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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FES Cuautitlán
LEM I Informe Experimental
Balance de materia y energía en un Evaporador
Profesor(a): SILVA ESCALONA CELESTINO
Alumnos: José Emmanuel Miranda Najera, Jennifer Vanesa Vega Sánchez, Laura Valeria Puente Puente, Diego Godínez Fragoso, Tenoch Eduardo López Tinoco, Lorena Sánchez García, Angélica Montes Martínez, Julio Ernesto Pastrana Huertas.
Semestre: 2018-II 18-05-2018
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Índice. Introducción…. 1 Objetivos, Problema Experimental, Servicios, Equipo…. Generalidades…. 5 Metodología…. 6 Resultados…. 7 Memoria de cálculos….
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Análisis de resultados…. 16 Conclusiones…. 18 Bibliografía…. 19
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Introducción. Uno de los procesos más utilizados en la industria, es el de la evaporación, el cual sirve para separar una sustancia de otra, por medio de su punto de ebullición, en el cual hay un cambio de estado, de líquido a gaseoso, esto ocurre al haber absorbido la suficiente energía como para romper la tensión superficial. El proceso que se utilizará está constituido por una secuencia de etapas en las cuales se transforma la materia a utilizar, con el fin de tener una solución más concentrada; esta solución a concentrar se tiene que estudiar antes, ya que se tiene que tomar en cuenta el tipo de evaporación, temperatura y presión con las que se realizará el proceso para obtener una mayor eficiencia. Existe una gran cantidad de evaporadores en la industria y los más utilizados son los que vienen por lotes, que consta de un intercambiador de calor para la evaporación de la sustancia a concentrar, un separador en el que el vapor se aparta de la fase liquida concentrada; un condensador, y una bomba de vacío. En un proceso pueden ocurrir cambios físicos y químicos. Los cambios físicos (operación unitaria) modifican las características de las materias sin que cambie su estructura química, como: La disminución del tamaño, el cambio de fase de sustancias puras, la separación de dos componentes o la mezcla de los mismos, etc. Los cambios químicos (proceso unitario) implican reacciones a partir de las cuales se forman nuevos componentes con una fórmula química diferente al de las materias primas, como: la mezcla de dos compuestos que reaccionan, la combustión y la tostación. Los balances de materia y energía nos permiten conocer los flujos másicos de todas las corrientes de materia que están presentes en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, como el vapor o la refrigeración. En esta práctica llevaremos a cabo un balance de materia y energía en un evaporador. Realizaremos los cálculos necesarios para el balance y comentaremos sobre qué consiste la evaporación y lo que sucede en la misma.
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Objetivos.
Aprender a operar un evaporador de simple efecto, e identificar las variables de operación que se deben medir para llevar acabo un balance de materia y energía
Problema Experimental.
El alumno determinara mediante la aplicación de los balances de materia y energía de los datos experimentales, el calor perdido en el sistema de evaporación de simple efecto.
Material.
Termómetros de Bulbo de Mercurio de -10 a 150 °C. 2 Probetas de plástico de 2L. 1 Cronometro.
Equipo.
Evaporador de simple efecto del tipo de película ascendente-descendente instalada en L.E.M de I.Q.
