LABORATORIO OPERACIONES UNITARIAS II
PRÁCTICA: EVAPORADOR DE EFECTO SIMPLE
GRUPO: GARY ACEVEDO OCHOA RODINSON ARRIETA PEREZ AIRINNE GUARDO MACOTT CESAR GARCIA ECHEVERRY MARIA MARGARITA GUERRA HUGO LOPEZ ESPITIA
DOCENTE: JOSÉ A. COLINA M Ph. D
UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA IX SEMESTRE 11/04/11 1
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN
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2. OBJETIVOS
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3. MARCO TEORICO
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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
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5. DATOS DE LA PRACTICA
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6. CALCULOS
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7. ANALISIS DE RESULTADOS
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8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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9. BIBLIOGRAFIA
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2
1. INTRODUCCIÓN
Para una sustancia en sus diferentes f ases, sus propiedades térmicas tienen dife rentes órdenes de magnitudes. Por ejemplo, el calor especifico por unidad de masa es alto par los líquidos y, usualmente, de valores intermedios para los gases. Sí mismo, en cualquier cuerpo que absorba
o pierda calor, debe guardarse especiales consideraciones respecto a si el cambio es de calor latente o sensible o de ambos. Estas f ases están relacionadas c on su contenido de energí a. En la f ase liquida existe suficiente energí a térmica para extender las distancias de l as moléculas adyacentes; en la f ase gas o vapor, la presencia de energí a térmica adicional resulta en una separación relativamente completa de l os át omos o moléculas. Por ejemplo cuando a través de un tubo fluye vapor de
agua y este se encuentra sumergido en un recipiente con líquido, f ormándose pequeñas burbujas de vapor sobre la superficie del tubo. Cuando se ha alcanzado suficiente fue rza ascensorial entre las burbujas y el líquido, estas se liberan y suben a la superficie del recipiente. La f ormación La f ormación de estas burbujas tiene lugar por mecanismos de convección li bre y juega un papel importante la tensión superficial de l a sustancia. Estos aparatos que convierten el calor latente o sensible de un fluid o en calor latente de vaporización del otro fluido se conocen como evaporador . La unidad experimental del laboratorio es un evaporador de tubos largos verticales de circulación natural, diseñada para funcionar con un efecto o con doble efecto.
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2. OBJETIVOS
Determinar
los balances de calor en el ev aporador, traba jando para doble efecto y para un solo efecto.
Calcular el coeficiente de transferencia de c alor de cada cuerpo para las condiciones de operación.
Calcular la eficiencia del evaporador.
Calcular el porcenta je de pérdidas de calor en el equip o
Estabilización de evaporador: esta etapa se alcanza introduciendo el v apor a la presión de operación o de traba jo y se toman varias lecturas hasta que los valores de condensados sean constantes. Este perí odo de estabilización es demorado (no se impaciente). Una vez estabilizado el evaporador se puede traba jar con presiones cada vez menores sin dificult ades, manteniendo siempre l os niveles de agua en l os cuerpos estantes.
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3. MARCO TEÓRICO
La evaporación es una operación que se aplica mucho en la industria con el fin de sep arar o eliminar impurezas del agua para la obtención de vapor en las calderas, esto se hace mediante evaporadores, la mayorí a de estos se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos
metálicos. Generalmente el vapor es de ba ja presión, inferior a 3 atm absolutas, y con f recuencia el líquid o que hierve se encuentra a un v ací o moderado, de hasta 0,05 atm absolutas. Al reducir la temperatura de ebullición del líquid o aumenta la diferencia de temperatura entre el v apor condensante y el líquid o de e bullición 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 calef actor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se enví a 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 int roduce el vapor vivo y en el que l a presión en el esp acio de vapor es la más elevada. El último efecto es el que tiene l a 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 ell os tiene una caída de temperatura a través de su superficie de calef acción 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 tuberí as de interconexión y no de l a estructura de l as unidades individu ales. La numeración de los efectos es independiente del orden en el que l as 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 ev aporación son tales que tanto el disolvente como el s oluto no se acumulan ni disminuyen en cada efecto. L a concentración, temperatura y velocidad de flujo de l a alimentación están ligadas, l as presiones en la entrada del vapor vivo y el condensador están establecidas, y todos los niveles de l as disoluciones se mantienen en c ada efecto. Por tanto, todas las concentraciones internas, velocidades de fluj o, 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 l a 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. L a concentración en el último efecto y
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de l a disolución concentrada que descarga del mismo alcanzará eventualmente un nuev o estado estacionario para el nivel dese ado. La superficie de calef acción del primer efecto transmitirá por hora una cantidad de calor dado por la ecuación.
