LOU Evaporación

Laboratorio de Operaciones Unitarias.

EVAPORACION I. OBJETIVO 

Evaluar el coeficiente global global de transferencia transferencia de calor del evaporador que tenemos, en este caso, del evaporador evaporador de tubos t ubos verticales de un sólo efecto.



Concentrar una solución solución que consta de un soluto soluto no volátil y un disolvente disolvente volátil.

II. FUNDAMENTO TEORICO El objetivo de la operación de evaporación es concentrar una solución mediante la eliminación de disolvente por ebullición. Por lo general la concentración se detiene antes de que el soluto comience a precipitarse de la solución. En consecuencia, un evaporador debe consistir básicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solución y un dispositivo para separar la fase vapor del líquido en ebullición. ebullición. La evaporación se diferencia del secado en que el residuo es un líquido (a veces muy viscoso), en vez de un sólido; de la destilación, en que el vapor es generalmente un sólo componente, y aún cuando 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 la evaporación el líquido concentrado es el producto valioso, mientras que el vapor se condensa y desprecia.

CARACTERISTICAS CARACTERISTICAS DEL LÍQUIDO A EVAPORAR: EVAPORAR:

PROPIEDAD Concentración

Formación espuma

CARACTERISTICAS El líquido de alimentación alimentación puede ser suficientemente suficientemente diluido y poseer muchas de las propiedades físicas del agua, pero a medida que aumenta la concentración, la solución adquiere un carácter más particular. La densidad y viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se satura. La ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales que es preciso retirar para evitar la obstrucción de los tubos. de Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Con el vapor sale del evaporador una espuma estable que origina gran arrastre. arrastre. En caso extremo, extremo, toda la masa de líquido


Sensibilidad a la temperatura

Formación costras

de

Materiales construcción

de

Otras características considerar

a

es arrastrada por el vapor. Muchos productos químicos, medicamentos y alimentos se estropean cuando se calientan a temperaturas moderadas por un corto tiempo. En la concentración de estos materiales, se utilizarán técnicas especiales para reducir la temperatura del líquido y el tiempo de calentamiento. Algunas soluciones depositan costras sobre la superficie de calentamiento; luego el coeficiente global disminuye paulatinamente hasta que es preciso parar el evaporador y limpiar los tubos. Si la costra es dura e insoluble, la limpieza es difícil y costosa. Los evaporadores se construyen en hierro colado o acero. Pero, muchas soluciones atacan a los metales férreos o son contaminadas por ellos, siendo preciso utilizar materiales como cobre, níquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo. Como estos son caros, resulta conveniente obtener elevadas velocidades de transmisión de calor para disminuir el coste inicial del aparato. Calor específico  Tipo de evaporador.  Liberación de gases durante la ebullición  Toxicidad  Peligro de explosión  Radiactividad  Condiciones estériles, etc. 

III. CUADRO DE DATOS SOLUCION A CONCENTRACION: Solución de azúcar al 5 %. P man = 35 psi

T 1 = 22°C

T ref = 20°C

CORRIDA

S (L / h)

P (lb / h)

F (lb/h)

W (L / h)

T2 (°C)

T 3 (°C)

1 2 3 4

55.47 58.24 61.07 57.49

100 150 200 200

200 200 200 150

25.81 25.28 35.21 40.84

97 98 99 97

49.5 47 45 43

Donde: F = flujo másico de la solución diluida (lb/h) P = flujo másico de la solución concentrada (lb/h) W = caudal de solvente condensado o evaporado (L/h) S = caudal del vapor saturado (L/h)


T 1 = Temperatura de solución diluida T 2 = Temperatura de solución concentrada T 3 = Temperatura del vapor del disolvente concentrado T ref = Temperatura de referencia Densidades: A la T = 20°C = 68°F sol °Brix 6.03 5.80 6.40 7.30 6.80

CORRIDA SOLUCION DILUIDA SOL. CONC. 1 SOL. CONC.2 SOL. CONC.3 SOL. CONC.4

Ce (Btu/lb °F) 0.9653 0.9668 0.9630 0.9572 0.9604

Los valores de Ce fueron obtenidos de la figura 14.34 del Kern. Área transversal del tanque de condensado

=

0.20029617 m 2.

