Objetivos Que el alumno al término de las sesiones correspondientes al estudio de este equipo experimental sea capaz de: a) Explicar el funcionamiento del Evaporador de múltiple efecto de Circulación Natural del tipo de Película Ascendente. b) Operar el equipo realizando cambios de las variables que pueden ser controladas a voluntad del operador. c) Analizar los efectos del cambio de las variables y como lograr un aumento en la capacidad de producción.
Introducción La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado, de hasta 0,05 atm absolutas. Al reducir la temperatura de ebullición del líquido aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido de ebullición y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisión de calor en el evaporador .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. En el cual el vapor procedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentación en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se envía al condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo efecto, y la evaporación obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentación al primer efecto es aproximadamente el doble. El primer efecto de un evaporador de flujo múltiple es aquél en el que se introduce el vapor vivo y en el que la presión en el espacio de vapor es la más elevada. El ultimo efecto es el que tiene la presión mínima en el espacio de vapor. La presión en cada efecto es menor que la del efecto del cual recibe el vapor de agua y superior a la del efecto al cual suministra vapor. Cada efecto, por sí solo, actúa como un evaporador de un solo efecto, y cada uno de ellos tiene una caída de temperatura a través de su superficie de calefacción Correspondiente a la caída de presión en dicho efecto. El acoplamiento de una serie de cuerpos del evaporador en un sistema de múltiple efecto es una cuestión de tuberías de interconexión y no de la estructura de las unidades individuales. La numeración de los efectos es independiente del orden en el que las disoluciones entren como alimentación de los mismos. En figura la alimentación diluida entra en el primer efecto, donde se concentra parcialmente, pasa al segundo efecto para una concentración adicional y, por último, en el tercer efecto alcanza la concentración final. La disolución concentrada se extrae del tercer efecto mediante una bomba. En la operación en estado estacionario las velocidades de flujo y las velocidades de evaporación son tales que tanto el
disolvente como el soluto no se acumulan ni disminuyen en cada efecto. La concentración, temperatura y velocidad de flujo de la alimentación están ligadas, las presiones en la entrada del vapor vivo y el condensador están establecidas, y todos los niveles de las disoluciones se mantienen en cada efecto. Por tanto, todas las concentraciones internas, velocidades de flujo, presiones y temperaturas se mantienen automáticamente constantes por sí mismas durante la operación del proceso. La concentración de la disolución concentrada solamente se puede modificar cambiando la velocidad de flujo de la alimentación. Si la disolución concentrada es demasiado diluida, se reduce la velocidad de alimentación al primer efecto y, contrariamente, se aumenta si es demasiado concentrada. La concentración en el último efecto y de la disolución concentrada que descarga del mismo alcanzará eventualmente un nuevo estado estacionario para el nivel deseado.
Instrucciones de operación Primera etapa: Precalentamiento de la solución diluida (la temperatura de precalentamiento deberá ser de 5 a 10°C menor a la temperatura de ebullición de la solución a concentrar, leída esta, a la presión del separador). 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Llenar el tanque de almacenamiento de la solución diluida. Aflojar la válvula reductora de presión. Cerrar la válvula de alimentación de vapor a la envolvente del primer efecto. Abrir la válvula que alimenta vapor al tanque de la solución diluida. Abrir la válvula de alimentación general de vapor. Apretar la válvula reductora de presión, observar el burbujeo continuo. Esperar hasta lograr la temperatura de precalentamiento correspondiente.
Segunda etapa: Arranque del equipo y toma de datos. NOTA: El arranque no debe exceder de 5 minutos 1. Abrir la válvula del tanque de la solución diluida que comunica a la bomba de alimentación. 2. Abrir parcialmente la válvula de la línea de recirculación al tanque de la solución diluida y la válvula de control de flujo del rotámetro. 3. Accionar la bomba de alimentación y cuando considere que los tubos de la calandria de primer efecto estén totalmente llenos con solución diluida, ajustar con la válvula de control de flujo del rotámetro, el valor del porcentaje seleccionado en el mismo. 4. Abrir la válvula de alimentación de vapor al primer efecto y cerrar la válvula de precalentamiento. 5. Abrir la válvula de purga de gases no condensables del vapor, cuando estos salgan, (observar flujo continuo de vapor) cerrar esta casi totalmente. 6. Con la válvula reductora de presión de vapor ajustar el valor de la presión manométrica elegido. 7. Abrir la válvula de alimentación de agua de condensación a los condensadores y verificar que esta circule a la cisterna.
