Universidad de Cartagena Programa de Ingeniería Química
Evaporador de doble efecto
Johays Soleno Samir Meramo María Angélica Otero
Ing. Rodrigo Rafael Ricardo Paredes Ing. Adriana Herrera Barros, PhD.
Cartagena de Indias, D.T. y C., Septiembre 3 de 2014
RESUMEN La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. La evaporación como operación unitaria consiste en concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil, que generalmente es agua. En la presente práctica de laboratorio se realizó la concentración de una solución compuesta de agua y sacarosa, vaporizando una parte del disolvente para aumentar el contenido de sólidos presentes en la disolución. Este se llevó a cabo en una unidad de evaporación de doble efecto en corriente directa a través de la alimentación de dos lotes preparados de la solución de sacarosa. En primer lugar, se calentó el primer lote en el tanque de alimentación. Una vez se alcanzó una temperatura de 80°C se pasó a la primera etapa del evaporador. Mientras estuvo la solución de sacarosa en el primer efecto alcanzó la temperatura ideal para llevar a cabo la vaporización, sugerida en el manual de 100,4°C por medio del calentamiento de una resistencia, luego se adicionó el segundo lote en el tanque de alimentación y fue calentado. Cuando la solución de sacarosa alcanzó su punto de ebullición se consiguió la evaporación del disolvente. Este vapor proveniente del primer efecto permitió llevar a cabo la evaporación en el segundo efecto, aprovechando el calor latente de dicha corriente gaseosa. Finalmente se obtuvo un producto final con una concentración mayor a la inicial. Los resultados obtenidos evidencian el correcto funcionamiento del equipo, puesto se logró aumentar la concentración de la solución de sacarosa en aprox. 3°brix. Partiendo inicialmente con una concentración de 11° brix logrando concentrar hasta 12.9°brix. Para lograr el cumplimiento del objetivo de la práctica fue muy importante conocer el comportamiento y manejo del equipo, debido que esto es clave para lograr que el fenómeno de evaporación se pueda llevar a cabo en cada efecto, en este caso el manejo del flujo y la temperatura en el primer efecto fueron factores cruciales.
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TABLA DE CONTENIDO
1. OBJETIVOS ..................................................................................................... 5 1.1.
Objetivo general ....................................................................................... 5
1.2.
Objetivos específicos .............................................................................. 5
2. EQUIPO ............................................................................................................ 5 2.1.
Descripción del equipo ............................................................................ 5
2.2.
Diagrama de flujo del proceso ................................................................ 6
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .......................................................................... 7 3.1.
Principios termodinamicos ......................Error! Bookmark not defined.
3.2.
Hipótesis ................................................................................................... 7
3.3.
Modelo Matemático .................................................................................. 8
4. DISEÑO DE LA PRÁCTICA ............................................................................. 9 4.1.
Variables y Principios .............................................................................. 9
4.2.
Elección del sistema .............................................................................. 10
4.3.
Hoja de datos .......................................................................................... 11
4.4.
Equipos y materiales ............................................................................. 11
4.5.
Desarrollo de la práctica........................................................................ 11
5. REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA ................................................................ 12 5.1.
Mediciones ................................................................................................. 12
5.2.
Observaciones ........................................................................................... 12
6. ANÁLISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS ............................................... 13 6.1.
Cálculos ..................................................................................................... 13
3
6.2.
Análisis y discusion de resultados .......................................................... 17
6.3.
Conclusiones ............................................................................................. 17
7. REFERENCIAS .............................................................................................. 18 8. APENDICES ................................................................................................... 19 8.1. A–1: Viscosidad de la solución de sacarosa a distintas concentraciones .................................................................................................. 19 8.2.
A–2: Determinación de la elevación del punto de ebullición................. 20
8.3.
A–3: Entalpia de la solución de sacarosa ............................................... 20
8.4.
A–4: Solubilidad de la sacarosa en agua ................................................ 20
8.5.
A–5: Densidad de la solución de sacarosa ............................................. 20
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1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo general Analizar el funcionamiento de un evaporador de doble efecto empleando una solución de sacarosa para aumentar su concentración.
