Pre-Informe FSC Evaporador

DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL

LABORATORIO DE FLUIDOS, SÓLIDOS Y CALOR Pre Informe Práctica: Evaporación simple y doble efecto arreglo a contracorriente Fecha de Entrega: (25 – (25 – 04 04 – – 14) 14) Integrantes Código:

Subgrupo:

A

244881 245200 244986 244909 245371 244975

OBJETIVOS. Para las condiciones de operación de 1 atmósfera y 8 pulgadas de vacio en el cuerpo del evaporador y presiones del vapor vivo de 10 y 8 psi: 

 

 

Calcular los coeficientes de transferencia de calor para el vapor vivo y el fluido que se evapora. Analizar el resultado obtenido contra lo presentado en la literatura. Realizar un balance de energía total (calor real trasferido y pérdidas por radiación radiación y convección libre) para el equipo. Calcular la economía de la evaporación y la capacidad del equipo. Comparar y analizar los resultados obtenidos para las dos formas de evaporación realizadas, bajo las diferentes condiciones de operación establecidas.

MARCO TEÓRICO Generalmente, un evaporador consiste en un intercambiador de calor, mediante el cual se lleva un líquido a vapor, y un dispositivo mediante el cual se separa la fase vapor del líquido en ebullición. Existen evaporadores de película ascendente y de película descendente, así como de circulación forzada y de película agitada. Para la práctica se trabajará con un evaporador tubular calentado con vapor de agua, de simple efecto y doble efecto en arreglo a contracorriente.

EVAPORACIÓN SIMPLE Balance de materia Para el procedimiento trabajado, se tiene un líquido que se alimenta, F. para este alimento, se asume un estado de entrada como líquido saturado, puesto que según las condiciones que se tienen únicamente se cuenta con la temperatura de entrada (T ambiente) para definir su entalpía. Se tiene un vapor que se alimenta al evaporador, el cual se denomina vapor vivo, para diferenciarlo del vapor que se produce del mismo, y finalmente el vapor de salida, que corresponde al líquido alimentado que a través del evaporador resulta como vapor saturado. El balance global de materia sería así:

             En la ilustración 1, se puede ver un esquema general de los balances másicos y de entalpía para el evaporador. Puesto que el fluido trabajado es agua, no se tiene una solución concentrada o diluida.

1

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Figura 1. Balances de materia y energía en un evaporador. Tomado de [1]

Balance de energía global

 (    )    (       )   (2) En este balance, los subíndices en las masas, para el vapor vivo harían referencia al vapor que entra para ser condensado, mientras que el subíndice que aparece únicamente como vapor, se referiría al vapor que produce el evaporador. Se asume que se tiene un alimento como líquido saturado, y entrada y salidas de vapor saturado. Según esto:

                                         Mediante este balance de entalpía, podemos calcular el calor perdido por radiación, puesto que el resto de variables son conocidas. Como el agua y el vapor vivo se encuentran en contacto dentro del evaporador, se puede suponer que no hay una pérdida considerable por parte del vapor vivo dentro del evaporador. Teniendo esto en cuenta tendríamos que el flujo de calor se definiría con la expresión siguiente:

    (       )    (    ) (3)








Coeficientes de transferencia de calor para el vapor vivo y el fluido que se evapora. e vapora. La ley de enfriamiento de Newton nos dice, que cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde él es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio externo. Se expresa:

 ̇       

 2

Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección en W/m ºC. Para de la condensación del vapor vivo (en donde la temperatura no está por debajo de su temperatura de saturación), el calor entregado en dicho proceso se determina mediante:

 ̇  ̇    Donde el flujo másico (  ̇  ) se determina recolectando el flujo de agua condesada de vapor vivo, y la entalpía de vaporización de determina a partir de la temperatura y presión que caracterizan su -1 estado ( , kJ*kg ). Igualando las ecuaciones (4) y (5), se resuelve para el coeficiente de transferencia de calor h:

 

̇       



Donde,  = área de transferencia de calor. Formada por 22 tubos de cobre de 48 cm de longitud útil y diámetro interno de 35 mm. (         , en unidades consistentes).  = temperatura del condesado  = temperatura del líquido en el evaporador. Para hallar el coeficiente de transferencia de calor para el líquido, la diferencia de temperatura se toma entre la T del condesado menos la T del agua que entra al sistema (este balance se realiza para el segundo evaporador), y el área de transferencia es el área externa de los tubos obteniendo:

 

̇       



Dónde:

 =

área de transferencia de calor. Formada por 22 tubos de cobre de 48 cm de longitud útil y diámetro externo de 39.5 mm. (        , en unidades consistentes).  = temperatura del condesado.  = temperatura del líquido a la entrada del sistema.

