PRUEBA DE OPERACIONES UNITARIAS III TEMA: resolver los siguientes ejercicios, utilizando los medios necesarios. 1.
Un evaporador de doble efecto, que opera en corriente directa, se utiliza para concentrar un zumo clarificado de fruta desde 15 hasta 72 °Brix. El vapor de caldera del que se dispone es saturado a 2,4 at, existiendo en la cámara de evaporación del segundo efecto un vacío de 460 mm Hg. El zumo diluido es alimentado al sistema de evaporación a una temperatura de 50 °C a razón de 3.480 kg/h. Si los coeficientes globales de transmisión de calor para el primer y segundo efecto son 1.625 y 1.280 W/(m2·°C), respectivamente, determinar: a) Caudal de vapor de caldera y economía del sistema. b) Superficie de calefacción de cada efecto. c) Temperaturas y presiones en las cámaras de condensación y evaporación de cada efecto. Datos. Propiedades de los zumos de frutas: • El incremento incremento ebulloscopio puede calcularse según la expresión: ΔTe = 0,014 C0,75 P0,1exp (0,034 C) °C, en la que C es el contenido en sólidos solubles en °Brix y P la presión en mbar.
2. Se quiere concentrar con un evaporador de un solo efecto una solución conteniendo 10% de solidos hasta30% de solidos a una velocidad de 200Kg / h. si la presión en el evaporador es de 0,7 Kg/cm2 absolutos y se dispone de vapor de agua a 2 Kg/cm 2 manometrica, calcúlese la cantidad de vapor de agua requerido por hora y el área de transmisión de calor, si el coeficiente global de transferencia de calor es 1500 Kcal/m 2 h °C. supóngase que la temperatura de alimentación es 20°C y el punto de ebullición de la disolución es de 90°C a la presión de 0,7 Kg/cm2 absoluta. Supóngase también que el calor específico de la disolución es de 1 Kcal/Kg °C y el calor latente de vaporización de la disolución es el mismo que el del agua en las mismas condiciones. 3. Un evaporador de doble efecto en paralelo debería ser diseñado para concentrar 75 000 lb/h a 135°F de leche fluida desde 12% a 45%. El vapor disponible disponibl e para el proceso está a 212°F y es conocido que la temperatura de 141°F será mantenida en el segundo evaporador, como también el U1= 450 y U2= 300 BTU/h ft2 °F son asumidos. El calor especifico puede ser estimado por Cp = 1- 54SC en BTU/lb °F, donde SC es contenido de sólidos. 4. Calcular el vapor de agua necesario, la superficie de transmisión de calor y temperaturas de evaporación en cada efecto de un evaporador de múltiple efecto en el que se evaporan 1000 Kg por hora de una solución al 10%, para producir una solución al 30%. Se dispone de vapor de agua a 2,1 Kg/cm 2 manométrica y la presión en la cámara de evaporación del efecto final es de 0,7 Kg/cm2 absoluta. Supónganse que los coeficientes globales de transmisión de calor son 2000, 1700 y 1200 Kcal/m2 h °C en el primero, segundo y tercer efecto. Supóngase que no hay elevación del punto de ebullición. 5. 18.000 Kg/h de jugo de naranja alimentado a una unidad de evaporación para producir un concentrado, el jugo tiene 24% de contenido de solidos a 25°C en la entrada y debería ser concentrado hasta 72% utilizando vapor saturado a 120°C. Considerar una temperatura de ebullición de 75°C. Determinar los balances de materia y energía y tiempo de funcionamiento del evaporador para completar este proceso. Comentario: este alimento líquido es uno de los sujetos a concentración por evaporación. La idea es evaluar la capacidad (el flujo de agua evaporada), el consumo de vapor y la economía del vapor. Justamente aplicando los balances.