1.2. Objetivos específicos Identificar los parámetros o las condiciones óptimas para la operación del equipo. Determinar los coeficientes globales de transferencia de calor para cada uno de los efectos mediante correlaciones. Determinar el área de transferencia de calor para cada uno de los efectos. Comparar los resultados de las áreas calculadas teóricamente con las experimentales.
2. EQUIPO 2.1.
Descripción del equipo
Los procesos termodinámicos que se llevaran a cabo están presentes en el tanque de alimentación donde hay una resistencia para introducir calor y llevar a 80°C la solución, de igual manera hay una en el evaporador de primer efecto en donde se alcanzará el punto de ebullición y las más altas presiones y por último en el evaporador de segundo efecto donde se aprovechará el calor latente que aún posee el vapor que proviene de la primera fase para concentrar aún más la solución.
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2.2. Diagrama de flujo del proceso
Figura 1. Unidad de evaporación de doble efecto.
Fuente: (Alemán, y otros, 2012)
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3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.1.
Principios termodinámicos
Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos. Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.
Un evaporador de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el funcionamiento, el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor calefactor del segundo efecto. Este proceso utiliza el punto de ebullición del solvente para lograr aumentar la concentración del solido o la sustancia a concentrar, retirando en forma de vapor el disolvente. Es un proceso contrario a la destilación, en este caso el compuesto de interés en la evaporación es el componente menos volátil. Para mejorar la eficiencia de los evaporadores, en los múltiples efectos se busca generar el mayor vacío posible con el fin de bajar los requerimientos energéticos, bajando el punto de ebullición y aumentando la evaporación del solvente.
3.2. Hipótesis A través de una unidad de evaporación de doble efecto se puede concentrar una solución de sacarosa aprovechando los fenómenos de transferencia de calor y masa. La solución entra al primer evaporado a temperatura de ebullición La concentración al final de cada fase será mayor que el de la anterior
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3.3. Modelo Matemático
Primer efecto: Dado que en la primera etapa la solución es calentada por medio de una resistencia eléctrica, podemos calcular el área de transferencia, según la ecuación 1, como
Siendo el calor proporcionado por la resistencia, el coeficiente global de transferencia en el primer efecto, la temperatura superficial de la resistencia y la temperatura de ebullición de la solución. El coeficiente global de transferencia se puede calcular mediante
En el primer efecto, se tienen en cuenta únicamente el calor por convección dado que el contacto de la resistencia con el almacenamiento es directo y posteriormente se transfiere por convección hacia el resto de la alimentación. Siendo el coeficiente de transferencia de convección para el líquido hirviente, se determina mediante la correlación ⁄
[
]
Siendo la conductividad del vapor de agua, la densidad del líquido en el primer efecto, la densidad del vapor de agua en el primer efecto, el calor latente de vaporización y la viscosidad del vapor de agua.
Segundo efecto: El calentamiento se efectúa por el vapor proveniente de la primera etapa, por tanto el área para este efecto se determina como
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Siendo vapor.
la entalpia del vapor generado del primer efecto y
el flujo de
Para el coeficiente global de transferencia de la segunda etapa
El coeficiente de transferencia para la película de condensado se puede determinar por la expresión [
]
Siendo
4. DISEÑO DE LA PRÁCTICA 4.1. Variables y Principios
Las variables de medición del sistema son:
Temperatura en la alimentación Temperatura en el evaporador de primer efecto Temperatura en el evaporador de segundo efecto Composición a la salida
Las parámetros de control son:
Calor suministrado por las resistencias Temperaturas dentro de los evaporadores y dentro de la alimentación Presión
Para el cálculo de las concentraciones utilizaremos el picnómetro para medir la densidad de las muestras que se van a tomar y después realizar la lectura en la tabla concentración vs densidad que se encuentra en el anexo A.
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4.2. Elección del sistema Para llevar a cabo la práctica de evaporador de doble efecto se empleará azúcar en solución al 10% p/p con agua como solvente (aproximadamente 12 l de solución para el desarrollo de la prueba). Para medir la concentración de azúcar en la solución se implantará un refractómetro, al que debe hacerse su respectiva curva de calibración previa a la prueba, esto para saber con qué exactitud va a dar la medición. El azúcar de mesa es el edulcorante más utilizado para endulzar los alimentos y suele ser sacarosa.
