humidificacion
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILO ING: QUIMICA
ENFRIAMIENTO DEL AGUA
1. TITULO: HUMIDIFICACIÓN
2. OBJETIVOS:
Determinación del coeficiente de transferencia de masa kga.
Determinación del flujo del líquido.
Determinar el flujo del gas.
Evaluar la performance de la Torre de enfriamiento
Elaborar un programa que permita hacer los cálculos de los objetivos
anteriores.
3. FUNDAMENTO TEORICO 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
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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. Una torre de enfriamiento (refrigeración) es un
intercambiador de calor cuyo objeto es la eliminación de una cantidad de calor de un
sistema hidráulico. Este calor se transmite a la atmósfera, siendo el agua retornada a
una temperatura inferior. El aire se usa como un medio de refrigeración por medio del
fenómeno físico de la evaporación. La transferencia de calor desde el agua al aire se
lleva a cabo por convección y por evaporación. Teniendo en cuenta las condiciones del
aire cuando entra en la torre de refrigeración, sólo el 10 - 15 % del calor se elimina por
convección; 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.
Hay dos factores principales que determinan una torre de enfriamiento (refrigeración):
La cantidad de aire empleada.
La superficie de intercambio.
El aire se mueve por el interior de la torre por medio de:
Tiro natural
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Ventilación forzada.
La evaporación es el fenómeno predominante, su eficiencia está directamente ligada
al diseño de las superficies de intercambio. El límite teórico de refrigeración es la
temperatura de bulbo húmedo del aire entrante. La superficie de intercambio consiste
en la película de agua sobre el relleno (relleno laminar), o las gotas de agua (tipo de
goteo).el cálculo térmico nos da la cantidad de aire necesaria y la superficie que
debemos de emplear, esto nos permite determinar las dimensiones de la torre de
refrigeración.
El tamaño de las torres de refrigeración varía de acuerdo a su aproximación al límite
de enfriamiento. Esto es de capital importancia por lo que es preciso conocer
anticipadamente:
Condiciones ambientales de la futura localización de la torre.
Temperatura del agua fría óptima para los propósitos deseados.
Esto varía de acuerdo al tipo de torre de refrigeración, sea tiro natural o forzado:
En tiro natural, el rendimiento está afectado por la densidad y la temperatura del
bulbo húmedo y seco del aire entrante en la unidad.
En el tiro forzado el flujo de aire es prácticamente constante; esta operación es
determinada sólo mediante la temperatura del bulbo húmedo del aire entrante.
FÓRMULAS EMPLEADAS PARA LOS CÁLCULOSLas ecuaciones básicas de intercambio de calor se usan para efectuar los cálculos,
pero sólo por medio de la experimentación se consigue la experiencia necesaria en
el cálculo de los factores de intercambio en términos de los diferentes parámetros
(cantidad de relleno, velocidad de aire, caudal de agua,...). La pérdida de carga
también se evalúa mediante el estudio / desarrollo y pruebas de campo en las
diferentes ubicaciones y climas.
Entalpías (H, Kcal / Kg)
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H=(0.24+0.46 yi )×t i+597.2 yi
Pendiente de la Línea de Operación (m, Kcal / Kg ºC)
m=LCLG
=HG2−HG 1TL2−T L1
Flujos del Líquido ( Kg H2O / h)
L2=(LR−10)19 .2 ×60
w=L1−L2=G( y2−y1)
Coeficiente de Transferencia de Masa (KGa ,Kg / atm.m3.h)
NOG=∫HG 1HG 2 dHG
HG¿−HG=zKya sG
KGa=
KyaP
Donde:
H,HG,HG*: Entalpías del gas (Kcal/Kg)
yi : Humedad absoluta del aire saturado con agua (Kg H2O/Kg aire)
ti : Temperaturas del aire( ºC)
Ti : Temperaturas del líquido ( ºC)
L,L1,L2: Flujos másicos líquidos ( Kg H2O/h)
CL: Calor Latente del agua ( Kcal/Kg ºC)
G: Flujo másico gaseoso (Kg aire/h)
LR : Lectura del Rotámetro
w : Cantidad de agua evaporada (Kg H2O/h)
NOG : Integral
z : Altura de la torre (m)
s : Área transversal de la torre (m2)
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Kya : Coeficiente individual de transferencia de masa ( Kg/m3.h)
P : Presión del aire (atm)
Fig. N0 1 ESQUEMA DE UNA TORRE DE HUMIDIFICACION
4. EQUIPO Y MATERIALES:
Torre de enfriamiento de 80 x 30 cm.
