UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA IBEROAMERICANA
Laboratorio de Operaciones Unitarias 13 de Abril del 2016
Práctica 5 Evaporador de Película Ascedete
E!uipo "
Jorge Alberto Benítez Santiago Marvan Brenda Miraontes !aleria Orozco
Práctica 5 Evaporador de Pelicula Ascedete
#$ Marc Marco o %e&ric &rico o La evaporación tiene como objetivo concentrar una solución compuesta de la mezcla de un solvente volátil y de un soluto menos volátil. La evaporación en película ascendente es un proceso continuo durante el cual se calienta la solución en un evaporador vertical mono tubular para vaporizar el solvente. En el ciclón de cabeza, las nubes formadas por la vaporización de la solución y compuestas de vapor y de la solución concentrada se separan en dos fases: la fase fa se lí líqu quid ida a ev evac acua uada da po porr gr grav aved edad ad y de desp spu us s al alma mace cena nada da,, el va vapo porr se condensa y se recupera en un recipiente de recolección. recolección. Evaporador de película ascendente Las pa Las part rtes es es esen enci cial ales es de dell ev evap apor orad ador or de pel elíc ícul ula a as asce cend nden ente te o !" !"uj ujo o ascendente# son !$# un cambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la carcasa, y el líquido que se desea concentrar en el interior de los tubos, !%# un separador o espacio de vapor para separar el líquido arrastrado porr el va po vapo por, r, y !& !&## cu cuan ando do op oper era a co como mo un una a un unid idad ad de ci cirrcu cula laci ción ón,, un una a recirculación recirculac ión para el líquido desde el separador 'asta el fondo del cambiador. cambiador. En general están compuestos de tubos de & a $% mm de diámetro. El alimento líquido que se va a concentrar ingresa por la pa part rte e inf nfer eriior de lo los s tu tubo bos s precalentados cerca a la temperatura de ebullición, comenzando a 'ervir al recorr rec orrer er ascen ascendente dentemente mente una corta distancia. El líquido es arrastrado 'acia la parte superior debido a que la e(pansión del vapor 'ace que las burbujas formadas asci as cien enda dan n a al alta ta ve velo loci cida dad d po porr lo los s tubo tu bos s y la ar arra rastr stren en)) a me medi dida da qu que e esto sucede el líquido se va conc co ncen entr tra and ndo o fo forrma mand ndo o un una a *n *na a película sobre la pared de los tubos. La mezc me zcla la va vapo porr+l +líq íqui uido do qu que e as asci cien ende de entra a un separador, el cual elimina el vapor, de tal manera que el líquido conc co ncen entra trado do se pu pued ede e e( e(tr trae aerr di dire rect ctam amen ente te.. u uan ando do se bu busc sca a un una a al alta ta conc co ncen entr trac ació ión n el lí líqu quid ido o pu pued ede e pa pasa sarr a un se segu gund ndo o ev evap apor orad ador or o se serr recirculado recirculad o en el mismo.
El tiempo de residencia en un evaporador de este tipo es relativamente corto y el coe*ciente de transferencia de calor es generalmente alto, por ser aparatos bastante utilizados para concentrar productos sensibles al calor. Es en los evaporadores verticales de tubos largos en donde se alcanza una mayor evaporación que en los demás, pues están dise-ados para trabajar en forma continua y se adaptan muy bien a la operación en mltiple efecto) aunque por lo general, se operan en un solo paso, llevando a cabo la concentración del líquido en el tiempo que tardan el líquido y el vapor desprendido en pasar a travs del tubo.