8. Abrir la válvula de alimentación de agua al sello de la bomba de vacío. 9. Accionar la bomba de vacío y con la válvula de control de vacío, ajustar el valor que corresponda. 10. Abrir la válvula de alimentación de agua al enfriador de vapor condensado. 11. Esperar que se alcance el régimen permanente (las condiciones de operación no cambien con el tiempo). 12. Comprobar que las temperaturas en cada uno de los puntos del indicadorregistrador de temperaturas del tablero sean constantes y cuando estén, se procede a tomar datos. 13. Toma de datos experimentales: Los valores de las condiciones de operación. Diferencias de alturas de nivel de todos los tanques de almacenamiento, citados en la descripción del equipo, para un tiempo inicial de cero y un tiempo final elegido por el equipo de alumnos y el profesor. Las temperaturas del tablero, la temperatura de entrada de agua al condensador y la temperatura de la solución diluida a la entrada del cabezal inferior del primer efecto.
Tercera etapa: Paro del equipo: 1. Desconectar el indicador-registrador de temperaturas. 2. Aflojar la válvula reductora de presión de vapor hasta que el manómetro de la calandria marque cero. 3. Cerrar la válvula de alimentación general de vapor. 4. Desconectar la bomba de vacío y cerrar la válvula de sello hidráulico. 5. Desconectar la bomba de alimentación. 6. Cerrar las válvulas de alimentación de agua al condensador y al enfriador. 7. Tomar la muestra de solución concentrada y descargar los tanques de almacenamiento.
Tabla de datos de condiciones de operación Presión manométrica del vapor (Kg/cm )
1.4
Temperatura de alimentación (°C)
91
Vacío en el condensador (mmHg)
330
Tabla de datos experimentales Diámetro del
Tiempo de
Diferencias
tanque
Temperaturas
operación
de altura de
(cm)
( °C)
(min)
nivel (cm)
59.6
91
15
5.8
34.6
92
15
5.2
15
3.8
15
4.2
15
5.7
(Kg/h) Solución diluida
(Kg/h) Solución concentrada
(Kg/h)
E1
EC1
92
92
E2
EC2
Solvente evaporado
34.6
(Kg/h) Solvente
34.6
evaporado
88
88
(Kg/h)
E3
EC3
Solvente
34.6
evaporado
74
74
(Kg/h)
Mv
Mvc
Vapor de agua de caldera
42
(Kg/h) Agua de
116
25
15
5.5
30s
11.8
56
condensación
23
28
Cálculos Balance de materiales Masa de evaporado 1
Masa de evaporado 2
Masa de evaporado 3
Masa de producto
Masa de vapor condensado
Masa de alimentación
Masa de agua de enfriado
Balance de calor
H
( Eficiencia térmica
Área de la transferencia de calor
Capacidad de evaporación
Economía 0.4557
1.1126 1.3660 Capacidad calorífica
Coeficiente global de transferencia de calor
Calandria
Área de la transferencia de calor
=
Tiempo
= Condensador
( ( ( () - - -
Eficiencia térmica
Evaporado 1
Evaporado 2
Evaporado 3
Coeficiente global de transferencia de calor
Conclusiones A pesar de que las eficiencias en nuestros resultados no son del todo malas, no quiere decir que hayamos operado del todo bien el equipo o que este se encuentre en las mejores condiciones, esto debido a los valores muy bajos que dieron del coeficiente global de transferencia de calor lo que quiere decir que hay fallas en los calores suministrados y aprovechados, por otro lado también se puede suponer que el equipo pueda estar incrustado debido al mal uso y a la no averiguación previa de las condiciones a las cuales se debe de operar tomando en cuenta el tipo de solución que en este caso solo fue agua y también al del precalentamiento. El tiempo de residencia al ser circulación natural da bajo pues el cambio de fase se lleva a cabo dentro de la calandria notando que las velocidades de entrada y salida son iguales pues el fluido debe tener una estancia corta ya que existe un precalentamiento. En general con los tres distintos tipos de evaporadores presentan ventajas y desventajas pero esto dependiendo del uso o de la actividad para la que vallan a ser utilizados los evaporadores. En el condensador nuestra eficiencia es más baja que en el evaporador esto quiere decir que hay una mayor pérdida de calor dentro de este equipo, se puede deber a que el equipo no está completamente aislado del medio ambiente, o a que el equipo puede estar muy viejo o puede tener incrustaciones que disminuye la transferencia de calor dentro de este.
Bibliografía KERN, Donald Q. Procesos de Transferencia de Calor. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V. México, 1965. PERRY, R. H. y D. GREEN. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 6th. Ed., McGraw-Hill New York 1984.
Ing. Alberto Sierra Ochoa Evaporación en la Industria Printed in Mexico 1991 http://www.gea-niro.com.mx/lo-que-suministros/evaporador_circulacion_forzada.asp