Si la parte de este calor que va a calentar la alimentación hasta el punto de ebullición se desp recia por el momento, resulta que todo este calor ha de aparecer como calor latente en el v apor que sale del primer efecto. La temperatura del condensado que sale del segundo efecto es muy próxima a la temperatura T, de l os v alores p rocedentes del líquid o que hierve en este efect o. Por tanto, en la operación en estado estacionario prácticamente todo el calor consumido en crear vapor en el primer efecto será cedido cuando este mismo vapor condense en el segundo efecto. Sin embargo, el calor transmitido en el segundo efecto viene dado por la ecuación.
Tal como se ha indicado, q1 y q2 son prácticamente iguales, de f orma que.
Este mismo razonamiento puede ampliarse, de f orma que, aproximadamente.
En l a práctica ordinaria las á reas de calef acción de todos l os efectos de un ev aporador de múltiple efecto son iguales, lo cual conduce a una economí a constructiva. Por tanto q1 = q2 = q3 la ecuación que da de esta manera.
A partir de aquí se deduce que l as caídas de temperatura en un evaporador de múltiple Efecto son, de f orma aproximada, inversamente proporcionales a los coeficientes de Transmisión de calor. 6
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.1 Descripción del equipo
Mir
B
I
cuerpos cilíndricos de 20 de diámetro exterior por 30¾ de altura, f abricadas en lámina de cobre, con sus respectivos indicadores de nivel.
Dos
calandrias de 6 de diámetro interior, f abricados en cobre, las cuales contienen 37 tubos de cobre de 5 8 de diámetro nominal de 19 BWG. El largo de los tubos es de 5 y el espesor
Os
de pared de los tubos es de 0.0 42 milésimas de pulgada. Estas calandrias son del tipo de fisión, debido a que la mezcla de vapor agua dentro de los tubos pesa menos que el agua líquida de los cuerpos. Este desequili brio de pesos debido a la temperatura hace que el agua de los cuerpos empuje la mezcla menos pesada dentro de los tubos. En estas calandrias, el vapor de calentamiento (vapor vivo) circula por la carcasa.
Un condensador tubular f abricado en cobre está unido al segundo cuerpo, el cual p osee el mismo diámetro de las calandrias e igual número de tubos de cobre con las mismas dimensiones.
Dos
t rampas de vapor de flotador termostático, cuya presión de traba jo es de 0 a 16 PSI. Están unidas a la parte inferior de las calandrias y sirve para drenar el condensador de vapor de calentamiento.
Dos
condensadores tipo instantáneo (flash) de doble tubo. Están f ormados por un tubo de cobre interior de ½ soldado a un tubo exterior de ¾ de cobre.
rotámetros para alimentación de agua a los cuerpos del mismo tipo con una escala de 0 a 25 mm, y otro para agua de enf riamiento en el condensador vertical de tubos.
Dos
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5. DATOS TOMADOS DE LA PRÁCTICA Se traba jaron con las presiones de 2.5 psig y 5 psig para la condición de ent rada del vapor al evaporador. Se tomaron datos de temperaturas de entrada y caudales, de los condensados obtenidos en los intercambiadores de calor. Solo se analizo un solo efecto.