'$ Datos E(peri)etales
Presión Atmosférica Valor Unidad
Variable /iempo de 0peración 3$ 4apor 3recalentador 3% 4apor Evaporado 3& 4acío /$
uperior Evaporador '2$ tq$ 'f $ '2% tq% 'f % '2& tq& 'f & '26 tq6 'f 6 '29 tq9 'f 9
Variable ?$ tq$ /$ ?6 tq6 /6
Presión Vacío Valor Unidad
1%2 5.67$7$7$7 % $.&81 %% 99.7$7$7$7 %
seg
1%2
seg
psi bar + =
psi bar mm;g =
=
2 $.9$ 622 %% &7.&5&5& 5&5
86 %9 %2.$ $7.8 %% $7.6 %7.% %6%9 2 8.8
= cm cm cm cm cm cm mL cm cm
56 $8.6 $& %6.9 %9.6 &%.6 92.% 2 %5.6 &.6 8.1
= cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm
Medidas con Densitómetro Presión Atmosférica
=
Presión Vacío
$.26% %$
g@cm& =
$.26% %$
g@cm& =
$.257 %1.&
g@cm&
$.279 %&
g@cm&
=
=
?9 tq9 /9
2.881 %%.&
g@cm& =
2.887 %9
g@cm& =
E*e)plo de Cálculo
"l sig#iente e$eplo de c%lc#lo se desarroll& para la corrida 1' la c#al se realiz& a ( at) *l#$o vol#+trico de cada tan,#e 2
*&r#la general-
3 ´ i= π· ( ∆ h ) · D i [ ¿ ] cm Q 4 · t s 2
.an,#e 1-
´ = π· ( 25 cm− 20.1 cm ) · ( 25.5 cm) = 3.34 cm Q s 4 · ( 720 s )
.an,#e 2-
´ = π· ( 22 cm−18.9 cm ) · ( 9 cm ) =0.27 cm Q s 4 · ( 720 s )
3
1
2
3
2
2
´ 3= π· (28.2 cm−18.4 cm ) · ( 11.5 ) =1.41 cm Q .an,#e 3s 4 · (720 s ) ´ =π· ( 2090 cm3 ) · 1 =3.37 cm Q 4 .an,#e /( 720 s ) s
´ = π· ( 390 cm ) · Q 3
.an,#e -
5
cm =0.677 ( 720 s ) s 1
3
3
3
*l#$o %sico de cada tan,#e
*&r#la general-
´ i · ρi ´ i=Q m
[¿]
g s
3
cm g g ´ 3.34 1.042 3.48 m = F = ∗ = 1 .an,#e 13 s s cm 3
cm ´ .an,#e 2- m 2=W ' v =0.27 s
∗0.998
g g =0.27 3 s cm
3
.an,#e 3-
´ 3=W v =1.41 cm ∗0.998 g 3 =1.41 g m s s cm
.an,#e /-
´ 4= L =3.37 m
3
cm g g ∗1.068 =3.60 3 s s cm 3
´ 5=G= 0.677 cm ∗0.997 g 3 =0.66 g .an,#e - m s s cm Balance de asa general
eneral-
m ´ 1 =m ´ 4 +m ´ 5 &
F = L+ G
espe$ando-
L + G − F =0 g g g g 3.60 + 0.66 − 3.48 =0.78 s s s s el balance se obtiene #n valor cercano a cero' sin ebargo se observa #n porcenta$e de error) %lc#lo te&rico de 4l#$o %sico de la sol#ci&n concentrada a la salida del evaporador 5
L'
g g g ' L = F −G =3.48 − 0.66 =2.82 s s s %lc#lo de la *racci&n Masa x*70)16 xL7 0)2010 x7 0 %lc#lo te&rico de 4racci&n asa de la sol#ci&n concentrada a la salida del evaporador 5 xL8 Se tiene ,#e el balance de asa por coponente' en este caso glicerina' es'
x L ´ L = x F F − x G G espe$ando 9L8-
x L =
x F F − x G G
'
L
'
