EVAPORADOR DE PELÍCULA DESCENDENTE 1. Introducción Estos tipos de evaporadores son los más difundidos en la industria, por las ventajas operacionales y económicas que los mismos poseen:
Alta eficiencia, economía y rendimiento; Alta flexibilidad operativa; Altos coeficientes de transferencias térmicos; Capacidad de trabajar con productos termosensibles o que puedan sufrir deterioro parcial o total de sus propiedades; Limpieza rápida y sencilla
En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo. Se produce una distribución homogénea del producto dentro de los tubos en la parte superior del evaporador, generando una película descendente de iguales características en la totalidad de los tubos. Este punto es de suma importancia: una insuficiente mojabilidad de los lleva a bajos rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos. Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que está siendo concentrado, permanece en íntimo contacto con el vapor que se genera. El producto y el vapor, tienen sentido de flujo contrario, por lo que la salida del producto es por la parte inferior de los tubos, la salida del vapor por la parte superior. El vapor se envía al condensador (simple efecto), mientras que los sistemas múltiefecto utilizan como medio calefactor, el vapor generado en el efecto anterior, y por lo tanto el vapor generado en el último cuerpo es el que se envía al condensador. A modo de ejemplo, si alimentamos con 1 kilogramo de vapor vivo a un evaporador simple efecto, obtendremos aproximadamente 1 kg de agua evaporada, mientras que si alimentamos a un evaporador doble efecto con la misma cantidad de vapor, o sea 1 kg, obtendremos 2 kg de agua evaporada, uno por cada efecto. La presión en los tubos puede ser inferior a la presión atmosférica para disminuir el punto de ebullición de la solución. Los evaporadores a película descendente son usados en la producción de jugos concentrados. Este tipo de equipo es interesante por la eficiencia térmica y por su fácil control de la temperatura.
2. Descripción El sistema está instalado en una estructura de acero inoxidable, sus componentes principales son el evaporador de película descendente (E1) y el condensador (E2). La solución a tratar está en D1 y se bombea a la cabeza del evaporador mediante G1; luego el producto concentrado se enfrí a en E3 y es colectado en D2; finalmente, el vapor separado por la cabeza se condensa en E2 y es colectado en D3. El equipo puede operar al vacío por medio de una bomba conectada al E2. La presión operativa se puede regular mediante PV1 (PID).
El caudal de vapor que ingresa a la camisa de E1 se mide al mediante orificio calibrado conectado al transmisor FT1. El flujo de vapor es determinado indirectamente, la presión en la camisa del evaporador puede ser controlada mediante FV1 (PID). En la parte inferior de la camisa de E1 hay una trampa de vapor conectada a D4 para determinar el caudal del condensado. La válvula PSV1 brinda protección al E1 de la sobrpresión debido a operaciones incorrectas.
3. Especificaciones técnicas
G1: Bomba dosificadora, acero AISI 316, caudal 0 a 16 L/h @ 2 bar. G2: Bomba de vacío. D1: Tanque de alimentación, borosilicato 25 L. D2: Tanque de producto concentrado, 10 L. D3: Tanque de condensado, 10 L. D4: Cubeta de condensado del vapor, 1 L. D5: Separador aire/agua de la línea de vacío. SC: Descarga de condensado del vapor. E1: Evaporador de película descendente, área 0,27 m2. E2: Condensador de vapor tipo haz de tubos, área 1,10 m2. E3: Intercambiador de calor tipo tubo-tubo. PI1: Manómetro de Bourdon, 0 a 6 bar. PI2: Manómetro de Bourdon, 0 a 4 bar. PI3: Manómetro de Bourdon, 0 a -1 bar. FT1: Transmisor, 0 a 15 kg/h vapor, 0-1000 mmH2O, 4-20 mA, ϕo 6 mm FV1: Válvula reguladora de vapor, CV = 0,32, 0,2-1 bar. PT1: Transmisor de presión abs 0 a 1000 mbar, 4-20 mA. PV1: Válvula reguladora de presión, Cv = 2,5. FI2: Medidor de flujo del agua al E3, escala 20 a 300 L/h. TI1 a TI6: Termocuplas Pt 100. Displays de temperatura, escala 0 a 200 °C. EV1: Electroválvula para intercepción del agua de alimentación a G2. Estructura, tuberías y válvulas en acero AISI 304 y 316. Tablero de mando CE, IP 55, con PFD e interruptores.
4. Operacion automática Descripción del contolador Digitric 500
1° loop: flujo vapor (FIC1), 0-100% proporcional 0 a 15 kg/h. 2° loop: presión (PIC1), 0-100% proporcional 0 a -1000 mbar . 3° loop: bomba (G1), 0-100% proporcional 0 a 16 L/h, visualización de TI1 a TI6.
5. Experimentos Concentración de una solución de azúcar •
•
Preparar 10 L de solución al 5% (g/100 mL), agua destilada con azúcar (C12H22O11). Graficar una curva de calibración para solución agua/azúcar con concentración entre 0 y 50 % (peso/peso), utilizar un refractómetro. Concentración (g/100 mL) 0 5 10 15 20 30 40 50
nD 1,331 1,3385 1,33450 1,3520 1,3590 1,3735 1,3850 1,4000
La ecuación de la curva de calibración determinada es:
nD = 1,33133 + 0,00137C donde: nD: índice de refracción C: concentración de azúcar, % (g/100 mL) Npta: la ρsolución es 1 kg/L aprox. sólo para solución diluída (hasta el 20%).
Start la planta y en condiciones estacionarias (luego de 10 – 15 min), determinar el balance de energía, el balance de masa y el coeficiente global de Transferencia de calor. Las condiciones de operación pueden ser:
Denominación
Variable
Dato
Caudal de alimentación Concentración de alimentación Flujo de vapor Presión de vapor Presión de vapor Presión de trabajo Flujo de H2O de enfriamiento
Fi Ci FI1 PI1 PI2 PI3 FI2
10 L/h 5% 5,0 kg/h 3 barg 0 barg -0,5 bar 250 L/h
Determinación del consumo de vapor utilizando cronómetro y la cubeta graduada D4: Volumen = 380 mL, tiempo = 3min 45s. Por tanto, el caudal es = 4,8 kg/h Aplicar el mismo procedimiento para medir el flujo de vapor correspondiente a FI1 = 100%
Balance de energía en evaporador Calor Total:
QT = FI1 × ΔHe (PI3) Calor Sensible:
Qs = Fi × cp × (TI2 – TI1) cp(5%) = 0,97 kcal/kg cp(10%) = 0,94 kcal/kg Calor de evaporación:
Qev = QT – Qs Eficiencia: η = (QT – Qs)/QT
Balance de calor en condensador Calor Total:
Q = FI2 × cp(H2O) × (TI6 – TI5) Caudal de evaporación: E = Q/ΔHe (PI3)
Balance de Masa Concentración de entrada: Cin = 5% Concentración de salida: Cout (calculado vía índice de refracción)
Cin × Fi ≈ Cout (Fi – E) Concentración de una solución de agua/glicol etilenico Repetir el experimento N°1 usando una solución de agua/etilenglicol al 5%.
SEGURIDAD ATENCION: Algunas partes del equipo pueden tener alta temperatura (en particular el evaporador, el tubo del vapor y el de condensado). Utilizar guantes de cuero y anteojos protectores durante la operación de puesta en marcha, marcha y parada de la planta. Las operaciones de mantenimiento deben ser realizadas por personal calificado. Antes de abrir el tablero PFD, cuadro eléctrico, cortar la corriente eléctrica.