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Hoja de datos Evaporador 1 Ts (°C)
Evaporador 2 N/A
T1 (°C)
80
100
T2 (°C)
N/A
104
hebullicion (W/m2 K)
38.55823
38.55823
hcondensado(W/m2 K)
N/A
3514.0173
hconveccion(W/m2 K)
N/A
N/A
K (W/m2 K)
26,1
26,1
U (W/m2 K)
38.55823
12.22371
A (m2)
0.1902
Composición en la alimentación Composición de efecto 1
10,1
N/A
10,6
10,3
Composición de efecto 2
N/A
10,9
4.3. Equipos y materiales
Azúcar común.
Balde aforado de 12 L.
2 Beakers.
1 Pipeta de 50 mL.
Balanza analítica.
Refractómetro.
Evaporador de doble efecto.
4.4. Desarrollo de la práctica 1. Preparar 12 litros de una solución de sacarosa para un 10%p/p. 2. Determinar la concentración de la solución, utilizando un refractómetro calibrado y cuidando que tenga un límite de detención para soluciones diluidas. 3. Purgar el sistema de trabajo con agua, eliminando ésta por las válvulas de drenado adecuadas. 4. Asegurar que las válvulas que intervienen en el sistema estén cerradas. 11
5. Alimentar el tanque de alimentación con 12L de solución. 6. Posteriormente verter 6L de solución al Primer efecto y encender ambos interruptores, activando así ambas resistencias. 7. Apagar la primera resistencia posicionada en el tanque de alimentación una vez se alcancen aproximadamente 80°C. A su vez, controlar la temperatura en el primer efecto, que no sobrepase los 100,4°C. 8. Recolectar el vapor condensado que sale de la chaqueta del segundo efecto, cuando este alcance 500 mL, se procede a tomar una muestra de la solución en el primer efecto. 9. Se deja pasar toda la solución del primer efecto al segundo efecto. 10. Permitir el paso de la solución contenida en el tanque de alimentación al primer efecto, repetir el paso 8 pero esta vez para tomar una muestra de la solución del segundo efecto. 11. Apagar el equipo y descargar el contenido de ambos efectos. 12. Purgar como medida de limpieza para evitar incrustaciones y corrosión.
5. REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA 5.1. Mediciones Tabla 1. Datos obtenidos experimentalmente.
°BRIX Temperatura (°C) 9.2 40 PRIMERA CORRIDA Salida °BRIX Temperatura (°C) 11.2 80 12.4 100.4 SEGUNDA CORRIDA Salida °BRIX Temperatura (°C) 11.7 80 12.9 102
Alimentación
Efecto 1 2 Efecto 1 2 5.2. Observaciones
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Durante la realización de la práctica se observó que al cerrar las válvulas que controlaban la salida de vapores de los efectos 1 y 2, y aumentar la presión en el sistema, se favorecía la evaporación en la etapa 1. Del mismo modo al cerrar V7 y acumular vapor, se optimiza la recolección del vapor que se condensa. 6. ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS 6.1. Cálculos
Conversión de ºBrix a concentración %p/p de sacarosa
Realizando una regresión lineal con los datos recolectados para la curva de calibración del refractómetro, se obtuvo la ecuación pertinente para la conversión de ºBrix a concentración en peso de sacarosa. ⁄
Sabemos que la concentración de la alimentación a la unidad de evaporación es del 10%p/p de sacarosa, para determinar las concentraciones obtenidas en el primer y segundo efecto se emplea la ecuación anterior, siendo entonces Tabla 4.Conversión de ªBrix a concentración (%p/p)
Primera corrida Segunda Corrida Etapa ºBrix %p/p Etapa ºBrix %p/p 1 11.2 12,54 1 11.7 13,35 2 12.4 14,47 2 12.9 15,28
Evaporación en el primer efecto
En el primer efecto la alimentación se sometió a un precalentamiento hasta no sobrepasar los 80°C, el calor suministrado por la resistencia ubicada en el primer efecto es el calor sensible ya que es ganado por la solución de sacarosa hasta llegar a la temperatura de ebullición y luego en calor latente del solvente que se evapora. Por esto, para determinar el calor transferido en el primer efecto se tiene: (
)
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El volumen de vapor condensado recolectado del primer efecto fue 200mL. Posteriormente se procedió a medir su volumen a temperatura de 35°C se calcula la masa de vapor generada en el primer efecto.