g g 0.1556 ∗3.48 − 0∗0.66 s s =0.1924 x L = g 2.82 s '
Balance de energía en el (re:calentador (ara la obtenci&n de la teperat#ra de sat#raci&n ; el valor del calor latente de evaporaci&n' se calc#l& el valor de la presi&n absol#ta)
|¿ pre−calentador|= P atm + P manométrica de vapor P¿
|¿ pre−calentador|=75.33 Pa + 44.69 Pa=120.02 Pa P ¿ ebido a ,#e es #na presi&n de sat#raci&n' los sig#ientes datos se obt#vieron de tablas de vapor)
=105 "# $ % pre−calentador =2243.87
! sat
pre − calentador
& g
e las tablas se obtener los valores de ( con < 7 0)16 ; 60=
#pmecla=3.82
& g·(
(ara la obtenci&n de >8 *' >8( ; >8! se tiene ,#e'
Q F = F ∗#pmecla∗ ∆! pre−calentador [ ¿ ]
'
∴ Q F =
(
3.48
g s
'
Q ) =W ' v∗¿
)(
3.82
& s
)
& ( 328.15 ( −295.15 ( )= 450.07 & g·( s
% pre−calentador
(
'
∴ Q ) =
0.27
g s
)(
2243.62
)
& & =613.32 g s
?a ,#e'
'
'
'
'
'
Q ) =Q F + Q P *Q P =Q ) −Q F
'
∴ Q P=613.32
& & & − 450.07 =163.24 s s s
Balance de energía en el "vaporador alc#l& el valor de la presi&n absol#ta de la isa anera ,#e para el pre:calentador
|¿ evaporador|= Psat
=139.7 Pa+ 75.33 Pa=215.03 Pa
evaporador
P¿ e tablas de vapor-
=122.667 "# $ %evaporador =2201.04
! sat
evaporador
& g
(ara las condiciones de salida del evaporador' se #s& coo re4erencia la teperat#ra de salida de este 5@/=) on esta teperat#ra de sat#raci&n ; tablas de vapor se obt#vo-
= 81.72 Pa$% salida −evaporador =2272.18
Psat
salida−evaporador
& g
on .7 @/= ; la 4racci&n asa de entrada de glicerina 7 0)16 en las tablas de vapor-
#pmecla=3.84
& g·(
(ara la obtenci&n de > *' >( ; >! se tiene ,#e-
Q F = F ∗#pmecla∗ ∆ ! evaporador + G∗ % salida −evaporador [ ¿ ]
(
∴ Q F =
3.48
Q) =W v∗¿
(
∴ Q) =
1.41
)(
g s
3.84
)
& s
(
& ( 367.15 ( −328.81 ( )+ 0.66 g g·( s
)(
2272.18
%evaporador
)(
)
g & & 2201.04 =3105.54 s g s
?a ,#e-
Q ) =Q F + Q P *Q P=Q) −Q F
∴ Q P=3105.54
)
& & =2021.2 g s
& & & −2021.2 =1084.31 s s s
%lc#lo del coe4iciente de trans4erencia de calor debido a la convecci&n de eb#llici&n
"stos c%lc#los se acen sobre el 4l#$o de glicerina ,#e va por dentro del evaporador) %lc#lo de 2 con la ec#aci&n de *orster:#ber.eperat#ra de pared-
! + =
! salida −evaporador + ! sat 2
=
94 ℃ + 122.667 ℃ =108.32 ℃ 2
La presi&n de pared ; de salida se obtienen #tilizando la ec#aci&n de Antoine para la ezcla de glicerina ; ag#a) ∴ PW =348.903 mm,g P -=194.75 mm,g
