UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Escuela Profesional de Ingeniería Química
Laboratorio de Operaciones Unitarias I PI 135 B
Evaporación
Profesor responsable: responsable: MSc. Ing. Abel Abel Fernando Vergara Sotomayor Sotomayor
Integrantes:
Gutierrez Medrano Luis Cesar Porras Saenz Carlos Enrique
Lima, 02/06/2017
20112629B 20112581J
ÍNDICE Resumen o abstract ………………………………………………………….(I) Introducción…………………………………………………………………..(II) 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Fundamento teórico……………………………………………………..(5) Objetivos…………………………………………………………………(11) Metodología ……………………………………………………………..(11) Resultados………………………………………………………………(12) Discusión de resultados……………………………………………….(22) Conclusiones……………………………………………………………(24)
Referencia Bibliográfica……………………………………………………(24) 7. Apéndice Diagrama de equipo………………………………………………(25)
RESUMEN O ABSTRACT La evaporación es una operación en la que se separa, mediante ebullición, un disolvente volátil de uno o varios solutos no volátiles, con los que se encuentra mezclado (formando una disolución o suspensión). En la inmensa mayoría de las evaporaciones el disolvente es el agua. Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos. Un evaporador de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el funcionamiento, el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor calefactor del segundo efecto. El principio del evaporador de efecto múltiple consiste en reutilizar el calor latente para las evaporaciones sucesivas, esto ayuda a economizar el valor. Su aplicación es limitada, pero el estudio de su trabajo es una aplicación de la técnica del valor. Cuando el valor se utiliza para evaporar el agua de un producto, el valor 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.
Evaporation is an operation in which a volatile solvent of one or more non-volatile solutes with which it is mixed (forming a solution or suspension) is separated by boiling. In the vast majority of evaporations the solvent is water. An evaporator is a shell and tube heat exchanger. The essential parts of an evaporator are the heating chamber and the evaporation chamber. The tube bundle corresponds to one chamber and the shell corresponds to the other chamber. The shell is a cylindrical body in whose interior is the tube bundle. A multi-effect evaporator consists of a set of evaporators, where the first effect is the first evaporator and so on. During operation, the steam produced in the first effect is used as the heating vapor of the second effect. The principle of the multi-effect evaporator is to reuse the latent heat for successive evaporations, this helps to economize the value. Its application is limited, but the study of its work is an application of the value technique. When the value is used to evaporate the water of a product, the original value is divided into two: latent heat of vaporization, which is by evaporation of the water of the product, water that is conserved in the condensate, is formed when the original vapor is Condenses.
INTRODUCCIÓN La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. El material que se evapora circula casi siempre por el interior de los tubos. Al disminuir la temperatura de ebullición del líquido aumenta la diferencia entre el vapor condensante y el líquido que hierve y, por consiguiente, aumenta la velocidad de transmisión de calor en el evaporador. Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente de la ebullición del líquido se condensa y se desprecia. Este método se denomina evaporación en efecto simple, y, si bien resulta sencillo, no utiliza eficazmente el vapor. Si el vapor procedente de un evaporador se introduce como alimentación a la caja de vapor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se lleva después a un condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. Procediendo en la forma indicada se pueden adicionar más efectos. El método general de incrementar la evaporación por Kg de vapor vivo utilizando una serie de evaporadores entre la línea de vapor y el condensador recibe el nombre de evaporación de múltiple efecto. Las principales características de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de kilogramos de agua vaporizados por hora. La economía es el número de kilogramos vaporizados por kilogramo de vapor vivo que entra como alimentación a la unidad. En un evaporador de simple efecto la economía es casi siempre menor que la unidad, pero en los aparatos de múltiple efecto puede ser considerablemente mayor. Pero también tiene gran importancia el consumo de vapor, en kilogramos por hora, y que es igual a la capacidad dividida por la economía.
El principal factor que afecta a la economía de un sistema de evaporación es el número de efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía del vapor vivo que llega al primer efecto se puede utilizar una o más veces, dependiendo del número de efectos de que conste el evaporador. La economía también depende de la temperatura de alimentación. Si dicha temperatura es inferior a la de ebullición en el primer efecto, una parte de la entalpía de vaporización del vapor vivo se utiliza para calentar la alimentación y solamente queda la fracción restante para la evaporación. Si la alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición, la vaporización súbita que se produce proporciona una evaporación adicional sobre la originada por la entalpía de vaporización del vapor vivo. Desde el punto de vista cuantitativo, la economía de un evaporador se calcula mediante balances entálpicos.