Equipo de Intercambiador de calor tubular (calentador eléctrico y rotámetros).
Manómetros, balde, termómetros
Material de estudio: Aire extraído del medio ambiente y agua potable.
Descripción del módulo de Equipo.- es una torre de enfriamiento de 7 pisos con un
área de 0.95*0.4 m y una altura de 2.4 m; acoplado un ventilador y 3 duchas de
dispersión, la cual opera adiabáticamente a régimen estacionario.
Según se muestra en el presente diagrama:
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Fig.N0 TORRE DE ENFRIAMIENTO
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La presente práctica se desarrolló con un caudal de gas constante, y variamos los
caudales del agua.
Se prendió el calentador eléctrico 3 horas antes de iniciar la práctica.
Se fijó el flujo de agua caliente vía rotámetro del intercambiador de calor; primero se
leyó a 40, luego se prendió el compresor para fijar el caudal del aire, se tomaron los
datos de la temperatura inicial.
Después de haber realizado este experimento, se procedió hacer lo mismo para las
diferentes lecturas del rotámetro
6. RESULTADOS Tabla Nº1 Temperaturas de entrada y salida de la torre de enfriamiento, tanto del
agua como del aire.
EXP LR
Temperatura de salida del
Aire t1(ºC)
Temperatura de entrada del
Aire t2(ºC)
Temperatura de entrada del Agua TL1(ºC)
Temperatura de salida del Agua TL2(ºC)
1 50 33 23 52 312 70 33 23 54 322 90 35 23 56 374 110 35.5 23 56 395 130 36.5 23 58 43
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CÁLCULOS: Aplicando las ecuaciones anteriores, se obtienen los siguientes resultados.
Para esto usaremos la carta psicométrica y las siguientes ecuaciones:
HG1=(0.24+0.46Y 1 ) t 1+597.2Y 1
HG2=(0.24+0.46Y 1 ) t 2+597.2Y 2Para LR= 50
S=0.392 m2
z=2.4 m
Entalpía del aire de entrada ( HG1 )
t = 23 ºC y1 = 0.014
HR = 85 % (Carta Psicométrica)
HG1=(0.24+0.46Y 1 ) t 1+597.2Y 1
HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014
HG1=14.029 kcal /kgaire seco
Entalpía del aire de salida ( HG2 )
t2 = 33 ºC y2 = 0.032
HR = 100 % (Carta Psicométrica)
HG2=(0.24+0.46Y 1 ) t 2+597.2Y 2
HG1= (0.24+0.46∗0.032 )∗33+597.2∗0.032
HG2=27.51616 kcal /kgaire seco
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Pendiente de la Línea de Operación ( m )
m=L2CLG
=HG 2−HG1
T L 2−T L1
m=27.51616−14.02952−31
m=0.64225 kcal /kgaire seco℃
Flujo del Agua de entrada ( L2 )
L2=(LR−10)19.2
∗60
L2=(50−10)19.2
∗60
L2=125 kg agua/h
Flujo gaseoso ( G )
m=L2CLG
G=L2C L
m
CL=1kcal /kg℃
G=125 kg /h∗1kcal /kg℃0.64225 kcal/kg℃
G=194.62956 kgaire /h
Cantidad de Agua Evaporada ( w )
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w=G ( y2− y1 )=194.62956∗(0.032−0.014 )
w=3.5033 kg agua/h
Flujo del Agua de salida ( L1 )
L1=w+L2=3.5033+125
L1=128 .5033kgagua/h
Coeficiente de Transferencia de Masa ( KGa)
Graficamos TL vs HG obteniendo valores de “Tabla Nº 02”, donde:
NOG=0.3650
Kya=G∗0.36502.4∗0.392
Kya=194.62956∗0.3650
2.4∗0.392
Ky a=75.05998Kg /m3 . h
KGa=K yaP
=75.05998Kg /m3. h
1atm
KGa=75.05998Kg /m3. h . atm
Para LR= 70
