EVAPORADOR DE DOBLE EFECTO
Fragoso, J. L.1; Franco, G. 1; Gutiérrez, M. L. 1; Marsiglia, D. E. 1; Pedroza, D.E. 1; Ricardo, R2. 1
Estudiantes de Ingeniería Química. Universidad de Cartagena. 2
Profesor de Laboratorio de Operaciones Unitarias II.
OBJETIVO GENERAL Analizar el funcionamiento de un evaporador de doble efecto para aumentar la concentración de una solución de sacarosa (azúcar común). OBJETIVOS ESPECÍFICOS Identificar los parámetros y condiciones óptimas para la operación del equipo y comprender el fenómeno generado en el evaporador de doble efecto al lograr la concentración de la solución sacarosa. Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor en cada uno de los efectos que intervienen en el proceso. Calcular teóricamente el área de transferencia de calor para cada efecto a fin de comparar esta información con los datos de diseño del equipo. MATERIALES Y EQUIPO
Azúcar común. Balde aforado de 12L. 2 Beakers. 1 Pipeta de 50 mL. Balanza analítica. Refractómetro. Evaporador de doble efecto.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Preparar 12 litros de una solución de sacarosa para un 10%p/p. 2. Determinar la concentración de la solución, utilizando un refractómetro calibrado y cuidando que tenga un límite de detención para soluciones diluidas. 3. Asegurar que las válvulas que intervienen en el sistema estén cerradas. 1
4. Alimentar el tanque de alimentación con 12L de solución. 5. posteriormente verter 6L de solución al Primer efecto y encender ambos interruptores, activando así ambas resistencias. 6. Apagar la primera resistencia posicionada en el tanque de alimentación una vez se alcancen aproximadamente 80°C. A su vez, controlar la temperatura en el primer efecto, que no sobrepase los 100°C. 7. Recolectar el vapor condensado que sale de la chaqueta del segundo efecto, cuando este alcance 500 mL, se procede a tomar una muestra de la solución en el primer efecto. 8. Se deja pasar toda la solución del primer efecto al segundo efecto. 9. Permitir el paso de la solución contenida en el tanque de alimentación al primer efecto, repetir el paso 8 pero esta vez para tomar una muestra de la solución del segundo efecto. 10. Apagar el equipo y descargar el contenido de ambos efectos. 11. Purgar como medida de limpieza para evitar incrustaciones y corrosión. DIAGRAMA DE FLUJO
Figura 1. Diagrama de flujo del equipo. RESULTADOS
Temperatura promedio de la resistencia[°C] T1[°C] h ebullición [W/m2 K] K [W/m K] U1[W/m2 K] A [m2] Composición de la alimentación [xf] Composición de efecto 1 [xL1] Tabla 1. Datos obtenidos experimentalmente del primer efecto.
250 80 38.55823 26,1 38.55823 0.1902 10,1 10,6
2
T1[°C] T2[°C] h ebullición [W/m2 K] h condensación [W/m2 K] K [W/m K] U2[W/m2 K] Composición de efecto 1 [xl1] Composición de efecto 2 [Xl2] Tabla 2. Datos obtenidos experimentalmente del segundo efecto.
100 104 38.55823 3514.0173 26,1 12.22371 10,3 10,9
CÁLCULOS I.
PRIMER EFECTO
En el primer efecto la alimentación se sometió a un precalentamiento hasta no sobrepasar los 80°C, el calor suministrado por la resistencia ubicada en el primer efecto es el calor sensible ya que es ganado por la solución de sacarosa hasta llegar a la temperatura de ebullición y luego en calor latente del solvente que se evapora. Por esto, para determinar el calor transferido en el primer efecto se tiene:
Q1=Q Latente+ Qsensible=mv λ v + mf C pf ( T eb−T f ) El volumen de vapor condensado recolectado del primer efecto fue 200mL. Posteriormente se procedió a medir su volumen a temperatura de 35°C se calcula la masa de vapor generada en el primer efecto.