FUNDAMENTO TEÓRICO La evaporación es una operación que consiste en la separación de un disolvente volátil de un soluto no volátil por vaporización del disolvente; el agua es el disolvente que con más frecuencia hemos de separar. La evaporación se lleva a cabo vaporizando una parte del disolvente con el fin de obtener una solución concentrada. La evaporación se diferencia del secado en que el residuo es un líquido en vez de un sólido; de la destilación, en que el vapor es generalmente un solo componente, y aún cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se pretende separar el vapor en fracciones; de la cristalización, en que el interés se centra en concentrar una solución y no en la formación y crecimiento de cristales. Generalmente, en evaporación el líquido concentrado es el producto valiosos mientas que el vapor se condensa y desprecia. Sin embargo, en algún caso concreto puede ocurrir lo contrario. Así, el agua conteniendo sales se somete con frecuencia a evaporación con el fin de obtener un producto libre de sólidos para alimentación de calderas, para procesos especiales o para el consumo humano. La resolución de los problemas de evaporación se lleva a cabo por aplicación de los conceptos generales referentes a la transmisión del calor desde el vapor condensante hasta la disolución a concentrar. Esta cantidad de vapor viene dada por la expresión: = ∆
Coeficiente integral de transmisión de calor:
Para la determinación de este coeficiente hemos de conocer el coeficiente de condensación del vapor de calefacción, la resistencia de conducción del material que forma la superficie de intercambio de calor entre el vapor condensante y la disolución, incluyendo los depósitos sólidos, y el coeficiente de convección del líquido hirviente. En la práctica este coeficiente ha de determinarse experimentalmente en cada caso, aunque se dispone de una serie de gráficas, correspondientes a los distintos tipos de evaporadores, que permiten determinar el valor de este coeficiente para distintas condiciones de operación. La diferencia de temperaturas entre el valor condensante y el líquido hirviente es función de los siguientes factores: 1) Las condiciones del vapor de calefacción 2) La presión de la cámara de evaporación 3) La concentración de la disolución.
La gran variedad de características del líquido que existe, es lo que hace que esta operación constituya un arte distinto de la simple transmisión de calor. A continuación se consideran algunas de las propiedades más importantes de los líquidos que se someten a evaporación.
Concentración: Aunque el líquido que entra como alimentación a un evaporador puede ser suficientemente diluido y poseer muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración, la solución adquiere cada vez un carácter más particular. La densidad y viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se satura o se hace demasiado dificultosa para la adecuada transmisión de calor. La ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales que es preciso retirar con el fin de evitar la obstrucción de los tubos. A medida que aumenta la proporción de sólidos aumenta también la temperatura de ebullición de la solución, que puede ser mucho mayor que la del agua pura a la misma presión. Formación de espuma: Algunos materiales, especialmente sustancias orgánicas, forman espuma durante la vaporización. Con el vapor sale del evaporador una espuma estable que origina un gran arrastre. En los casos extremos toda la masa del líquido es arrastrada por el vapor. Sensibilidad a la temperatura: Muchos productos químicos, medicamentos y alimentos se estropean cuando se calientan a temperaturas moderadas durante espacios de tiempo relativamente cortos. En la concentración de estos materiales es preciso utilizar técnicas especiales para reducir la temperatura del líquido y el tiempo de calentamiento. Formación de costras: Algunas soluciones depositan costras sobre las superficies de calentamiento. Por este motivo, el coeficiente global disminuye paulatinamente, hasta que es preciso parar el evaporador y limpiar los tubos. Cuando la costra es dura e insoluble, la limpieza resulta difícil y costosa. Materiales de construcción: Siempre que es posible, los evaporadores se construyen en hierro colado o acero. Sin embargo, muchas soluciones atacan a los metales férreos o son contaminados por ellos, siendo entonces preciso utilizar materiales especiales tales como cobre, níquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo. Como estos materiales son caros, resulta muy conveniente obtener elevadas velocidades de transmisión de calor con el fin de disminuir el coste inicial del aparato. El diseñador de un evaporador tiene que considerar muchas otras características del líquido, tales como calor específico, calor de concentración, temperatura de congelación, liberación de gases durante la ebullición, toxicidad, peligro de explosión, radioactividad. EVAPORADOR DE TUBOS LARGOS VERTICALES Está formado por un elemento calefactor tubular diseñado para el paso de los licores a través de los tubos sólo una vez, movidos por circulación natural. El vapor entra a través del cinturón, y el haz de tubos tiene deflectores de manera de lograr un movimiento libre del vapor, condensado y no condensado hacia abajo. Flujo ascendente (película ascendente)
Se constituye de un cambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la carcasa, y el líquido que se desea concentrar en el interior de los tubos, un separador o espacio de vapor para separar el líquido arrastrado por el vapor, y cuando opera como una unidad de circulación, una recirculación para el líquido desde el separador hasta el fondo del cambiador.