Economía de la evaporación y la capacidad del equipo. Economía








     Dónde:

̇    ̇  

̇   = Masa de agua que se vaporiza en el segundo efecto. ̇   = Masa de vapor vivo alimentado al evaporador del primer efecto.



Capacidad del equipo

La capacidad del equipo se define como los kilogramos kilogramos de agua convertida a vapor por hora, es decir, la cantidad de calor transferido por hora, se define como la capacidad del equipo:

      Para el caso del vapor vivo,  corresponde a la diferencia entre la temperatura media del vapor vivo y la temperatura de ebullición del agua en el evaporador, que según se reporta es de aproximadamente 93 °C

   ̅      ̅  

        

El valor obtenido para el coeficiente de transferencia global se pueden obtener partir de los valores presentados en la Figura 2, en donde se presenta una gráfica para distintos agua tratada y agua sin tratar, a distintas temperaturas.








Figura 2. Valores para estimar el coeficiente de transferencia de calor para el agua a distintas temperaturas



Consumo de vapor

También se puede determinar el consumo de vapor de calentamiento, que se halla con una relación simple entre la economía del proceso y la capacidad del equipo:

     

  

EVAPORACIÓN DOBLE EFECTO ARREGLO ARREGLO A CONTRACORRIENTE CONTRACORRIENTE Un evaporador de efecto simple como se plantea al inicio y se muestra en la figura 1. desperdicia energía, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto múltiple. En la operación de alimentación en contracorriente que se muestra a continuación para el evaporador de efecto doble la alimentación entra al último efecto, que es el más frío y continúa hacia atrás hasta que el concentrado sale por el primer efecto. En el primer efecto se usa vapor de agua como medio de calentamiento, temperatura de ebullición T1







DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL Si la solución final está demasiado concentrada, se aumenta la velocidad de alimentación y viceversa; entonces, la solución final alcanzará un nuevo estado estacionario a la concentración deseada.

Coeficientes de transferencia de calor para el vapor vivo y el fluido que se evapora. Como se expresó anteriormente para el caso de evaporación simple, se resuelve para el coeficiente de transferencia de calor hvapor :

 

̇       

Donde,  = área de transferencia de calor. Formada por 22 tubos de cobre de 48 cm de longitud útil y diámetro interno de 35 mm. (         , en unidades consistentes).  = temperatura del condesado (primer producto condensado)  = temperatura del líquido en el evaporador. Para hallar el coeficiente de transferencia de calor para el líquido, se desarrolla la misma expresión para el caso de evaporación simple, pero se evalúa h líquido en el segundo evaporador:

 

̇       



Dónde:

 =

área de transferencia de calor. Formada por 24 tubos con diámetro interno de 1,125 pulg y espesor 1,5 mm. Posee un tubo central de 3,75 pulg de diámetro interno y 2 mm de espesor. Longitud 48 cm.  = temperatura del segundo condesado.  = temperatura del líquido a la entrada del segundo evaporador

Balance de energía total









DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL Realizando un balance de energía en el esquema anterior, para las corrientes de entrada y salida, se obtiene lo siguiente:

           Despejando el calor transferido y ampliando la expresión:

                     Donde,

 = masa de la corriente en estudio  = entalpía especifica de la corriente en estudio Las mediciones pertinentes de los productos de condensación, permiten realizar un balance de masa y por ende conocer los  involucrados en el balance de energía; las entalpías especificas requieren de las definiciones de estado de las corriente, las cuales se conocen por medios de instrumentos que lo permiten o por condiciones ya fijadas para el proceso de evaporación. Desarrollando este balance de energía, se puede obtener el calor, el cual se refiere a la energía pérdida que se transfiere en forma de radiación y de convección libre hacia el ambiente.

Economía de la evaporación y la capacidad del equipo. 

Economía

El principal factor que influye sobre la economía de un evaporador es el número de efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía de vaporización del vapor de agua que entra en el primer efecto puede utilizarse una o más veces dependiendo del número de efectos. La economía también está influenciada por la temperatura de la alimentación. Desde el punto de vista cuantitativo la economía de un evaporador es totalmente una cuestión de balances de entalpía. El flujo del vapor vivo se mide con un balde y un cronómetro en el que se recoge el condensado de dicho vapor que sale del primer efecto (se asume que todo el vapor se condensa). Para conocer la cantidad de vapor que se obtiene en el proceso, el vapor que sale del segundo efecto se condensa y es recolectado en un tanque, el cual cuenta con una escala que muestra cómo varía el nivel dentro del mismo.







DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL dado por la siguiente expresión:

     Si parte de este calor que va a calentar la alimentación hasta el punto de ebullición se desprecia, puede decirse de manera aproximada, que todo el calor latente del vapor de agua que se condensa aparece como calor latente en el vapor que se produce. Por tanto todo el calor consumido en el primer efecto, será cedido cuando este vapor condense el segundo efecto. El calor transmitido en el segundo efecto viene dado por la ecuación:

    La capacidad de un evaporador de doble efecto será entonces:

     Donde U1 y U2, corresponde a los coeficientes globales de transferencia de calor en cada equipo. Q1 = flujo de calor entregado por el vapor vivo Q2 = flujo de calor entregado por el primer efecto

             A= área de transferencia de calor, ya ha sido especificada anteriormente. ∆T1 = Tv-Tv1 (Temperatura del vapor vivo saturado – – temperatura de vapor en el primer intercambiador). ∆T2 = Tv1-Tv2 (Temperatura de vapor en el primer intercambiador – temperatura de vapor en el segundo intercambiador)



Consumo de vapor

Se determina como se expresó para evaporación simple

Eficiencia del evaporador







DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL 3.

Alimentar vapor de agua de la caldera manteniendo la presión constante durante la práctica, en el valor previamente definido. 4. Abrir la válvula que da paso al flujo de agua hacia la la bomba de vacío. Una vez verificado que efectivamente pasa agua por la bomba, se debe encender esta y establecer la presión de vacío de 8 pulgadas. 5. Alimentar el vapor de agua y mantener la presión en 10 y 8 psi. 6. Cuando la temperatura de agua se aproxime aproxime al punto de ebullición de 10 o de 8 psi, según se esté realizando, debemos cerciorarnos de que el nivel de líquido a evaporar en ambos intercambiadores permanezca constante con el controlador de flujo. En el caso de que el controlador no opere correctamente se debe suministrar agua de refrigeración al condensador manualmente abriendo la válvula que da paso al líquido. 7. Una vez se estabiliza el sistema, tomar los datos correspondientes a la práctica, vistos en la tabla de toma de datos. 8. Modificar la presión de vapor vapor suministrado, cuando cuando el sistema se estabilice volver a tomar tomar los datos necesarios, temperaturas y presiones. 9. Una vez finalizada la toma de datos llevar llevar el equipo a presión atmosférica, apagando la bomba de vacío y abriendo lentamente la válvula que conecta el tanque de condensado con la atmósfera. 10. Esperar a que el sistema se vuelva a estabilizar y empezar con la toma de los datos correspondientes.

Para doble efecto a contracorriente: El procedimiento es similar al de efecto simple, difiere en que hay que colocar dos canecas, una a la salida de cada evaporador para recoger los dos condensados con sus respectivas balanzas taradas, y hay que cambiar la posición de las válvulas para obtener alimentación de agua en contracorriente.

Variables a ser controladas.  

Presión de vacío de la bomba. Presión de vapor de agua.

Variables a ser medidas.








FORMATOS DE TABLAS Y GRÁFICOS: Para efecto simple.

Tiemp o (s)

Tiemp o (s)

Masa tanque vap vivo condensado (kg)

Masa tanque vap vivo condensado (kg)

8 psi Masa tanque vapor salida (kg)

T vap vivo (°C)

T vap salida (°F)

P vap vivo (psig)

T agua (°C)

10 psi Masa tanque Nivel tanque vapor salida vapor salida (in) (kg)

T vap vivo (°C)

T vap salida (°F)

P vap vivo (psig)

T agua (°C)

Nivel tanque vapor salida (in)

Para efecto doble a contracorriente: 8 psi







DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL Tiemp o (s)

Masa tanque condensado 1 (kg)

10 psi Masa tanque Nivel tanque condensado 2 vapor salida (in) (kg)

T vap vivo (°C)

T vap salida (°F)

P vap vivo (psig)

T agua (°C)

BIBLIOGRAFÍA BÁSICA: Warren L. McCabe – Julian Julian C. Smith – Peter Peter Harriot (2005): “Operaciones unitarias en ingeniería química” (4ª ed). Cap Cap 16, pp 497-520. 497-520. C.J Geankopolis. (3ª ed) “Procesos de transporte y operaciones unitarias” cap 8. pp 547 -560. Y.A cengel, transferencia de calor, Mac Graw Hill (3ª ed).

ANEXOS:









DEPARTAMENTO INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL E f ec ec t o s e n c i l l o

Arreglo flujo en contracorriente








Pre-Informe FSC Evaporador

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