6. Una solución concentrada de tamarindo (18%) será concentrada por evaporación hasta alcanzar 36% peso/peso de concentración. La solución es alimentada a una velocidad de 30.000 Kg/h y 18°C que será concentrada utilizando vapor saturado a 125 kPa. Considerar que la unidad de evaporación trabajará en 24 pulgadas de vació y un coeficiente global de transferencia de calor de 2050 w/m 2 °K puede ser asumido. Estimar los requerimientos necesarios de este proceso para ordenar comprar el equipo. Este alimento líquido no es muy consumido, es utilizado en algunas culturas como una bebida. La idea es evaluar la capacidad (flujo de agua evaporada), el consumo de vapor, la economía de evaporación, el área de transferencia de calor como también el número de tubos, dado que los tubos son de 1.5 pulgadas de diámetro y 12 pies de largo, justamente aplicando los balances. (considerar el aumento del punto de ebullición – diagrama de Diurhing) 7. Una unidad de evaporación en alimentación en paralelo debería ser diseñada para concentrar 75.000 Lb/h a 135°F de leche fluida desde 12% a 45% de sólidos. El vapor a 212°F está disponible para este proceso y conociendo que una temperatura de 141°F será mantenida en el segundo evaporador, como también U 1= 450 y U2=300 BTU/h ft2 °F pueden ser asumidos. El calor especifico puede ser estimado por Cp = 1- 0,54SC en BTU/Lb °F (SC = contenido de solidos). Este ejemplo ha sido seleccionado para incluir dos aspectos adicionales que no han sido considerados en el resto de ejemplos, primero el manejo de unidades inglesas y segundo tomar para los puntos de ebullición como la temperatura de referencia en lugar de 32°F. Asumir: BPE = 0, iguales áreas de trasmisión de calor, temperatura ebullición agua 141°F.
8.
producto concentrado sale del segundo efecto a una velocidad de 1000 Kg/h. El alimento entra al primer efecto a 60°C, disponiéndose de vapor saturado a 169.06 KPa. Suponer que las superficies son iguales en los dos efectos y que la temperatura de evaporación en el segundo efecto es de 40°C. El coeficiente global de transmisión de calor en el primer efecto es de 850 W/m2 °C y de 600 W/m 2 °C en el segundo. Calcular la economía del vapor y la superficie necesaria en cada efecto. Suponer ΔT1 = ΔT2 en la primera iteración.
9.
Un jugo de fruta es concentrado desde 10 a 30% de contenido de sólidos en un evaporador en contracorriente a un caudal de 10000 Kg/h. la temperatura del jugo a la entrada es 70°C y la temperatura del vapor es 110°C. el agua de enfriamiento en la entrada del condensador (superficie condensador) es 25°C y en la salida es 42°C. el calor especifico del jugo en la entrada del evaporador es 3,9 KJ/Kg °C. calcular el caudal de evaporación en cada efecto, la economía del vapor y el caudal del agua de enfriamiento en el condensador. los calores específicos en la salida de cada efecto y las temperaturas de ebullición son proporcionados en la siguiente tabla.
Calor especifico (J/Kg °C) Temperaturas de ebullición (°C)
Primer efecto 3400
Segundo efecto 3800
87
55
Condensador 4190
10. Jugo de uva a una caudal de 3 k g/s es concentrado en un evaporador de simple efecto desde 18 a 23% de contenido de sólidos. Calcular el caudal másico del producto concentrado, el caudal de evaporado, el consumo de vapor, la economía del vapor y el área de transferencia de calor del evaporador, si el jugo entra al evaporador a 50°C, hierve el jugo en el evaporador a 50°C, es utilizado vapor saturado a 100°C como medio de calefacción, el condensado sale a 100°C, el calor especifico del jugo es de 3,7 KJ/kg °C y 3,6 KJ/Kg °C a la entrada y salida del evaporador respectivamente y el coeficiente glo bal de transferencia de calor es de 1500 W/m2 °C. 11. Calcular el consumo de vapor y la economía del vapor en un evaporador de simple efecto el cual ha sido usado para concentrar jugo de fruta. El jugo entra al evaporador a 25°C y caudal de alimentación de 2 Kg/s, la presión de saturación en el evaporador es 31,19 KPa. El vapor saturado a una presión de 143,27 KPa es usado como medio de calentamiento. El condensado sale a la temperatura de condensación, el calor especifico del jugo es de 3,9 KJ/Kg °C y 3,7 KJ/Kg °C a la entrada y salida del evaporador respectivamente y el contenido de solidos es de 10% y 20% en la entrada y salida del evaporador respectivamente.