IV. CALCULOS CALCULOS PARA HALLAR EL FLUJO MASICO DEL SISTEMA F

=

P

+

W

En el vapor de H 2 O: P man P abs

= = ρ H2Ocond = Tsat = 138.14 °C

35 psig 35 + 14,7 = 49,7 psia = 342.7 KPa 57.91 lb/ft3

Entonces : S S

= =

ρ x

(Vapor de H 2 O) 57.91 x 55.47 = 113.43 lb/h

(A la alimentación)

SOLUCION CONDENSADA: Se hallo las densidades respecto a su temperatura del apéndice 6 McCabe


( lb/ft 3) 61.69 61.66 61.81 61.86

T3 (°F) 121.1 116.6 113.0 109.4 W

= ρ x (Sol. Cond.) = 61.69 x 25.81 = 56.23 lb/h

Para los demás datos de Laboratorio, se construye la siguiente tabla: CORRIDA 1 2 3 4

P (lb/h) 100 150 200 200

W (lb/h) 56.23 55.14 76.85 89.22

F (lb/h) 200 200 200 150

BALANCE DE ENERGIA CALOR CEDIDO POR EL VAPOR SATURADO Q S = S x (HC – H V ) = S λs Donde : H V = Entalpía vapor a la presión de trabajo, 49.70 psia H C = Entalpía condensado a la presión de trabajo, 49.7 psia. De Tablas:

H V = 2731.36 H C = 580.853

KJ / Kg KJ / Kg

λs = - 925.38 Btu/lb

S (lb/h) 113.43 119.10 124.86 117.56

λs (Btu/lb)

- 925.38 - 925.38 - 925.38 - 925.38

Qs (Btu/h) 104965.85 110212.76 115542.95 108787.67

S (lb/h) 113.43 119.10 124.86 117.56


CALOR ABSORBIDO POR LA SOLUCION DILUIDA Q

=

P x Hp + W x HW – F x HF

………………( α)

H F = (T F - T ref )Ce = 3.475 BTU/lb. HF T ref. TF Ce

= Entalpía específica de la solución, BTU/lb. = 20ºC = 68ºF = 22°C = 71.6°F = 0,9653 BTU/lbºF

HP

=

Ce (T 2 – Tref)

HP

=

Entalpía específica de la solución concentrada, BTU/lb.

CORRIDA 1 2 3 4

Ce (Btu/lb °F) 0.9668 0.9630 0.9572 0.9604

T 2 (°F) 206.6 208.4 210.2 206.6

Tref (°F) 68 68 68 68

H P (Btu/lb) 133.998 135.205 136.113 133.111

De las Tablas de Vapor Saturado hallamos H W CORRIDA 1 2 3 4

T 3 (°F) 121.1 116.6 113.0 109.4

H W (Btu/lb) 89.088 84.596 81.006 77.416

Hallando Q de la ecuación ( α) se obtiene el siguiente cuadro: CORRIDA

P(lb/h)

1 2 3 4

100 150 200 200

HP (Btu/lb) 133.998 135.205 136.113 133.111

W (lb/h) 56.23 55.14 76.85 89.22

CALOR PERDIDO POR RADIACION QP = QS - Q

HW (Btu/lb) 89.088 84.596 81.006 77.416

F (lb/h) 200 200 200 150

HF (Btu/lb) 3.475 3.475 3.475 3.475

Q (Btu/h) 17714.2 24250.4 32752.9 33007.9


Q

= 104465.85 - 17714.2 = 87251.65 BTU/h.

Los demás cálculos, se muestran en la siguiente tabla: CORRIDA 1 2 3 4

QS 104965.85 110212.76 115542.95 108787.67

Q 17714.2 24250.4 32752.9 33007.9

QP 87251.65 85962.36 82790.05 75779.77

CALCULO DE LA CAÍDA APARENTE DE TEMPERATURA ( ∆T ) ∆ T

= (Tsat– T 2 )

Donde : T 2 = Temperatura de solución concentrada Tsat = Temperatura de saturación = 280.652 °F Se tiene que: CORRIDA 1 2 3 4

T2 206.6 208.4 210.2 206.6

T (°F) 74.05 72.25 70.45 74.05

CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR Por definición: U = Q S / (A. T)

............... (1)

Donde : U A N D L

= = = = =

Coeficiente global de transferencia de calor. N x π x D x L Número de tubos = 12. Diámetro del tubo = 0,75 pulg. = 0.0625 ft 7,67 pies.


Cálculo del Área de Transferencia (A): A

=

12 x π x (0,0625) x 7,67

=

18.0720 ft 2.