Los tubos son típicamente de 1 a 2 pulg de diámetro y 12 a 32 pies de longitud. El líquido y el vapor ascienden por el interior de los tubos como consecuencia de la acción de ebullición, y el líquido separado retorna al fondo de los tubos por gravedad.
La alimentación diluida, con frecuencia a una temperatura próxima al ambiente, entra en el sistema y se mezcla con el líquido que retorna del separador. La mezcla entra por el fondo de los tubos, sobre la parte exterior de los cuales condensa vapor de agua. Durante una corta distancia la alimentación que entra en los tubos asciende como líquido recibiendo calor desde el vapor de agua.
Ventajas
Los evaporadores de tubos largos verticales son especialmente eficaces para concentrar líquidos que tienden a formar espuma. La espuma se rompe cuando la mezcla de líquido y vapor de alta velocidad choca contra las placas deflectoras
Desventajas
Este tipo de evaporador no es especialmente adaptable a los licores incrustantes o que depositan sales, pero es excelente para el manejo de líquidos espumosos o que forman natas. El producto utilizado debe ser de baja viscosidad debido a que el movimiento ascendente es natural.
OBJETIVOS
Emplear el balance general de materia y energía para un evaporador de simple efecto. Discutir cuales son las características del diseño del evaporador. Calcular el coeficiente global de transferencia de calor de un evaporador de tubos largos verticales simple con flujo ascendente.
METODOLOGÍA Vapor W (kg/h) Hv (kcal/kg) Separador
Vapor de calefacción S (Kg/ h) Hs (Kcal/ Kg)
Evaporador Tubular
Condensado S (Kg/ h) Hc (Kcal/ Kg)
Alimentación Solución diluida F (Kg/ h) HF (Kcal/ Kg)
Solución concentra P (Kg/ h) HP (Kcal/ Kg)
Se establecen las corrientes en el evaporador de simple efecto para el balance de materia y energía.
RESULTADOS 5.0 24 24
Concentración inicial: Tf: Temperatura de la solución diluida: Tr: Temperatura de referencia:
Presión de vapor vivo [Psi]: Flujo de solución diluida (F) [lb/s]: Flujo de solución concentrada (P) [lb/s]: Flujo de vapor condensado (S) [L/s]: Flujo de solvente condensado (W) [L/s]: Temperatura de salida de la solución concentrada ( Tp) [°C]: Temperatura de salida del solvente condensado ( Tw) [°C]: Control de calidad °Brix:
°Brix °C °C
1 30 300 10.214 0.01498 0.02857 85 92 10
CORRIDAS 2 30 300 11.017 0.01702 0.03925 90 95 10,5
3 50 300 13.636 0.04086 0.04 92 97 11
Balance de masa: F+S=W+P+S CORRIDA 1 2 3
F (lb/s) 300 300 300
P (lb/s) 10.214 11.017 13.636
W(lb/s) 4.776 2.174 1.751
BALANCE ENTÁLPICO PARA EL VAPOR CONDENSADO = −( − ) = . Hc: Entalpia especifica del condensado Hv: Entalpia especifica del vapor de agua λ: Calor latente de condensación del vapor
Hallaremos primero el calor entregado por el vapor de Agua Donde hallaremos Hc y Hv de tablas de vapor, para ello nos proporcionan las presiones a la cual esta el vapor de agua, en nuestro caso son:
Haciendo Las interpolaciones correspondientes Interpolaciones para cada presión, se hallara la temperatura Saturada, Hc y Hv. CORRIDA 1 2 3
Pabs.(psi) 44.7 44.7 64.7
T(°F) 292.034 292.034 311.507
Hc (BTU/Lb) 261.607 261.607 281.694
Hv (BTU/Lb) 1177.83 1177.83 1183.42
λ (BTU/Lb)
916.226 916.226 901.728
S(lb/s) 0.0304 0.0346 0.0822
Qs (BTU/s) 27.8533 31.7014 74.1221
BALANCE ENTÁLPICO PARA EL LADO DE LA SOLUCIÓN QUE SE CONCENTRA = ó = . + . −
CORRIDA 1 2 3
Tw (ºF) 197,6 203 206,6
Hw (BTU/Lb) 1145 1143.61 1136.5
*Hw de tablas de vapor de agua ingresando con valores de temperatura Dónde : HW: Entalpía de Vapor saturado del solvente HF: Entalpía de la Solución Diluida HP: Entalpía de la Solución Concentrada = ( − ).