Trabajando con 6L en el primer efecto de una solución de sacarosa a una temperatura ambiente de 25°C, considerándose que la solución es homogénea y no se afecta la densidad, se procede a realizar el cálculo de la masa de alimentación:
Se procede a realizar el cálculo del
entre las temperaturas de entrada y
salida del sistema: ⁄ Se calcula el calor transferido hacia el fluido por la resistencia: ⁄
No es posible describir la transferencia de calor por unidad de tiempo, puesto que no se midió el tiempo de salida del volumen de un efecto a otro.
Para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor en el primer efecto, se tienen en cuenta únicamente el calor por convección. Dado que el contacto de la resistencia con el almacenamiento es directo y posteriormente se transfiere por convección hacia el resto de la alimentación.
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Este coeficiente se calcula mediante correlaciones, como la que se presenta a continuación: ⁄
[
( [
⁄
) (
]
⁄
) ]
Considerando que todo el calor que disipa la resistencia se aprovecha para la evaporación del solvente y no hay perdidas al ambiente, este cálculo es una idealización del proceso por lo cual el área de diseño debe ser mayor. Para el cálculo del área se despeja de la definición de calor:
Evaporación en el segundo efecto
El principio del evaporador de doble efecto consiste en reutilizar el calor latente para la siguiente evaporación, esto ayuda a economizar el vapor. Su aplicación es limitada, pero el estudio de su trabajo es una aplicación de la técnica del vapor. Cuando el vapor se utiliza para evaporar el agua de un producto, el vapor original se divide en dos:
Calor latente de vaporización, que es por evaporación del agua del producto. Agua que se conserva en el condensado, se forma cuando el vapor original se condensa. 15
El coeficiente global de transferencia de calor tendrá en cuenta la convección, la película de condensado y la transferencia de calor desde el vapor saturado, además de la resistencia del espesor de la chaqueta.
El coeficiente de ebullición fue calculado anteriormente, el de la película de condensado se determina con la correlación experimental. ̅̅̅
[
]
Remplazando en los valores numéricos en las ecuaciones anteriores se obtiene:
̅̅̅
[
] ̅̅̅
Se calcula el coeficiente global de transferencia de calor:
*Debido a no se cronometrizo, no es posible hallar el área de transferencia, esto a que se presenta una inconsistencia dimensiona. Para una próxima oportunidad es necesario conocer el tiempo de transferencia de calor para sistemas batch con el que se trabajó. 16
6.2. Análisis y discusión de resultados El caudal que fluye a la cámara de evaporación lo hace por ciclos y no de forma continua, lo que no permite efectuar una evaporación instantánea en el sentido estricto de la palabra, sino una evaluación aproximada que consiste en estudiar lo que ocurre cuando una porción de líquido llega a temperaturas superiores a la de ebullición en la cámara y el resto de a porción llega a una temperatura ligeramente menor a la de ebullición en la cámara. El evaporador de doble efecto es una manera de concentrar la solución en un sistema donde el principal beneficio es el aprovechamiento del calor latente del vapor que se genera en el primer efecto. Esto demostrado en los resultados obtenidos durante la practica: Como primera muestra se obtuvo una solución de sacarosa de 10.1°Brix y al finalizar se obtuvo una solución de sacarosa de 10.6°Brix. Se puede concluir que parte importante de la práctica fue el mantener el equipo en estado estable para poder obtener los mejores resultados y tener resultados razonables para cada uno de los cálculos que se realizaron, algo que destacó en el desarrollo de la práctica fue el que muchos de los datos necesarios para obtener el coeficiente global de transferencia y los coeficientes de transferencia dependían de las propiedades de los fluidos y las condiciones a las que estaban estos, otro factor importante fue el que al comienzo de esta práctica el equipo estaba frío y se debía llegar a estado estable para poder realizar la práctica. La interpretación del coeficiente global de transferencia de calor es menor en el segundo efecto esto debido a la resistencia al espesor de la chaqueta y a la película de condensado que se forma cuando el vapor cede energía a la solución que se desea concentrar.