Entonces, reemplazando en (1) : U

=

104965.85/ (18.0720 x 130.08)

U CORRIDA 1 2 3 4

=

Qs 104965.85 110212.76 115542.95 108787.67

44.65 BTU / h.ft2 °F A ( ft ) 18.0720 18.0720 18.0720 18.0720

T 74.05 72.25 70.45 74.05

U (Btu / h.ft °F) 78.44 80.39 90.75 78.44

CALCULO DE LA RELACION AGUA EVAPORADA POR LIBRA DE VAPOR: W = PESO DEL AGUA EVAPORADA S PESO DEL VAPOR UTILIZADO CORRIDA 1 2 3 4

W/S 0.496 0.463 0.615 0.759

GRÁFICA DE U vs, ∆T: A continuación valores de U para cada corrida y ∆T: Tm

U (Btu / h.ft °F)

74.05 72.25 70.45 74.05

78.44 80.39 90.75 78.44


Grafico

T VS U

92 90

) F 88 ° . 2 t 86 f . h / 84 U T 82 B ( 80 U

78 76 70

71

72

T (°F) 73

74

75

V. CUESTIONARIO 1. Hacer una descripción de los principales tipos de evaporadores con sus usos, ventajas y desventajas, cada uno con sus esquemas simplificados. TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES

TIPO Marmita abierta artesa

•

o •

•

Evaporador • de tubos horizontales • con circulación natural

CARACTERISTICAS VENTAJAS DESVENTAJAS Es la forma más simple de un • Son económicos y • Excesivo evaporador. En la artesa se de operación desperdicio hierve el líquido. simple. de calor. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. En ciertos equipos sé usan paletas o raspadores para agitar el líquido. Uno de los tipos de construcción • Los tubos • El depósito clásica. horizontales son procedente insertados en la de la La solución a evaporar hierve caja de vapor, evaporación afuera de los tubos horizontales, mediante embutido. de la solución dentro de los que se condensa el Actualmente los aumenta vapor. Los tubos horizontales


•

•

•

•

Evaporadore • s verticales con circulación natural •

interfieren con la circulación natural de líquido hirviendo, por lo que se disminuye al mínimo su agitación. El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa. El condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por afuera de los tubos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después se le pasa por un deflector que impide el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior. El coeficiente global de transmisión de calor es inferior al de otras formas de evaporadores, especialmente si la solución es viscosa. No se hace nada para evitar la espuma presentada por la ebullición. Los coeficientes globales varían de 200 a 400 Btu/h*pie 2*°F, dependiendo de la diferencia global de temperatura, de la temperatura de ebullición y de las propiedades de la solución. Se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido está dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el líquido se eleva en los tubos por circulación natural, y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande o bajada. Esta circulación natural

tubos horizontales sobre la se usan en superficie instalaciones externa de los pequeñas en donde tubos, de la solución a tratar donde no es diluida y no se puede presentan espumas quitarse ni sólidos fácilmente. depositados sobre • Como la los tubos del circulación de evaporador líquidos no es • Se emplea para muy buena, disoluciones no son poco viscosas que no adecuados depositen cristales para o impurezas en la materiales cristalización. viscosos. • Es relativamente económico, para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones.

Solucionan la mayor • Los parte de las antiespumant desventajas de es son operación de los ineficaces, evaporadores de aunque si tubos horizontales: bien se • Promueve la utilizan circulación natural, separadores y habiendo sido deflectores medida entre 1 y 3 para reducir pies/seg. dentro de la formación


•

•

•

Evaporador • vertical de tubos largos

•

•

incrementa el coeficiente de transferencia de calor. A este equipo se le llama con frecuencia evaporador de tubos cortos. El evaporador de canasta difiere del evaporador vertical de circulación natural, pues éste tiene un espacio central en vez del anular como bajada. Este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azúcar, sal y sosa cáustica. En el evaporador de canasta, la caja del vapor forma una canasta colgada en el centro del evaporador. El calentamiento o hervido del líquido dentro de los tubos ocasiona un flujo hacia arriba a través de los mismos, mientras que el líquido no evaporado fluye hacia abajo, a través del anillo alrededor de la canasta. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el lado del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el líquido. En este tipo de evaporadores, el líquido está en el interior de los tubos. Los tubos tienen 3 a 10 m de longitud y la formación de burbujas de vapor en su interior produce una acción de bombeo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. El líquido pasa por los tubos una sola vez y no recircula. Sólo cuando la relación de velocidad de alimentación a velocidad de

los tubos. de espuma. • Los coeficientes • Pueden globales son algo procesarse superiores a los líquidos encontrados en los viscosos pero evaporadores de la circulación tubos horizontales y es lenta y los van de 200 a 500 coeficientes que se btu/h*pie2*°F, obtienen son dependiendo de las pobres. propiedades de la solución, de la diferencia global de temperatura y de la temperatura de ebullición. • Cualquier depósito sólido se formará en la parte interna de los tubos de donde puede quitarse mediante limpieza mecánica. Se mejora el • Los coeficiente global coeficientes de transmisión de de calor por aumento transferencia de la velocidad de de calor son circulación del inferiores de líquido en los tubos. lo que pudieran ser • Son eficaces para para un concentrar líquidos evaporador que tienden a de circulación formar espuma , forzada . puesto que ésta se rompe cuando la mezcla de vapor y líquido choca a elevada velocidad contra la placa deflectora. •