= (2 − ).
Donde : Ce(BTU/lboF): calor específico a la Temp de referencia T2(°F): Temperatura de ebullición de la Solución Tr (°F): Temperatura de Referencia=77 CONTROL DE CALIDAD CORRIDA
°Brix
Ce (Btu/lbºF)*
inicial
4,5
0.977
1
11,0
0.942
2
10,5
0.944
3
11,5
0.938
4
16,0
0.914
5
20,0
0.892
6
28,5
0.845
*Los valores de Ce fueron hallados de la figura 14,34 del libro Kern pág. 487
CORRIDA
Ce (Btu/lbºF)
T2.(ºF)
Hp (BTU/Lb)
1 2
0.942
210.2
125.47
0.944 0.939
213.8 210.2
129.14 125.07
3
CORRIDA
W(lb/h)
Hw (BTU/Lb)
P (lb/h) Hp (BTU/Lb)
F (lb/h)
HF (BTU/Lb) Q (BTU/h)
1 2
223.84 420.17
1131.19 1143.36
100 150
125.47 129.14
450 350
0 0
265752.57 499776.57
3
376.3
1138.45
200
125.07
350
0
453412.74
CAÍDA APARENTE DE TEMPERATURA ∆ = −
CORRIDA 1 2 3
Pabs.(psi) 62,7 64,7 69,7
Tsat (°F) 295.53 297.63 302.61
Tp (°F) 158.0 176.0 185.0
Dónde :
Tsat (°F): Temperatura de saturación del vapor Tp (°F): Temperatura de la solución concentrada
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA GLOBAL = ∆
Donde: ∆ = − =
Dónde : U: Coeficiente Global de Transferencia de Calor Qs: Calor cedido por el vapor N: Numero de tubos
=12
∆
137.53 121.63 117.61
D(ft): Diámetro del tubo
=0,073 ft
L(ft): Longitud de los tubos
=7,667 Ft
A: Área Lateral de los tubos
A (ft2) =
21,1
CORRIDA 1 2 3
Qs (BTU/h) 250599.55 294250.91 340452.75
∆T(°F)
137.53 121.63 117.61
U (BTU/h.ft2.°F) 86.36 114.66 137.19
DISCUSION DE RESULTADOS
La medición de los caudales se realizó mediante rotámetros; la medición de la temperatura, mediante termómetros de bulbo y la medición de los grados Brix de las soluciones concentradas utilizando el sacarímetro. Las presiones tomadas eran fluctuantes, no se mantenían constantes. La alimentación de la solución diluida se consigue empleando una bomba centrífuga. Parte del caudal impulsado por la bomba es retornado al tanque de alimentación, con el fin de reducir la carga de la bomba y poder controlar un poco mejor la variación del caudal de alimentación de solución al evaporador. Se observaron fugas de vapor en varias líneas del equipo del evaporador. El separador tiene mayor diámetro que el evaporador, esto ayudara a bajar la velocidad de salida del evaporado de la solución.
CONCLUSIONES
Al condensarse el vapor de agua entrega calor al líquido azucarado, el cual absorberá parte de este calor para vaporizar el solvente, que es el agua y obtener un líquido más concentrado de azúcar. Al trabajar con las soluciones de agua azucarada se debe tener en cuenta que la presión de vapor de la solución es menor que la del solvente puro; por lo tanto la temperatura de ebullición de la solución será mayor que la del solvente puro.
A medida que la evaporación avanza, la solución se concentra y, por lo tanto, su viscosidad aumenta. Este aumento produce una caída en el coeficiente de transferencia de calor. Al realizar la experiencia en este tipo de evaporador podemos concluir que no se da un uso eficaz al vapor en el proceso de evaporación.
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA -
Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Warren Mc Cabe y Julian Smith, Mc Graw Hill, 5ta ed.1993
-
Foust Alan, Principio de Operaciones Unitarias, Editorial Continental S.A – Pág. 497-517.
APENDICES Diagrama de equipo:
