INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA LABORATORIO LABORATORIO DE BIOSEPARACIONES BIOSEPARACIONES
Reporte: Práctica 6
EVAPORACIÓN Profeore: Dra! Roa Ie"a Car#a$a" %e No&a I'(! A()t*' Ri&era +er'á'%e, I'(! Na%ia N)e&o Epi'o,a E-)ipo: . 6L/.
Gr)po: I'te(ra'te:
Catro P0re, Ga#rie"a
Ro1ero Car#a$a" +0ctor Eai'
Pi'e%a Be'*te, Lot
Ro1ero 2*ctor Pa)"a It,e"
Ra1o D*a /o'terrat
3a1#ra'o F"ore 4o0 A'to'io
/05ico D!F! a 7 %e Septie1#re %e 8. INTRODUCCIÓN La evaporación es el proceso en el que se concentra una disolución compuesta por un soluto no volátil y un solvente volátil. En la evaporación se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la que se obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. FUN!"N#$!EN%" &E L"' E(#)"*#&"*E' E(#)"*#&"*E' !N&U'%*!#LE' onsiste básicamente en transferir calor desde la ca+a de vapor acia los tubos de solución y de estos al líquido que se quiere evaporar.En este proceso se crean una serie de resistencias t-rmicas. &esde el punto de vista de la ca+a de vapor se produce una pelicula de condensado y una /astón, 01112 película adicional con los gases inertes. La evaporación es utili3ada para concentrar soluciones acuosas de4
• • • • • • •
#35car loruro de sodio 6idró7ido de sodio /licerina /omas Lece 8ugo de naran+a
En estos casos, la solución concentrada es el producto deseado y el agua evaporada suele desecarse. En otros, el agua que contiene peque9as cantidades, de minerales se evapora para obtener agua libre de sólidos que se emplea en la alimentación de calderas, para procesos químicos especiales, o para otros propósitos. #ctualmente se están desarrollando y usando procesos de evaporación de agua de mar para obtener agua potable. "casionalmente, el principal ob+etivo de la evaporación consiste en concentrar una solución de manera que al enfriarse -sta se formen cristales que puedan separarse. /ean:oplis, 01;12
OBJETIVOS ;. Evaporar una solución diluida de sal
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Secuencia experimenta c!n a"ua
Secuencia experimenta para c!ncentrar una #!uci$n
DIA%RAMA DE &LUJO
Cua'r! ()* N!mencatura 'e e+uip!# C*-./ Cic$ n
E*-(/ E5ap!ra' !r
I*-0/ C!n'en#a' !r 'e tu6!#
RESULTADOS
I*-1/ C!n'en#a' !r
NOMENCLATURA DE E,UIPOS P*(2/ P*-(( T*(1/ B!m6a 'e B!m6a Tan+ue 'e 'e#pa7amient centr;
T*--/ Tan+ue 'e recircuaci$ n
T*-3/ Tan+) De amac= n
T*-2/ Tan+) De amac= n
T*-4/ Tan+) De amac= n
%abla ; aracterísticas del equipo de evaporación de simple efecto.
Eement! Marca 'e e+uip! V?5ua @ tu6er;a 'e pr!ce#! V?5ua# @ tu6er;a# 'e #er5ici! Pre#i$n m?xima 'e 5ap!r Me'i'a# 'e #e"uri'a' In#trumentaci$n
De#cripci$n De L!ren7! !< America> C!rp) S)A 'e C)V) Acer! in!xi'a6e> 5?5ua# 'e 6!a @ 5?5ua# 'e 5?#ta"! tip! c!mpuerta Vap!r Acer! in!xi'a6e enca+ueta'!) A"ua 'e en
Ta6a . Re"i#tr! 'e a# 5aria6e# 'urante a !peraci$n)
PRODUCTO V!umen inicia 'e a mue#tra V!umen
;1 L 1.= L 0; > ;? min @A.; > A.A@A L BC
Ta6a - Re"i#tr! 'e temperatura# 'urante a e5ap!raci$n)
Tiemp!
E5ap!ra'!r -
Temperatura C S!uci$n e5ap!ra'a
A"ua 'e en
8min: 3 (/ (3 ./ .3 -/ -3
Entra'a
Sai'a
Entra'a
Sai'a
Entra'a
Sai'a
D.?
@?.0
@=.A
0D.0
0A.A
==.=
D?.D
@?.D
@
0D.?
0D.@
=D.
D@.
@A.;
@=.D
[email protected]
=1.?
;.
@=.A
@.@
@.D
=;.=
=;.
.
@=.=
@.
@.A
=.
=0.
@.0
@.
@?
=.D
==
@0.
@.A
@?.
=?
=0.A
.
.8 .88 T e'tra%a E&apora%or T Sa"i%a E&apora%or T E'tra%a So")cio' E&apora%a T Sa"i%a So")cio' E&apora%a T E'tra%a A()a %e E'fria1ie't T Sa"i%a A()a %e E'fria1ie'to
;8
Temperatura (°C)
68 78 8 8 8 9 .8.9898978
Tiempo (min)
Figura 1. Grafica de comportamiento de temperatura en entradas y salidas del equipo.
•
C!ncentraci$n 'urante a e5ap!raci$n Ta6a ( Brix 'urante a e5ap!raci$n
Tiem po (min) $ & #$ #& '$ '& $ &
°Brix de la solucin (!"#$$ !) !. !. !7 !6 !; 7 6
Concentracin (%) !. !. !7 !6 !; 7 6
Tabla 5 Concentración y °Brix final en las salidas.
alida Concentrados Condensados Pur!a
° Brix 66 8 !6
Concentracin (%) 66 8 !6
Concentracin de la solucin < 6 9 7
°Brix
. 8 8
9
.8
.9
8
9
8
9
78
tiempo (min)
Pur!a (P) + ,$$# /! 0A+ $,11 0+ $,$#
Figura . Concentración de la solución
Condensados (C) + .,.1. /! 0A+ #
Alimentacin (2) + #$,' /! 0A (2raccin m3sica de A!ua) + $,14 0 (2raccin m3sica de al) + $,$' Concentrados (*) + $,-$. /! 0A+ $,&# 0+ $,-1
Baance "!6a m?#ic! 'e <uF! F =C + L + P … … … ( 1 )
&onde4 FG Flu+o de alimentación ;1.0Hg2. G ondensados del proceso A.A@A Hg2. LG oncentrados del proceso 1.1A Hg2. )G )urga del equipo =.11; Hg2.
N!ta#G •
C!n'en#a'!#G El peso de los condensados es resultado de la suma del peso recuperado en el recipiente y el pero calculado que se quedo en el equipo4
III&ibu+o del equipo C =C 1 + C 2 ∴ C =1.846 Kg + 4.850 Kg=6.696 Kg
•
C!ncentra'!#G 'abemos que tenemos ;@Dg de sal y con ayuda de la densidad J0.;A?gKmL la convertimos en volumen4 1 mL 198 g =91.45 mL 2.165 g
|
|
Eso es el volumen que ocupa la sal en los concentradosM de aí tenemos4 Volumen Agua=300 mL − 91.45 mL =208.55 mL=0.208 Kg El peso total en la parte de concentrados es4 L= Peso Agua + Pe so Sal
L=0.208 Kg + 0.198 Kg=0.406 Kg
Pur"aG En los = L de purga que obtuvimos sabemos que ay 0 g de sal, por el mismo procedimiento anterior tenemos que4 1 mL =0.923 mL 2g 2.165 g
|
|
&e aquí tenemos4 Volumen Agua=3000 mL −0.923 mL =2999.07 mL =2.999 Kg El peso total en la purga es4 P= Peso Agua+ Peso Sal P=2.999 Kg + 0.002 Kg=3.001 Kg
'ustituyendo datos en J;4 10.103 Kg
=6.696 Kg+ 0.406 Kg+ 3.001 Kg
)orcenta+e de p-rdida4 de P =
de P =
Valor teorico −Valor experimental x 100 Valor teorico
−10.103 Kg
10.2 Kg
10.2 Kg
x 100=0.93
Baance <uF! m?#ic! p!r c!mp!nente#) F x A=C x A + L x A + P x A … … … ( 2 ) F x S =C x S + L x S + P x S … … … ( 3 )
&onde4 7 #G Fracción másica de #gua. 7'4 Fracción másica de 'al. )ara conocer las fracciones másicas del fluido de alimentación tenemos4 F x A=10 Kg ∴ x A =
F x S =0.2 Kg ∴ x S =
10 Kg 10.2 Kg
0.2 Kg 10.2 Kg
=0.98
=0.02
)ara conocer las fracciones másicas para condensados tenemos4
C x A= 6.696 Kg ∴ x A =
6.696 Kg 6.696 Kg
=1
)ara conocer las fracciones másicas para concentrados tenemos4 L x A =0.208 Kg ∴ x A=
L x S =0.198 Kg ∴ x S =
0.208 Kg 0.406 Kg
0.198 Kg 0.406 Kg
=0.51
=0.49
)ara conocer las fracciones másicas para purga tenemos4 P x A =2.999 Kg ∴ x A=
P x S=0.002 Kg ∴ x S=
2.999 Kg 3.001 Kg
0.002 Kg 3.001 Kg
=0.99
=0.01
'ustituyendo datos en J0 y en J=4
( 6.696 Kg ) ( 1 ) + ( 0.408 Kg ) ( 0.51 )+ (3.001 Kg ) ( 0.99 )=9.87 Kg
( 6.696 Kg ) ( 0 )+ ( 0.408 Kg ) ( 0.49 ) + ( 3.001 Kg ) ( 0.01 )= 0.22 Kg )orcenta+e de error en cada una4 de P =
Valor teorico −Valor experimental x 100 Valor teorico
de P en Agua=
|
de P en Sal=
10 Kg
−9.87 Kg
10 Kg
0.2 Kg
|
−0.22 Kg x
0.2 Kg
Baance 'e ca!r 'e ;+ui'!) Q L =( mT Cp∆T ) + ( m C λ )
&onde4
x 100=1.3
100
=10
m%G masa alimentada J;1.0 Hg. mG masa condensados JA.A@A Hg. %G %emperatura a la cual el agua se convirtió en vapor. J@AO ó =A@.;?OH pG alor especifico del agua a 0;O J% de la solución que entra a la alimentación J.;D0 :8KHg OH. PG alor latente del agua a @A O El punto de ebullición de la solución en el evaporador, que equivale al del agua es %G@A O J=A@.;? OH. Entonces el calor latente del agua a =A@.;? H, que de acuerdo a las tablas de vapor es 00A.? :8K:g
T C
T
Entap;a H 8J":
H
1
=A@.;?
Liquido saturado 10.0
(apor saturado 0AA@.
λ L = H vapor − H l!uido λ L =2669.7− 402.2 λ L =2267.5 "# / "g
'ustituyendo datos4 Q L =
(
10.2 "g $ 4.182
4
)(
"# $ 369.15 % K + "g% K 4
6.696 "g$ 2267.5
"# "g
)
4
Q L =1.57 x 10 "# + 1.52 x 10 "# ∴ Q L =3.09 x 10 "#
Baance 'e ca!r 'e 5ap!r) m (¿¿ C λ ) Q V = ( mC Cp∆T )+ ¿
&onde4 mG masa condensados JA.A@A Hg. %G )romedio de temperatura de salida J@.;O ó =1.0?OH.
pG alor especifico del agua a @1.?O J.0;0:8KHg OH ó ;.11:calKHg OH. PG alor latente de vapori3ación a ;.0 atm El vapor de agua que se introduce está saturado a ;.0 atm G ;0;.?@ :)a. El calor latente del vapor de agua a ;0;.?@ :)a es 000.D=:8K:g. &e acuerdo a las tablas de vapor4
T C
T
P
Entap;a H 8J":
H
H)a
(/0
=.;?
(/1
=@.;?
;;A.AD ;0;.?@ ;0?.1
Liquido saturado =?.@
H vapor − H l!uido
00A.= 6 001.@
.
0AD0.0 0AD?.=
E interpolando4 H =
( ) ( )
H =
(
x 2− x
x 2− x 1
H 1+
x − x 1
x 2− x1
−121.59 125.04−116.68
125.04
)
H 2
2246.3
+
(
−116.68 125.04 −116.68 121.59
)
2240.9
H =2242.83 "# / "g
'ustituyendo datos4 Q V =
(
6.696 "g$ 4.212
)(
"# $ 370.25 % K + "g%K
4
4
6.696 "g $ 2242.83
"# "g
4
Q V =1.04 x 10 "# + 1.50 "# ∴ QV =2.54 x 10 "#
%omando en cuenta el tiempo que se evaporo la solución4 5
Q V =5.08 x 10 "# $ min
Ca!r ce'i'! p!r e 5ap!r 'e #er5ici! El calor cedido por el vapor de servicio viene dado por4 Q S =m S $ λ
&onde4
(apor saturado
)
m'G masa de salida de vapor condensado. J0=.? Hg PG alor latente del agua a @A O El punto de ebullición de la solución en el evaporador, que equivale al del agua es %G@A O J=A@.;? OH. Entonces el calor latente del agua a =A@.;? H, que de acuerdo a las tablas de vapor es 00A.? :8K:g
T C
T
Entap;a H 8J":
H
1
=A@.;?
Liquido saturado 10.0
(apor saturado 0AA@.
λ L = H vapor − H l!uido λ L =2669.7− 402.2 λ L =2267.5 "# / "g
'ustituyendo datos4 Q S =23.5 "g $ 2267.5
"# 4 ∴ Q S=5.33 x 10 "# "g
%omando en cuenta el tiempo que circulo el vapor por la tubería J=? min tenemos4
6
Q S =1.86 x 10 "# $ min
E
Q V QS
x 100
5
&' ( vapor =
5.08 x 10
6
1.86 x 10
"# $ min x 100 "# $ min
&' ( vapor =27.23
%a#t! 'e A"ua 'e en
)ara conocer el gasto de agua de enfriamiento nos basamos en la ecuación4 Q S =m A Cp∆T
&e aí despe+amos m A=
m A para
conocer la masa de agua de enfriamiento alimentada4
QS Cp∆T
&onde4 m # G La masa de agua de enfriamiento alimentada. Q' G El calor cedido por el vapor de servicio J?.==7;1 :8. %G &iferencia de temperatura inicial y final.
´ ' − ´T i ∆ T =T ∆ T = 42.78 % C −30.77 % C ∴ ∆ T =12.01 %C
pG alor especifico del agua a 0?O J.;D0 :8KHg OH. 'ustituyendo datos4 4
5 ( x 10
m A= 4.182
"#
"# $ 12.01 % K Kg% K
m A=1061.21 "g =1061.21 L =1.061 m
3
&act!r 'e c!ncentraci$n Factor de concentraci)n=
Factor de concentraci)n =
Concentraci)n de concentrados Concentraci)nde soluci)n
660 g 2g
/ L
/ L
Factor de concentraci)n =330
C?cu! 'e a ec!n!m;a t!ta 'e pr!ce#! 'e e5ap!raci$n
&conomia de vapor del sistema =
&conomia de vapor del sistema =
masade agua evaporada masa devapor utili*ado
6.696 L 23.5 L
&conomia de vapor del si stema= 0.2849
An?i#i# 'e Re#uta'!#
•
•
•
En cuanto a la eficiencia de vapor en el equipo que nos da lo consideramos que es asta cierto punto el esperado Jesperábamos eficiencia ba+a debido a las condiciones del equipo, como por e+emplo los recipientes de vidrio absorben calor, las tuberías no tenían medios aislantes y eso acía que se perdiera calor. # niveles industriales esas p-rdidas pueden significar merma en la utilidad lo que lo convierte en un proceso no costeable. # nivel industrial una eficiencia de apro7imadamente 1R Jdependiendo alimentación y productos representa un buen proceso. "tra causa a la que se le pudo atribuir la ineficiencia de la operación es la temperatura de entrada de la alimentación porque afecta la operación del evaporador, en nuestro caso entró a una temperatura fría de 0; O por lo que parte del vapor de agua suministrado se consume para elevar la temperatura de la alimentación a @A O entonces el calor que se requiere para calentarla asta su punto de ebullición puede ser bastante grande y solamente una parte queda disponible para la vapori3ación de la alimentación. 'i la alimentación entrara a la temperatura de ebullición, todo el calor transmitido se utili3aría para la evaporación. #demás en el laboratorio se usó un solo evaporador, es decir, de efecto simple y utili3a inefica3mente el vapor y desperdicia bastante energía como lo marcan nuestros resultados porque el vapor que proviene del líquido en ebullición se condensa y no se aproveca, pues el calor latente del vapor que sale no se utili3a como en uno de efecto m5ltiple donde una buena parte de este calor latente se recupera y se utili3a. La entalpia de vapori3ación del vapor de agua que entra en el primer efecto puede utili3arse una o más veces dependiendo del n5mero de efectos seg5n la bibliografía consultada. )ara evaporar ; :g de agua de la disolución se requieren de ; a ;.= :g de vapor de agua. &e manera apro7imada, en uno de efecto triple se evapora = :g de agua por :ilogramo de vapor de agua usado. )or consiguiente, el resultado es un aumento de la economía del vapor de agua.
•
•
•
•
En cuanto al balance de materia del proceso despu-s de peque9os inconvenientes que tuvimos en la lectura del refractómetro pudimos determinar la concentración de la solución en los concentrados y con eso la cantidad de soluto recuperado. Los R de p-rdida de los balances salieron muy ba+os debido a que despu-s de recolectar todo lo que recuperamos pudimos recuperar lo mayor posible. Las p-rdidas que tuvimos pudieron aberse ido a la ora que abríamos la llave de la purga. )ara los cálculos reali3ados se necesitaron de dos balances de calor, uno para el vapor de agua y otro para el lado de la disolución o vapor ya que en un evaporador de efecto simple el calor latente de condensación del vapor de agua es transmitido a trav-s de una superficie de calefacción para vapori3ar agua de una disolución a ebullición. El balance de entalpia para el lado del vapor de agua es el calor trasmitido a trav-s de la superficie de calefacción desde el vapor de agua y para el lado del líquido es la trasmisión de calor desde la superficie de calefacción acia el líquido. Los balances de entalpía y materia son importantes para conocer las variables que intervienen en el dise9o y operación de un evaporador, por e+emplo cuando se usa vapor de agua saturado a presión más alta cuesta más y suele ser más valioso como fuente de potencia en otros equipos. )or consiguiente, la presión optima del vapor de agua de determina mediante un balance económico general. En cuanto a la concentración de los concentrados fue alta, esto se lo atribuimos a que mantuvimos las condiciones del proceso lo mas optimas que pudimos, cuidando la temperatura del agua de enfriamiento, del vapor que calentaba la solución, entre otras cosas.
C!ncu#i!ne# •
•
•
•
'e aprendió a mane+ar correctamente el equipo de evaporación, conociendo tambi-n las variables a monitorear y controlar. La eficiencia del vapor de 0.0= R y es poco costeable, por lo ba+o que es Je7plicaciones ya dadas. La concentración de los condensados es ideal y más si lo aplicamos a un proceso continuo nos daría mayores rendimientos. 'e concentraron ;1 litros de una solución de sal al 0R en peso, la alimentación entró a 0;
%C . El vapor de agua de servicio se introdu+o saturado a ;.0 atm. El punto de
ebullición a @A •
%C . La operación se reali3o durante =? minutos y se obtuvo una
concentración final de sal de ;@D g. )ara medir la concentración de sal se utili3ó un refractómetro.
•
La cuantificación de R de sal, por medio de un refractómetro no es una t-cnica e7acta. Las tuberías del evaporador necesitan ser limpiadas para eliminar las sales.
•
El evaporador empleado requiere un cambio de aislamiento t-rmico.
•
•
La economía del proceso y el factor de concentración, dependen en gran medida de la eficiencia del aislamiento t-rmico.
RE&ERENCIAS
'andoval S, #leida. 011A. T "peraciones de conservación de alimentos por ba+as temperaturas0ed. Editorial equinoccio
8 /ean:oplis, ristie, 01;1. T)rocesos de transporte y operaciones unitarias, a ed. Ed. )atria, $-7ico, págs. ??1
/il 6ernande3, #ngel, 01;1. T%ratado de Nutrición4 omposición y alidad Nutritiva de los #limentos %omo !!. 0a ed. Ed. $-dica )anamericana, pag. ;?0
*odrigue3 Ecemendia, )edro, ;@@. T$anual de cálculo rápido )ara la industria a3ucarera )ags4 @<;=
/ean:oplis, ristie 8, ;@@D. T)rocesos de %ransporte y operaciones unitarias. =V edición. $-7ico. ompa9ía Editorial ontinental, '. #. de . (M pp ??.
/astón 'alas "ctubre del 0111M )rocesos !ndustriales !! "peración Unitaria EvaporaciónM Universidad %-cnica Federico 'anta $aría Jttp4KKes.scribd.comKaoWariasKdK0@?11
MANUAL DE OPERACIÓN KEVAPORADOR
PARTES DEL E,UIPO
E(#)"*#&"*
"N&EN'#&"*
S"$S# &E #S#'%E!$!EN%"
!N%E*#$S!#&"* &E #L"*
"N%ENE&"* &E "N&EN'#&"
"N%ENE&"* &E F"N&"
Cua'r! ((G Caracter;#tica# 'e e+uip! 'e e5ap!raci$n 'e #impe e
#gua de enfriamiento )( ;D :gKm0 Usar careta y guantes. $anómetros ronómetros 'ensores de temperatura
SERVICIOS AUXILIARES (apor de agua Electricidad #gua E,UIPOS AUXILIARES Somba peristáltica Sombas centrifuga
OPERACIÓN DE E,UIPO
;. Encender la caldera. 0. olocar el agua de enfriamiento con ielo en el tanque correspondiente.
I'terr)ptore %e #o1#a =. !dentificar los indicadores de temperatura y los interruptores de la bomba en el panel de control.
.
Encender el interruptor general del I'%ica%ore de %eequipo evaporación.! te1perat)ra
?. #brir las válvulas de agua de enfriamiento. A. Encender la bomba de arranque de la bomba de recirculación ; que se encuentra en el panel de control.
. #brir la llave de purga, asta que empiece a salir vapor.
L"a&e %e p)r(a D. errar la llave de purga y abrir las válvulas de vapor.
2á"&)"a %e &apor @. #brir las válvulas de alimentación, -stas deben de estar abiertas en todo el proceso.
2á"&)"a %e a"i1e'taci
2á"&)"a %e P)r(a ;1.#brir llaves del evaporador.
;;. uando la presión en el manómetro llegue a 1 abrir llaves de la misma línea al mismo tiempo y esperar que ba+e a 01.
;0.#brir válvula de alimentación.
;=.)render bomba peristáltica al ;11R.
;.#limentar con la solución.
;?.(erificar que se est- llevando a cabo la evaporación y obtención de condensados en los tanques respectivos.
;A.#brir válvula para recircular. ;.Encender bomba de arranque de la bomba de abastecimiento o bomba de recirculación 0. ;D.#brir las correspondientes llaves para tomar las muestras de fondo, recirculación y condensado. ;@.*egistrar a intervalos constantes presión de vapor, temperatura de vapor, temperatura de entrada y salida, temperatura de los líquidos condensados. 01. %omar muestras del condensado, fondo y recirculación. 0;.'e de+a concentrar. 00. #l final medir el volumen del condensado, fondo y recirculación.
Mantenimient! @ impie7a ;. 0. =. . ?. A. . D. @.
)oner agua limpia ?L Encender el tablero y el equipo. Encender bomba peristáltica al ;11R. Encender bomba de abastecimiento Esperar a que se vea en el tanque un nivel de ?cm. Encender bomba de recirculación &e+ar de recircular asta que se termine el agua #pagar bomba de recirculación. #pagar bomba de abastecimiento.
Apa"a'! 'e #i#tema ;. errar válvulas de vapor. 0. #pagar todas las bombas. =. #pagar el interruptor del tablero de control.
. &esconectar el equipo.
PRECAUCIONES
Usar el equipo adecuado para operar, como lo son guantes, careta, etc. $antener la presión de vapor en el rango establecido. $onitorear temperaturas y estar pendientes de las válvulas. $antener a una temperatura adecuado el tanque de enfriamiento, agregando ielo las veces que sea necesario.