mv =200
mL∗994,08 g =198,816 g 1000 mL
mv 0.198816 kg Trabajando con 6L en el primer efecto de una solución de sacarosa a una temperatura ambiente de 25°C, considerándose que la solución es homogénea y no se afecta la densidad, se procede a realizar el cálculo de la masa de alimentación:
mf =6
L∗997,13 Kg 1000 L
mf =5.982kg Se procede a realizar el cálculo del
C pf
prom
entre las temperaturas de entrada y salida del sistema:
3
C p =4,206 fprom
kJ kg K
Se calcula el calor transferido hacia el fluido por la resistencia:
Q1=0.198816 kg∗2257,1
kJ kJ +5.982 kg∗4,206 ∗( 100 ° C−80° C ) kg Kg K
Q1=951.953 kJ *Cabe aclarar que no es posible describir la transferencia de calor por unidad de tiempo, puesto que no se cronometrizo, esto debido a que no es un proceso continuo. Para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor en el primer efecto, se tienen en cuenta únicamente el calor por convección. Dado que el contacto de la resistencia con el almacenamiento es directo y posteriormente se transfiere por convección hacia el resto de la alimentación.
U 1=
1 1
L + hebullción K
=hebullción
Este coeficiente se calcula mediante correlaciones, como la que se presenta a continuación:
[
K v 3 ( ρL −ρv ) ρ v g λv hebullición =0.62∗ μv d o ( T s−T sat )
[
]
1 4
Kg ∗9.82m 3 W 958.05 Kg Kg m3 kJ 0.0246 −0.5863 3 0.5863 ∗2257,1 3 2 mK kg m m s hebullición =0.62 1.3∗10−5 Pa s∗6.35∗10−3 m ( 250° C−100 ° C )
(
)(
)
]
1 4
hebullición =38.55823 W /m2 K Considerando que todo el calor que disipa la resistencia se aprovecha para la evaporación del solvente y no hay perdidas al ambiente, este cálculo es una idealización del proceso por lo cual el área de diseño debe ser mayor. Para el cálculo del área se despeja de la definición de calor:
4
A 1=
Q1 U 1 ( T s−T 1 )
=
1100 W W 38.55823 2 ( 250 ° C−100 ° C ) m K
A 1=0.1902 m2 II.
SEGUNDO EFECTO
El principio del evaporador de doble efecto consiste en reutilizar el calor latente para la siguiente evaporación, esto ayuda a economizar el vapor. Su aplicación es limitada, pero el estudio de su trabajo es una aplicación de la técnica del vapor. Cuando el vapor se utiliza para evaporar el agua de un producto, el vapor original se divide en dos:
Calor latente de vaporización, que es por evaporación del agua del producto. Agua que se conserva en el condensado, se forma cuando el vapor original se condensa.
El coeficiente global de transferencia de calor tendrá en cuenta la convección, la película de condensado y la transferencia de calor desde el vapor saturado, además de la resistencia del espesor de la chaqueta.
U 2=
1 r2 ln r1 1 1 + + 2 πLK hebullición hcondensado
El coeficiente de ebullición fue calculado anteriormente, el de la película de condensado se determina con la correlación experimental.
h´L=0.943
[
g ρ L ( ρ L− ρv ) K L 3 h ´ fg μv L ( T sat −T s)
]
h ´ fg =hebullición + 0.68C pl ( T sat −T s ) Remplazando en los valores numéricos en las ecuaciones anteriores se obtiene:
h ´ fg =38.55823+ 0.68∗4,216 ( 104−100 )=49.78095
[
3
9.82∗958.05 ( 958.05−0.5863 ) ( 1.4∗10−4 ) ∗49.78095 h´L=0.943 −5 −3 1.3∗10 Pa s∗6.35∗10 m ( 104−100 )
] 5
2 h´L=3514.0173W /m K
Se calcula el coeficiente global de transferencia de calor:
U 2=
1 10 12 1 1 + + 2 π∗0.02∗26,1 38.55823 3514.0173 ln
2
U 2=12.2237 W /m K *Debido a no se cronometrizo, no es posible hallar el área de transferencia, esto a que se presenta una inconsistencia dimensiona. Para una próxima oportunidad es necesario conocer el tiempo de transferencia de calor para sistemas batch con el que se trabajó. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS El caudal que fluye a la cámara de evaporación lo hace por ciclos y no de forma continua, lo que no permite efectuar una evaporación instantánea en el sentido estricto de la palabra, sino una evaluación aproximada que consiste en estudiar lo que ocurre cuando una porción de líquido llega a temperaturas superiores a la de ebullición en la cámara y el resto de a porción llega a una temperatura ligeramente menor a la de ebullición en la cámara. El evaporador de doble efecto es una manera de concentrar la solución en un sistema donde el principal beneficio es el aprovechamiento del calor latente del vapor que se genera en el primer efecto. Esto demostrado en los resultados obtenidos durante la practica: Como primera muestra se obtuvo una solución de sacarosa de 10.1°Brix y al finalizar se obtuvo una solución de sacarosa de 10.6°Brix. Se puede concluir que parte importante de la práctica fue el mantener el equipo en estado estable para poder obtener los mejores resultados y tener resultados razonables para cada uno de los cálculos que se realizaron, algo que destacó en el desarrollo de la práctica fue el que muchos de los datos necesarios para obtener el coeficiente global de transferencia y los coeficientes de transferencia dependían de las propiedades de los fluidos y las condiciones a las que estaban estos, otro factor importante fue el que al comienzo de esta práctica el equipo estaba frío y se debía llegar a estado estable para poder realizar la práctica. La interpretación del coeficiente global de transferencia de calor es menor en el segundo efecto esto debido a la resistencia al espesor de la chaqueta y a la película de condensado que se forma cuando el vapor cede energía a la solución que se desea concentrar. *Seguir estrictamente las indicaciones adicionadas en la guía de la disposición de las válvulas para cada caso dado ya que es muy fácil cometer errores que desvíen los flujos y no permitan evaluar correctamente la operación. CONCLUSIONES: 6
El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. Un evaporador es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que en el primer efecto se usa vapor de agua como medio de calentamiento, temperatura de ebullición. El vapor extraído del primer efecto se usa como medio de calentamiento, se condensa en el segundo efecto y se vaporiza agua a temperatura y presión en este efecto, de modo que pasa de estado líquido a vapor. Para transferir calor del vapor que se condensa al líquido en ebullición en este segundo efecto, la temperatura de ebullición debe ser inferior a la de condensación. Esto significa que la presión del segundo efecto debe ser menor que la presión del primer efecto. A fin de cuentas un evaporador, es un intercambiador de calor más complejo, en el que además de producirse el cambio de fase pueden darse otros fenómenos asociados a la concentración de la disolución, como la formación de sólidos, la descomposición de sustancias, etc. El método general para aumentar la evaporación por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de evaporación en múltiple efecto. Los evaporadores, deben funcionar siempre a vacío parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación En la práctica el evaporador se denota las diferencias entre coeficientes globales de trasferencia de calor, esto debido a utilización de fuentes de energía distintas y manejo manual de estabilización del sistema.
REFERENCIA
[1] EVAPORADOR DE DOBLE EFECTO. Manual de laboratorio de operaciones unitarias ll. Ing. Adriana Herrera Barrios, Ing. Rodrigo Ricardo Paredes. Facultad de Ingeniería. Programa de Ingeniería Química. Universidad de Cartagena. 2014. [2] PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS. Christie J. Geankoplis. Compañía editorial continental S.A de C.V. 1998. [3] PROBLEMAS DE INGENIERÍA QUÍMICA. OPERACIONES BÁSICAS. Ocon Gracia, Gabriel y TOJO Barreiro, Gabriel. Primera edición. [4] OPERACIONES UNITARIAS C.Smith.McGraw-Hill
EN INGENIERÍA QUÍMICA . L. McCabe-
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