Para la presión de 2.5 psig se alcanzo el estado estacionario es 43.7 cm, un flujo de 25 mm (en altura de agua) y la temperatura del evaporador se mantuvo en 209 °F. Para la presión de 5 psig, la temperatura del ev aporador fue de 209 °F, un flujo de 32 y un nivel de 45 cm.
5.1 Para 2.5 psig:
Condición inici al Condición final Condición inici al Condición final Condición inici al Condición final
Tiempo 30 seg 2 min 30 seg 1 min 30 seg 1 min
Volumen (ml) 230 140 120 170 135
Temperatura (°C)
85
32 62 35 59 32
Tiempo 20 seg 30 seg 30 seg 1 min 30 seg 1 min
Volumen (ml) 220 350 280 360 215 320
Temperatura (°C) 82 33 82 33 82 35
57
5.2 Para 5 psig:
Condición inici al Condición final Condición inici al Condición final Condición inici al Condición final
8
6. CÁLCULOS
6.1 Tablas De Datos
6.1.1 Tabla 1: Línea Vaporizada en el Cuerpo
Presión (Psig)
Caudal (Kg/m3)
Densidad (Kg/m3)
Flujo Másico (Kg/ s)
2,5
5,4
994,5
0,00538
5
28,5
994,5
0,0284
6.1.2 Tabla 2: Liquido Restante en el Cuerpo
Presión (Psig)
Caudal (Kg/m3)
Densidad (Kg/m3)
Flujo Másico (Kg/ s)
2,5
5,38
983,3
0,00536
5
27,49
970,1
0,0274
6.1.3 Tabla 3: Agua de Reposición en el evaporador
Presión (Psig)
Flujo Volumetrico (cm3/s)
Temperatura (°C)
Flujo Másico (Kg/ s)
2,5
95
32
0,0948
5
30
32
0,0299
9
6.2 BALANCE DE MATERIA
E1
Z
S C
R
A
y
Balance de masa en la calandria S+A=Z+C
y
Balance de masa en evaporador Z + R = A + E1
Donde:
S = Flujo de vapor vivo proveniente de caldera R = Flujo de reposición o alimentación de agua A= Flujo de liquido proveniente de ev aporador C= Flujo de condensado de la calandria Z= Vapor que se alimenta al evaporador E1= Flujo liquido evaporado En estado estacionario se tiene que el fluj o de reposición de agua al evaporador (A) es igual al flujo de condensado de la calandria (C) esto recomendado por el monitor de laboratorio para un
mejor manejo del equipo. Teniend o en cuenta lo anterior, los balances de masa y los datos recogidos en la práctica, realizamos la siguiente tabla para todos los flujos:
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Tabla 4: Resultados Balance de Masa
Presión (Psig)
S (Kg/s)
A (Kg/s)
Z (Kg/s)
C (Kg/s)
E (Kg/s)
R (Kg/s)
5
0,027
0,0948
0,0948
0,0274
0,0011
0,0937
2,5
0,0053
0,0299
0,0299
0,00536
0,0045
0,0254
6.3 BALANCE DE ENERGIA El sistema se divide en d os partes la calandria y el evaporador o efecto. A continuación se realizaran los dos balances de entalpia necesarios para el estudio del proceso:
Balance de calor en la calandria. y
Calor cedido por la caldera:
q1 ! SH S
y
Calor ganado por el agua que va hacia el evaporador::
qa ! G1c p (T 'T 0 )
y
Calor pedido en calandria:
R1 ! q1 qa
Balance de calor en evaporador
y
Calor cedido por vapor al evaporador:
q v ! Z H M y
Calor neto en el efecto: 11
q1n ! F 1c T 1 T f E 1 H 1 y
Calor perdido:
R2 ! q v q1n y
Coeficiente total de transferencia de calor en el efecto: q 1n
q1n U=
A1 v (T
=
A1 TS T1
Donde: S: rata de vapor de la caldera
Hs: Calor latente del v apor de la caldera
HM: Calor latente del v apor al efecto
F1: Rata de alimentación del efecto
Z: Rata de vapor al efecto
C: Calor específico a temperatura media
G1: Gasto másico de agua alimentada a la calandria T1: Temp de ebullición en el cue rpo
Tf : Temperatura del alimento
E1: Rata de evaporación del efecto 1 H1: Calor latente del agua evaporada en efecto R1: Calor perdido en la calandria R2: Calor perdido en el efecto
TS: Temp del vapor de la caldera
Con la ayuda de Excel, teniendo en cuenta balances de energí a y los datos recogidos de las 2 pruebas efectuadas a 5 y 2,5 psi obtenemos la siguiente tabla:
Tabla 5: Resultados Balance de Energía Presión (Psig)
Calor cedido por la caldera (kJ/s)
Calor ganado calandria (kJ/s)
Calor perdido en calandria (kJ/s)
Calor al evaporador (kJ/s)
Calor perdido en evaporador (kJ/s)
Calor neto en el evaporador (kJ/s)
Coeficiente de transferencia U (kJ/s m2 °C)
2,5
36,219 10,54
29,50 9,007
6,716
253,64 80,0004
163,195 59,467
90,4515 20,533
2,65 0,957
5
1,5329
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6.4 EFICIENCIA
6.4.1
Para la primera de 2,5 psig la eficiencia fue:
6.4.2
Para la segunda corrida de 5 psig:
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7. ANALISIS DE RESULTADOS En l a tabla de los resultados del balance de materia (Tabla 4) podemos observar que se necesitó
menos flujo de v apor vivo hacia la calandria puesto que a una menor presión manométrica (2,5 psig) aumenta la velocidad de evaporación necesitándose menos t asa de este para ocasionar el inicio del proceso.
Por su parte en la tabla que nos muestra los resultados del balance de energí a (Tabla observamos que la cantidad de calor que gana la calandria es cerca del
81%
5)
del calor que le
suministra la caldera por lo que podemos deducir que aproximadamente 19% del calor que suministra la caldera se disipa en el ent orno. También podemos deducir de esta tabla que el coeficiente de transferenci a de calor para la presión de 5 psig es menor que el de l a corrida a 2,5 psig. Se calcularon las eficiencias para ambas corridas obteniéndose una mayor eficiencia para la primera corrida probablemente se deba que al ser la primera corrida la de menor presión l as diferencia de temperatura de ebullición es mas grandes haciendo más eficiente el proceso.
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8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De
l a anterior práctica de l aboratorio se puede constatar que la presión es l a variable de manejo
más influyente en l os equipos de efecto simple y efecto múltiple. Se recomienda traba jar con una presión ba ja para obtener agua evaporada con menor flujo de vapor vivo y energí a consumida por la caldera es decir para obtener un proceso más eficiente. Cuando la presión es menor se disminuye l a temperatura de e bullición del líquid o aumentando la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquid o de ebullición y, por tanto, se incrementa la velocidad de transmisión de calor en el ev aporador No todo el c alor latente de condensación del vapor vivo proveniente de l a caldera es t ransferido
al agua en la calandria, por lo tanto se hacen necesarias las medidas pertinentes para que la menor cantidad posible de calor suministrado por el vapor vivo se pierda; como pueden ser revisiones periódicas de los tubos y coraza del precalentador y del sistema de aislamiento Para la práctica se recomienda que las mangueras de flujo de s alida del condensado estén en un a mejor posición para así obtener una medición más precisa de dichos flujos.
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9. BIBLIOGRAFÍA
Donald
Evaporación y Evaporadores de múltiple efecto pdf en líne a,
Q. Kern. Procesos de Transferencia de C alor. C ompañí a Editorial C ontinental, S.A. de C.V., 1965.
http://es.scribd.com/doc/3169438/EVAPORACION-Y-EVAPORADORES-DE-MULTIPLE-EFECTO
Wkren L, McCabe. Smith - Peter Harriott. Operaciones unitarias en ingenierí a quí mica. The McGraw-Hill Companies, Inc., 4th edition, 1991.
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