Entalpía del aire de entrada ( HG1 )
t1 = 23 ºC y1 = 0.014
HR = 85 % (Carta Psicométrica)
HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014
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HG1=14.029 kcal /kgaire seco
Entalpía del aire de salida ( HG2 )
t2 = 33 ºC y2 = 0.032
HR = 100 % (Carta Psicométrica)
HG1= (0.24+0.46∗0.032 )∗33+597.2∗0.032
HG2=27.51616 kcal /kgaire seco
Pendiente de la Línea de Operación ( m )
m=L2CLG
=HG 2−HG1
T L 2−T L1
m=27.51616−14.02954−32
m=0.6130527 kcal /kgaire seco℃
Flujo del Agua de entrada ( L2 )
L2=(LR−10)19.2
∗60
L2=(70−10)19.2
∗60
L2=187.5 kg agua/h
Flujo gaseoso ( G )
m=L2CLG
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G=L2C L
m
CL=1kcal /kg℃
G=187.5 kg /h∗1kcal /kg℃0.6130527 kcal /kg℃
G=305.84646 kgaire /h
Cantidad de Agua Evaporada ( w )
w=G ( y2− y1 )=305.84646∗(0.032−0.014)
w=5.50524 kgagua/h
Flujo del Agua de salida ( L1 )
L1=w+L2=5.50524+187.5
L1=193.005kgagua /h
Coeficiente de Transferencia de Masa ( KGa)
Graficamos TL vs HG obteniendo valores de “Tabla Nº 02”, donde:
NOG=0.3650
Kya=G∗0.36502.4∗0.392
Kya=305.84646∗0.3650
2.4∗0.392
Kya=118.6585Kg /m3 . h
KGa=K yaP
=118.6585Kg /m3 . h1atm
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KGa=118.6585Kg /m3 . h. atm
Para LR= 90
Entalpía del aire de entrada ( HG1 )
t1 = 23 ºC y1 = 0.014
HR = 85 % (Carta Psicométrica)
HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014
HG1=14.029 kcal /kgaire seco
Entalpía del aire de salida ( HG2 )
t2 = 35 ºC y2 = 0.037
HR = 100 % (Carta Psicométrica)
HG1= (0.24+0.46∗0.037 )∗35+597.2∗0.037
HG2=31.0921kcal /kgaire seco
Pendiente de la Línea de Operación ( m )
m=L2CLG
=HG 2−HG1
T L 2−T L1
m=31.0921−14.02956−37
m=0.8906 kcal /kgaire seco℃
Flujo del Agua de entrada ( L2 )
L2=(LR−10)19.2
∗60
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L2=(90−10)19.2
∗60
L2=250 kg agua/h
Flujo gaseoso ( G )
m=L2CLG
G=L2C L
m
CL=1kcal /kg℃
G=250 kg /h∗1kcal /kg℃0.8906 kcal /kg℃
G=280.709634 kgaire /h
Cantidad de Agua Evaporada ( w )
w=G ( y2− y1 )=280.709634∗(0.037−0.014)
w=6.456322 kgagua /h
Flujo del Agua de salida ( L1 )
L1=w+L2=6.456322+250
L1=256.456322 kgagua /h
Coeficiente de Transferencia de Masa ( KGa)
Graficamos TL vs HG obteniendo valores de “Tabla Nº 02”, donde:
NOG=0.3650
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Kya=G∗0.36502.4∗0.392
Kya=280.709634∗0.3650
2.4∗0.392
Kya=108.90627 Kg /m3 . h
KGa=K yaP
=108.90627Kg /m3 .h
1atm
KGa=108.90627 Kg /m3 .h . atm
Para LR= 110
Entalpía del aire de entrada ( HG1 )
t1 = 23 ºC y1 = 0.014
HR = 85 % (Carta Psicométrica)
HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014
HG1=14.029 kcal /kgaire seco
Entalpía del aire de salida ( HG2 )
t2 = 35.5 ºC y2 = 0.0375
HR = 100 % (Carta Psicométrica)
HG1= (0.24+0.46∗0.0375 )∗35 .5+597.2∗0.0375
HG2=31.527375 kcal /kg aire seco
Pendiente de la Línea de Operación ( m )
m=L2CLG
=HG 2−HG1
T L 2−T L1
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m=31.527375−14.02956−39
m=1.029316 kcal /kgaire seco℃
Flujo del Agua de entrada ( L2 )
L2=(LR−10)19.2
∗60
L2=(110−10)19.2
∗60
L2=312.5 kg agua/h
Flujo gaseoso ( G )
m=L2CLG
G=L2C L
m
CL=1kcal /kg℃
G=312.5 kg /h∗1kcal /kg℃1.029316 kcal /kg℃
G=303.5996 kgaire /h
Cantidad de Agua Evaporada ( w )
w=G ( y2− y1 )=303.5996∗(0.0375−0.014)
w=7.134592 kgagua /h
Flujo del Agua de salida ( L1 )
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L1=w+L2=7.134592+312.5
L1=319.63459 kgagua /h
Coeficiente de Transferencia de Masa ( KGa)
Graficamos TL vs HG obteniendo valores de “Tabla Nº 02”, donde:
NOG=0.3650
Kya=G∗0.36502.4∗0.392
Kya=303.5996∗0.36502.4∗0.392
Kya=117.7868346Kg /m3 .h
KGa=K yaP
=117.7868346Kg /m3 . h1atm
KGa=117.7868346Kg /m3 . h .atm
Para LR= 130
Entalpía del aire de entrada ( HG1 )
t1 = 23 ºC y1 = 0.014
HR = 85 % (Carta Psicométrica)
HG1= (0.24+0.46∗0.014 )∗23+597.2∗0.014
HG1=14.029 kcal /kgaire seco
Entalpía del aire de salida ( HG2 )
t2 = 36.5 ºC y2 = 0.041
HR = 100 % (Carta Psicométrica)
LOU II TEMA: HUMIDIFICACION
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILO ING: QUIMICA
HG1= (0.24+0.46∗0.041 )∗36 .5+597.2∗0.041
HG2=33.93359kcal /kgaire seco
Pendiente de la Línea de Operación ( m )
m=L2CLG
=HG 2−HG1
T L 2−T L1
m=33.93359−14.02958−43
m=1.3269727 kcal /kgaire seco℃
Flujo del Agua de entrada ( L2 )
L2=(LR−10)19.2
∗60
L2=(130−10)19.2
∗60
L2=375kg agua/h
Flujo gaseoso ( G )
m=L2CLG
G=L2C L
m
CL=1kcal /kg℃
LOU II TEMA: HUMIDIFICACION
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILO ING: QUIMICA
G=375 kg /h∗1kcal /kg℃1.3269727 kcal /kg℃
G=282.59813 kg aire /h
Cantidad de Agua Evaporada ( w )
w=G ( y2− y1 )=282.59813∗(0.041−0.014 )
w=7.630149 kgagua/h
Flujo del Agua de salida ( L1 )
L1=w+L2=7.630149+375
L1=382.6301 kgagua /h
Coeficiente de Transferencia de Masa ( KGa)
Graficamos TL vs HG obteniendo valores de “Tabla Nº 02”, donde:
NOG=0.3650
Kya=G∗0.36502.4∗0.392
Kya=282.59813∗0.3650
2.4∗0.392
Kya=109.6389Kg /m3 . h
KGa=K yaP
=109.6389Kg /m3. h
1atm
KGa=109.6389Kg /m3. h . atm
LR= 50TABLA N0 2 RESULTADOS EXPERIENCIA
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILO ING: QUIMICA
T (ºC) H*G (Kcal/h) HG(Kcal/h) 1/(H*G - HG) 1/(H*G - HG)prom ΔHG Integral
23 16,46004 14,02892 0,411333048 0,273912121 1,47864 0,405017418
29 22,83404 15,50756 0,136491194 0,103691758 1,47864 0,15332278
35 31,0921 16,9862 0,070892322 0,056256655 1,47864 0,08318334
41 42,49118 18,46484 0,041620988 0,034741346 1,47864 0,051369943
47 55,83504 19,94348 0,027861703 0,023869092 1,2322 0,029411495
52 71,4864 21,17568 0,01987648
NOG 0,722304976
20 25 30 35 40 45 50 550
10
20
30
40
50
60
70
80
TEMPERATURA VS ENTALPÍA
LR=70
TABLA N0 3 RESULTADOS EXPERIENCIA
T (ºC) H*G (Kcal/h) HG(Kcal/h) 1/(H*G - HG) 1/(H*G - HG)prom ΔHG Integral
23 16,46004 14,02892 0,411333048 0,26411871 1,72508 0,45562590530 24,308 15,754 0,116904372 0,089573383 1,72508 0,15452125237 33,5453 17,47908 0,062242394 0,048725442 1,72508 0,08405528644 47,6064 19,20416 0,035208491 0,028463291 1,72508 0,04910145551 66,9738 20,92924 0,021718092 0,01950213 0,73932 0,01441831554 79,51828 21,66856 0,017286168
NOG 0,757722213
TABLA N0 4 RESULTADOS EXPERIENCIA
LR=130
LOU II TEMA: HUMIDIFICACION
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T (ºC) H*G (Kcal/h) HG(Kcal/h) 1/(H*G - HG) 1/(H*G - HG)prom ΔHG Integral
23 16,46004 14,028920,41133304
8 0,271157625 1,60186 0,434356554
29,5 23,265405 15,630780,13098220
3 0,098742149 1,60186 0,1581711
36 32,26976 17,232640,06650209
6 0,053024249 1,60186 0,084937424
42,5 44,12125 18,83450,03954640
3 0,031814842 1,60186 0,050962923
49 61,95894 20,436360,02408328
2 0,019261787 2,21796 0,042721872
58 91,905 22,654320,01444029
1NOG 0,771149873
20 25 30 35 40 45 50 55 600
102030405060708090
100
TEMPERATURA vs ENTALPÍA
TABLA Nº 05 COEFICIENTES DE MASA
LR G (Kg/h) KGa (Kg/m3.atm.h) NOG
50 194.62956 75.05998 0,722304976
90 108.90627 280.7096 0,757722213
130 109.6389 282.59813 0,771149873
TABLA Nº 06 VARIACIONES DE LOS FLUJOS DEL LÍQUIDO Y GAS
LOU II TEMA: HUMIDIFICACION
20 25 30 35 40 45 50 55 600
10
20
30
40
50
60
70
80
90
TEMPERATURA vs ENTALPÍA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILO ING: QUIMICA
LR G (Kg/h) L1 (Kg H2O/h) L2 (Kg H2O/h) w (Kg H2O/h)
50 194.62956 128.50 128.50 3.503
90 108.90627 250 254.56 6.4563
130 109.6389 125 382.63 7.601
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Se observó un subenfriamiento, dado con la temperatura de salida del agua
( 21ºC) frente a la temperatura de aire de entrada ( 22ºC). Este fenómeno ocurre
frecuentemente en la parte inferior de las torres de enfriamiento con agua debido a
que la transferencia de calor latente cubre mucho la transferencia de calor
sensible.
En al gráfica Nº2 la Línea de Operación es más amplia en comparción con la de
las gráficas Nº3 y Nº4 debido a las diferencias de temperatura.
A medida que aunmentan los valores de la lectura del rotámetro aumentala
velocidad de flujo de agua ( L2 ), la cual ofrece resistencia al flujo de aire debido a
que ambos flujos están en contracorriente, por llo tanto, eso explica que el flujo
gaseoso ( G ) disminuya.
8. CONCLUSIONES
A medida que aumenta la lectura del rotámetro ( LR ), disminuyen los coeficientes
de transferencia de masa tanto de al fase líquida como de la gaseosa.
El flujo gaseoso ( G ) es directamente proporcional a los coeficientes KGa y Kya.
9. RECOMENDACIONES
LOU II TEMA: HUMIDIFICACION
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILO ING: QUIMICA
Antes de empezar con la práctica esperar unos 3 minutos luego de haber
encendido el compresor y abierto las llaves del agua y del aire frío para que haya
una estabilidad en las temperatutas.
Tomar en forma sincronizada los datos de temperatura de entrada y salida de los
flujos de agua y aire para evitar errores.
10. BIBLIOGRAFÍA
Henley e. & Seader Operaciones de Separación por Etapas de equilibrio
enIngienria Química. 1986. Editorial Revertè S.A. Barcelona.
McCabe Smith & Harnott Operaciones Unitarias de Ingeniería Química. I
Edición. 1993. McGraw Hill.
Ocon & Tojo Problemas de Ingeniería Química. 1981. Ediciones Aguilar. Madrid.
LOU II TEMA: HUMIDIFICACION