La ond#ctividad t+rica del lí,#ido 5C' calor especí4ico 5p' densidad de la 4ase lí,#ida 5 Al' densidad de la 4ase vapor5Av' viscosidad del lí,#ido 5 Bl' tensi&n s#per4icial 5 C# ; calor latente de vaporizaci&n5D#, se obt#vieron por interpolaciones de tablas 5a s#s respectivas condiciones alc#lo de 2 con la ec#aci&n de *orster:#ber)
[
h2= 0.0012∗
∴ h2
[
=0.0012∗
0.059
0.5
0.29
[ ]( )( ) 0.5
0.45
ρl
0.49
( %∗ ρv )
0.45
0.29
g G s =0.19 0 = = F g 3.48 s
S#stit#;endo-
. /l
#p
0.24
]
0.24
∗( ! +−! s )
0.49
∗3844.59 ∗1000.8 ∗0.0004 ∗( 121000∗0.447 )
0.66
ρ L ρ)
0.5
0.79
%lc#lo de B-
0.9
0.79
0.46
Dcon todas las #nidades del SE
1 0 = x tt 1− 0
l
/ L /+
0.1
0.24
]
( P+ − Ps )0.75
0.24
0.75
¿ ( 108.32−94 ) ∗( 348.903 −194.75 ) =7546.32
[
1 0.19 = ∴ x tt 1−0.19
]( 0.9
1000.8 0.447
)
0.5
( 1 )0.1=12.894
D#nidades del SE
1 x tt F 0)1' la ec#aci&n para 4 c es-
ado ,#e
(
)
1 Fc =2.35 0.213+ x tt
0.736
(
∴ Fc = 2.35 0.213+ 12.89
)
0.736
=15.61
alculo de e %f :
Re2 f = Re l Fc
π ∗ D∫ ¿
=7.69
intercam1iador
´= G
g s· m
2
4∗ F
¿
( 1 − 0 )∗G´ ∗ D∫ ¿
intercam1iador
/l
ℜl=¿
( 1−0.19 )∗7.69 ∴ ℜl =
g 2
s· m 2·s 0.0004 2 m
∗0.024 m =371.52
∴ Re2 f =
(371.52)* (15. 61 ¿=5801.64
Sc=
1
(1+ 2.53 e
-6
1.17
Re2 f
)
∴ Sc=
1
( 1+ 2.53 e (5801.64)3 -6
1.17
)
=0.9398
"l coe4iciente de eb#llici&n en el nGcleo es ig#al a-
h 4= -c∗h2=0.9398 ∗7546.32
W 2
m · (
=7092.11
W 2
m · (
%lc#lo de 1 con la ec#aci&n de Sieder ; .ate)
´· G
D∫ ¿
intercam1iador
/l ¿ ¿ ¿
( )
h1 #p·/l =0.027 l #p· ´G
1 3
¿
espe$ando 1-
D∫ ¿ ´ G· /l ¿ ¿ ¿ #p·/l h1= 0.027 l intercam1iador
( )
1 3
¿
(
3844.59 ∗0.0004 ∴ h1=0.027 0.46
)( 1 3
7.69∗0.024 0.0004
)
0.8
( 1 )0.14∗3844.59∗7.69 =161250.549 W 2
m · (
hc = F c · h1
∴ hc
=15.61∗161250.549
W 2
m · (
= 2518030.65
W 2
m · (
on B ; se p#ede obtener el coe4iciente de trans4erencia de calor debido a la convecci&n de eb#llici&n de la sig#iente anera-
hi= h4 + h# =7092.11579
W 2
m · (
+2518030.65
W 2
m · (
= 2525122.76
W 2
m · (
%lc#lo del oe4iciente de trans4erencia de calor para condensaci&n vertical 3
2
0.25
) ρ) g %
h0= 0.943 ( ) / ) (! sat −! + ) (or e9trapolaciones se obt#vo-
) =0.673
W m·(
ρ) =941.52
g
/) =0.0002
g m·s
m
3
(or lo tanto 0 -
h0= 0.943
(
(
W 0.673 m·(
(
)( 3
g 941.52 3 m
)( 2
)(
m & 9.81 2 2201037.29 g s
)
g ( 395.79 ( −381.47 ( ) 0.0002 m·s
)
)
%lc#lo de LM.
