

La presión de vapor de agua en función de la temperatura se puede hallar con una precisión bastante buena a través de la ecuación de Antoine:

                                                                          (5.24)

En la cual:

PvH2o(t) =   Presión de vapor del agua, mm Hg.

t =          Temperatura, °C.

La entalpía de vaporización del agua en función de la temperatura se puede hallar con la ecuación de Echeverri para el intervalo de temperaturas de 0 a 100 °C, que es el valor esperado para las temperaturas de bulbo húmedo:

                                                                            (5.25)

En la cual:

hfg(t) =    Entalpía de vaporización del agua, J/kg.

t =        Temperatura, °C.

El porcentaje de humedad también se puede determinar por comparación con muestreos de fuentes similares. La tabla 5.3 presenta algunos valores para la humedad de los gases de combustión provenientes de dispositivos que utilizan algunos combustibles fósiles.

Tabla 5.3.  Valores a asumir para la humedad

  

Una vez determinado el porcentaje de humedad de los gases en la chimenea, se puede calcular la masa molar del gas en la chimenea. Para determinar la masa molar del gas en la chimenea es necesario primero determinar la masa molar del gas seco en la chimenea.

                                                                       (5.26)

En la cual:

Ms  =  Masa molar del gas en la chimenea, g/mol.

Md = Masa molar del gas seco en la chimenea, g/mol.

Bws = Fracción volumétrica de vapor de agua en la corriente gaseosa.

Ejemplo 5.3: En una chimenea de 0.7 m de diámetro fluyen gases de combustión provenientes de una caldera a base de crudo de castilla. Un análisis Orsat arrojó los siguientes resultados:

Tabla 5.4.  Análisis Orsat

 

Mediciones realizadas con un tubo pitot, en ocho puntos sobre la sección transversal, arrojaron los siguientes resultados:

Tabla 5.5.  Recorrido preliminar

 

Se tienen los siguientes datos: coeficiente del tubo pitot 0.84, presión atmosférica 640 mm Hg, temperatura ambiente 22 °C y temperatura de bulbo húmedo 62 °C. Determinar:

a)       La humedad de los gases.

b)       La masa molar del gas seco en la chimenea.

c)        La velocidad del gas en la chimenea.

d)       El caudal de gases.

Solución:

a)       La humedad de los gases.

Para determinar la humedad de los gases se requiere hallar lo siguiente:

·         Entalpía de vaporización del agua a la temperatura de bulbo húmedo.

hfg(tw)=2503300-2433.2(62) 

 hfg(tw)=2352442 J/kg

Comparado con el valor experimental de 2353700 J/kg, el resultado presenta un error del 0.05%.

·         Presión de vapor del agua a la temperatura de bulbo húmedo.

 

 mm Hg

Comparado con el valor experimental de 163.81 mm Hg, el resultado presenta un error del 0.10 %.

·         Humedad de saturación a la temperatura de bulbo húmedo.

 

 kg H2O/kg aire seco

·         Presión absoluta del gas en la chimenea.

Para hallar la presión absoluta del gas en la chimenea se requiere la presión estática promedio en la chimenea, que tiene un valor de -2.963 mm H2O.

 

 mm Hg

·         Presión parcial del vapor de agua en la corriente gaseosa.

 

 mm Hg

·         Porcentaje de humedad de los gases.

 

 (11%)

El mismo valor en el porcentaje de humedad se habría obtenido si suponemos la humedad por comparación con muestreos de fuentes similares (tabla 5.3).

b)       La masa molar del gas seco en la chimenea.

   

 g/mol

c)        La velocidad del gas en la chimenea.

·         Masa molar del gas en la chimenea.

 

 g/mol

·         Velocidad del gas en la chimenea.

 

 Vs= 10.39 m/s

d)       Caudal de gases.

·         Área transversal de la chimenea.

 

As= 0.385 m2

·         Caudal de gases en la chimenea a condiciones de chimenea.                             

Qs= 3600x10.39x0.385 

Qs= 14400.5 m2/h

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