evaporación es baja, puede emplearse una recirculación natural del producto a través del evaporador, añadiendo una conexión de tubería entre la salida del concentrado y la línea de alimentación. Este es un método muy común en la producción de leche condensada. • Los tiempos de contacto son bastante bajos. Evaporador • Es una variación del modelo de • Este modelo se usa • de caída de tubos largos, en el cual, el mucho para la película líquido se alimenta por la parte concentración de superior de los tubos y fluye por materiales las paredes de estos en forma sensibles al calor de película delgada. La como el jugo de separación vapor - líquido se naranja y zumo de efectúa en el fondo. frutas, debido a que el tiempo de retención es bastante bajo (5 a 10 seg.) y el coeficiente de transmisión de calor es alto. Evaporador • El coeficiente de transferencia de • Se usa un de circulación calor de la película líquida puede intercambiador forzada aumentarse por bombeo externo e causando una circulación independiente. forzada del líquido en el interior • Muy útil para de los tubos. líquidos viscosos. • Esto puede hacerse en el modelo de tubos verticales largos, añadiendo una tubería conectada a una bomba entre las líneas de salida del concentrado y la alimentación. • Los tubos del evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los de tubos largos.


Evaporador • Un método para aumentar la • Es muy práctico • Alto costo y de película turbulencia de la película líquida para materiales capacidad agitada y, por tanto, el coeficiente de muy viscosos, pues baja . transferencia de calor, consiste el coeficiente de en una agitación mecánica de transferencia de dicha película. calor es mayor que en los modelos de • Para ello, se usa un sólo tubo circulación forzada. grande enchaquetado que usa para contiene un agitador interno. El • Se líquido penetra por la parte materiales viscosos superior del tubo y a medida que sensibles al calor, fluye hacia abajo se dispersa en como el látex de forma de película turbulenta por caucho, gelatina, la acción de aspas de agitación antibióticos y jugos verticales. de frutas. • La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior


2. Hacer un esquema descriptivo del aparato utilizado en la práctica.

3. Cuadro de Resultados a. Perdidas de calor por radiación CORRIDA 1 2 3 4

QP 87251.65 85962.36 82790.05 75779.77

b. Caída aparente de temperatura (∆T) CORRIDA 1 2 3 4

T2 206.6 208.4 210.2 206.6

T (°F) 74.05 72.25 70.45 74.05


c. Coeficiente de Transferencia Global (U) Tm

U (Btu / h.ft °F)

74.05 72.25 70.45 74.05

78.44 80.39 90.75 78.44

d. Agua evaporada por libre de vapor CORRIDA 1 2 3 4

W/S 0.496 0.463 0.615 0.759

V. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES • Cuando se realiza el balance de masa, el flujo de la solución diluida de

alimentación es igual a la suma de la solución concentrada y al flujo del solvente condensado; pero este balance de masa no se cumple por lo que se concluye que el sistema se encuentra en estado no estacionario • El tipo de evaporación realizada es de simple efecto, lo que involucra la falta de

aprovechamiento máximo del calor cedido por el vapor recalentado, por consiguiente baja la eficiencia de la operación. • Debido a que la temperatura de la alimentación es bastante lejana de la

temperatura de ebullición, ello afecta directamente a la eficiencia del evaporador que se ve limitada, puesto que una parte del calor transferido por el vapor vivo es utilizado para calentar la solución desde la temperatura de entrada hasta su punto de ebullición. • Se observó que al disminuir el flujo de alimentación, la concentración de la

solución azucarada disminuyó, para evitar esto se debió regular el flujo de salida de la solución concentrada para llegar así a la concentración esperada que era de 8°Brix. • De la gráfica U vs. ∆T, se produce una curva de comportamiento decreciente.

Es decir a mayor gradiente de temperatura, mayor coeficiente de transferencia de calor.


VI. BIBLIOGRAFÍA 

DONALD Q. KERN “Procesos de Transferencia de Calor” Compañía editorial Continental 2001 Pág. 436-522



WARREN MC CABE, JULIAN SMITH “Operaciones Básicas de Ingeniería Química” Editorial Mc Graw Hill 4ta edición 1991 Pág. 482-520



ALAN FOUST, LOUIS MOUSE “Principios de Operaciones Unitarias” 2da edición Pág. 497-514

LOU Evaporación

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