6.3. conclusiones El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. Un evaporador es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que en el primer efecto se usa vapor de agua como medio de calentamiento, temperatura de 17
ebullición. El vapor extraído del primer efecto se usa como medio de calentamiento, se condensa en el segundo efecto y se vaporiza agua a temperatura y presión en este efecto, de modo que pasa de estado líquido a vapor. Para transferir calor del vapor que se condensa al líquido en ebullición en este segundo efecto, la temperatura de ebullición debe ser inferior a la de condensación. Esto significa que la presión del segundo efecto debe ser menor que la presión del primer efecto. A fin de cuentas un evaporador, es un intercambiador de calor más complejo, en el que además de producirse el cambio de fase pueden darse otros fenómenos asociados a la concentración de la disolución, como la formación de sólidos, la descomposición de sustancias, etc. El método general para aumentar la evaporación por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de evaporación en múltiple efecto. Los evaporadores, deben funcionar siempre a vacío parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación En la práctica el evaporador se denota las diferencias entre coeficientes globales de trasferencia de calor, esto debido a utilización de fuentes de energía distintas y manejo manual de estabilización del sistema.
7. REFERENCIAS
Alemán, S., y otros. 2012. Manual De Prácticas Para La Unidad De Evaporación De Doble Efecto. Ingeniería Química, Universidad de Cartagena. 2012. Echeverri Ocampo, Valentina. 2005. Control de los Evaporadores de los Laboratorios de Procesos Productivos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. [Trabajo de grado]. s.l. : Universidad Nacional de Colombia, 2005. Geankoplis, C.J. 1998. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. 3ra. 1998. Ocon G., J. y Tojo B., G. Problemas de Ingeniería Química: Operaciones Básicas. Vol. I. McCabe- C.Smith.McGraw-Hill. Operaciones unitarias en ingeniería química. l.
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8. APENDICES 8.1. A–1: Viscosidad concentraciones
de
la
solución
de
sacarosa
a
distintas
A continuación se muestran las ecuaciones para calcular los parámetros necesarios al trabajar con una solución azucarada, teniendo en cuenta la variación de las propiedades con la temperatura, son ecuaciones empíricas: En la tabla 1 se muestran algunas de las propiedades de la solución de sacarosa respecto a la temperatura. Tabla 1. Viscosidad de la solución sacarosa-agua a distintas concentraciones.
Fuente: (Echeverri Ocampo, 2005)
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8.2. A–2: Determinación de la elevación del punto de ebullición Para calcular la Elevación del Punto de Ebullición (EPE) en soluciones azucaradas, existen varias alternativas, una de ellas es la correlación de Higgins: (
)
Donde: C es la fracción en masa de azúcar. Tb es la temperatura de ebullición del agua pura a una presión dada. 8.3. A–3: Entalpia de la solución de sacarosa Para calcular la entalpía de la solución azucarada se emplea la expresión
De donde se concluye que la capacidad calorífica se puede calcular mediante la siguiente correlación:
Donde: C es la fracción en masa de azúcar. Cp es la capacidad calorífica (o calor específico) de la solución en J/g · K. T0 = 273,15K. T es temperatura en K.
8.4. A–4: Solubilidad de la sacarosa en agua Charles, de California y de la Compañía Hawaiana de Azúcar, reportó la siguiente ecuación para calcular la solubilidad del azúcar en agua
Donde S es el porcentaje en masa de azúcar en la solución y T es la temperatura en °C.
8.5. A–5: Densidad de la solución de sacarosa 20
La densidad de la solución es función de la composición y la temperatura. Se toma en este modelo la relación empírica de Lyle y Hall.
[
][
]
Fuente: (Relazucar)
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