L5!D=
∆ ! caliente −∆ ! 6r7o ln
(
∆ ! caliente ∆ ! 6r7o
∆ ! caliente =! sat
−!
pre − calentador
∆ ! 6r7o=! sat
pre− calentador
)
−! 3
2entradaevaporador
salidaevaporador
=378.15 ( −328.96 ( = 49.19 (
= 378.15 ( −367.15 ( =11 (
0.25
=6234.1515
W 2
m · (
∴ L5!D
=
49.19 ( −11 (
(
49.19 ( ln 11 (
)
=26.077 (
%lc#lo del coe4iciente global de trasisi&n de calor
Cálculo del coeficiente global de trasmisión de calor experimental:
Q F =8· 9 0 · L5!D
Despe:ando 8 : 8 =
9 0= π· Dexterior
Q F 90 ·L5!D
∗ Levaporador = π ∗0.03 m∗3.06 m=0.287 m
2
t;1ointerno
Utilizando los datos e9perientales-
8 exp=
Q F 90 ·L5!D
=
∴ 8 exp
2021.23 W 0.287 m
2
∗26.077 (
=269.655
W 2
m · (
Cálculo del coeficiente global de trasmisión de calor teórico
1 1 1 x vidrio = + + 8 h i h0 vidrio
∴
1
8 te
=
(
1 2525122.76
∴ 8 te
W 2
m · (
W 2
m · (
)( +
1 6234.1515
W 2
m · (
)( ) +
0.0059 m 3.5
W m·(
=
0.00184
W 2
m · (
%lc#lo de porcenta$e de error
error
=
|valor te
∴ error =
valor te
|8 te
=
|
552
W 2
m · (
−269.655
W 552 2 m · (
W 2
|
m · (
=51
"$ Resultados 4. Cálculo Diámetros $9.4olu men $5.Giame $&./anq $6.F; !cm& tro ue !cm# # !cm# %9.tq6 %5.%1.6 %1.%6%9 %7.$2.5% &1.tq9 &7.8.8 &8.672 62.1.75 /@)
0)
1)
5.
6)
H)I)
@)
10) 11)
12)
$1. %8. 6$.
1I)
1@) 20)
21)
22) 23)
2/)
30)
31) 32)
33)
3/) 3)
36)
/2)
/3) //)
/)
/6) /H)
/I)
3)
/)
)6)
H)
I) @)
60)
63)
6/)
6) 66)
6H)
6I) 6@)
H0)
16. 75.
H)
H6)
HH) HI)
H@)
I0) I1)
I2)
IH)
II)
I@) @0)
@1)
@2) @3)
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2)
6.
Calculo !" #ara t$4 %Corrida & 1%.4olu men 1$./anq !cm& 1&.F; ue # !cm# 7&.tq6 76.%6%9 79.%1.6 @) 10H)Balanc e de asa
$%6. /a nque $&5. tq $ $67. tq % $52. tq &
6'.
@6)
@H)
@I)
@@)
100)
101) 102)
103)
10/) 10)
106)
10I)
10@)
110)
111)
112)
113) 11/)
11)
116) 11H)
11I)
(. Cálculo de )lu*os %Corrida & $%5. Gi $%1. Hluj amet o 4ol. $%7. Gen $%9. Hl ro !cm&@> sidad A ujo !cm# # !g@cm&# $&7. % $&8. &.& $62. $.26 $&1. H 9.2 6 % $92. 8. $9$. 2.% $9%. 2.88 $68. 2 1 7 $5%. $ $5&. $.6 $56. 2.88 $5$. $.9 $ 7
'. ,alance de Masa -lobal '+. %Corrida & $%8. Hluj o Iásico !g@s# $6$. &.6 7 $9&. 2.% 1 $59. $.6 $
'. ,alance de Masa #or com#onente ''. %Corrida & 4. )rac '. Val ción . )l or /liceri 5. Valor %/0s& . na %adm& $&2. u*o $66. &.6 $6%. $6&. H 7 $69. $65. (H $61. 2.$995 $95. &.5 $96. $99. L 2 $91. $97. (L $98. 2.%2$2 $57. 2.5 $55. $51. J 5 $58. $12. (J $1$. 2.2222
$7%. (LK !HM(H+ $72. %.7 JM(J#@L % $7$. K $7&. 2.$8%6
$18. LK $16. $ $19. &.& $15. $.25 $11. &.5 H+ 2.5 1 7 2 $17. J $8$. N $76. tq $75. 1. $71. 2.5 $77. 2.88 $78. 2.5 alanc $8%. 2.2 $86. Nala 9 $79. J 8 1 1 5 $82. e 2 $8&. nce $1%. tq 6 $1&. L
$85. 212)
%&2. /a nque %6%. tq $ %96. tq % %55. tq &
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200)
201)
202) 203)
20/)
20) 206)
20H) 20I) 20@) 210) 211)
21)
216)
21H)
21I)
21@) 220)
221)
222) 223)
22/)
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''1. ,alance de Masa -lobal ''6. %Corrida '& %&9. Hluj o Iásico !g@s# %61. 6.9 61 %98. 2.2 18 %1$. %.9 5&
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''(. ,alance de Masa #or com#onente ''2. %Corrida '& '4+. )rac '2. Val ción '1. )l or /liceri '4. Valor %/0s& '(. na %adm& %&5. u*o %92. 6.9 %67. %68. H 9 %9$. %9%. (H %9&. 2.$995 %5%. &.9 %52. %5$. L % %5&. %56. (L %59. 2.%6$9 %16. 2.6 %1%. %1&. J % %19. %15. (J %11. 2.2222 %77. (LK %79. LK !HM(H+ H+ %75. 6.$ JM(J#@L %76. J % %71. K %78. 2.$1$5 %85. %81. N %87. 2.2 %88. &22. Nala &2$. 2.2222
9
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%
7
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%&
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#"+#$ Aplicacioes #"+'$ • • •
>oluciones diluídas no incrustantes >oluciones no cristalizantes Líquidos viscosos $&2&.
+4.
3*em#los de lí$uidos a#tos #ara ea#oradores de #elícula
ascendente
•
>oluciones dbiles de ácido sulfrico >oluciones de sales inorgánicas
•
Ielazas y vinazas
• • •
#"+5$ #"+/$ #"+,$ Aálisis 1 Coclusioes #"+2$ #"+-$
Aálisis de Resultados$
+. $&$$. omo podemos observar en el balance de masa, teóricamente las entradas al evaporador son iguales a las salidas de la parte líquida mas la parte del condensado. En la corrida numero dos se obtuvo una mayor perdida en la corrida numero dos, lo cual nos indica que puede 'aber fugas en el sistema, mientras que en la corrida numero uno, se obtuvo un mayor valor al realizar el balance, esto puede deberse a que 'aya un poco de acumulación en el evaporador, al momento del precalentamiento, o alguna parte del vapor no 'aya condensado adecuadamente y permanezcan algunas gotas en el condensador, lo que ocasione que se obtenga un mayor volumen en esta corrida y por lo tanto mayor valor al momento de realizar el balance de masa. $&$%. $&$&. La fracción de la glicerina obtenida en la solución concentrada, fue mayor en la segunda cual nos indica que el utilizar el vacío, afecta positivamente en este proceso y se obtiene una solución mas concentrada. $&$6. $&$9.
$&$1.
#"',$ 1328. Ventajas •
Diseño sencillo
•
Menor inversión y menores costes operativos que con película
•
descendente o circulación forada !o se necesita electricidad
•
!o se necesita control de nivel
#"'-$ #""+$ #""#$ #""'$ Bli3lio4raía •
<ELW>, P.) imulación de >istemas de Evaporadores en Iltiple $&&&.
•
•
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Efecto. /esis para optar por el título de Licenciado en ^ngeniería Ruímica. Wniversidad ^beroamericana. I(ico, $817. $&&6. QEU, Gonald R. 3rocesos de /ransferencia de alor. ompa-ía Editorial ontinental, >.<. de .4. I(ico, $859. $&&9. 3E], . ;. y G. JEEU. 3erry_s 'emical Engineers_ ;andbooT. 5t'. Ed., IcJraV+;ill UeV ]orT $876. $&&5. I^L/0U, 3. E. Evaporation /ec'nology, $= Ed., Uoyes 3ublications, UeV Persey $875.
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