Servicios. Agua de servicio Vapor Saturado Agua Fría Vacío
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Generalidades El modo más sencillo en que puede llevarse a cabo la evaporación es empelando una sola etapa, o evaporación de "efecto simple". Este modo de operación se emplea cuando la cantidad de disolución a tratar es relativamente pequeña y el coste del vapor es barato comparado con la inversión necesaria para un evaporador más complejo
Leyes de la evaporación Los factores básicos que afectan a la evaporación son: a) La rapidez con que se transfiere el calor. b) La cantidad de calor requerido para evaporar. c) La temperatura máxima permisible del líquido. d) La presión a la que se lleva a cabo la evaporación. e) Los posibles cambios en el producto concentrado, tanto químicos como físicos que afectan la calidad nutritiva y sensorial. f) La elevación en el punto de ebullición de la solución que se da sobre todo en las soluciones muy concentradas. Para lograr la evaporación se requiere transferir calor, ya sea mediante la radiación solar o mediante otro medio caliente (gases de combustión, vapor). En los evaporadores de contacto indirecto, la transferencia de calor se hace a través de las paredes de tubos metálicos que separan el medio de calentamiento de la disolución, previniendo el mezclado. Estos últimos evaporadores son los más usados pues evitan la contaminación de la disolución. Para lograr una operación más eficiente se suele hacer vacío en el equipo de evaporación, lográndose que la ebullición se efectúe a temperaturas más bajas y previniendo la descomposición de los materiales orgánicos. El medio de calentamiento más usual es el vapor de agua que cede su calor latente de condensación
Objetivos de la evaporación La evaporación es quizás una de las operaciones unitarias más antiguas empleadas por el hombre, pues casi con la operación de las primeras culturas comenzó la obtención de sal a partir de la evaporación de agua marina, proceso que aún se sigue utilizando. La obtención del azúcar impulsó el desarrollo de aparatos llamados evaporadores o tachos. En la industria alimentaria es frecuente que se necesite eliminar parte del solvente que se encuentra en ciertos alimentos líquidos Los equipos empleados para tal efecto se llaman evaporadores, estos pueden adoptar formas muy diversas. Una clasificación primaria los dividiría en evaporadores de contacto directo y de contacto indirecto. En la actualidad se emplea la evaporación para concentrar ciertas sales o sustancias y para mejorar el sabor de las comidas
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7
Resultados. Mezcla Flujo volumétrico
Temperatura de entrada
1 GPM
19
℃
63
Temperatura tanque: 19
Tanque 1 Concentrado Volumen
Tiempo
Temperatura de salida
℃
℃
Tanque 2
Condensado(Evaporador) Volumen
Tiempo
7
Resultados. Mezcla Flujo volumétrico
Temperatura de entrada
1 GPM
19
Temperatura de salida
℃
℃
63
Temperatura tanque: 19
Tanque 1
℃
Tanque 2
Concentrado
Condensado(Evaporador)
Volumen
Tiempo
Volumen
Tiempo
22.2 L
5 min
15.64 L
4 min
Condensado No
Volumen
Tiempo
1
2L
2 min
2
1.070 L
0.85 min
Agua fría Temperatura de entrada 19
Pvapor: 0.5 Kg/cm² Pvacio: 40 cmHg = 400 mmHg
: ℃ 65
℃
Temperatura de salida 40
℃
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Memoria de cálculo
Cantidad teórica de vapor suponiendo un proceso adiabático
Considerando que:
Sustituyendo ec. (3) y (4) en ec. (2)
Despejando flujo másico de vapor:
Donde:
̇ ̇ : : ̇ ̇
+ =0…. .1 = …..2 = ̇ ∆…. 3 =̇ ∆……4 ̇ ∆= ̇ ∆….5 ̇ = ̇ ∆ ∆ ……6 ̇ = ̇ …….7
: Flujo másico del vapor producido en el evaporador : Entalpía del líquido saturado (dato reportado en la literatura) : Entalpía del vapor saturado (dato reportado en la literatura) Flujo másico de la mezcla : Capacidad calorífica de la mezcla a la temp. de trabajo (dato reportado en la literatura)
: Temperatura de entrada de la mezcla Temperatura de salida de la mezcla.
1. Calculo del flujo másico
=
*
Donde:
: Flujo másico de la mezcla (agua de llave) : Densidad de la mezcla a 19
: Flujo volumétrico de la mezcla
℃
(dato reportado en la literatura)
Densidad de la mezcla a 19 0C = 0.99843
⁄
9
1 1 1 = 0.99843 1000 1 1 10− ℃ =998.43 1 3. 7 854 0. 0 01 = 1 1 − =23.7854 10 ̇ ̇ 23.7854x 10− 998. 4 3 3 ̇ ° 0.99962 ℃. ° 4.1844 ℃ ∆ ∆= ∆=63℃19℃ ∆=44 ℃ =133.322+1 =585 1 1000 =77.993 =0.5 98066.1 5 10001 =49.033 =77.993 +49.033 =127.02
Flujo volumétrico
Flujo másico
=
*
=(
= 23.748
2. Valor del Cp de la mezcla (Agua) a 19 0C , Datos reportados en la literatura Robert H. Perry, Cecil H. Chilton. (1982). Perry manual del ingeniero químico. México: McGraw Hill. =
=
3. Calculo de
4. Valor de la , tablas de vapor saturado del libro Smith, Introducción a la termodinámica ubicando estas con presión absoluta.
Interpolación para obtener entalpía de líquido saturado y vapor saturado a 24.665 kPa
10
T (K)
P(kPa)
379.15
125.04
379.59 381.15
. . 444.4
2885.3
127.02
446.29
2885.97
133.90
452.9
2888.3
= =446.29 / =. = 2885.97 /
∆=( .) ∆=2885.97 446.29 ∆= 2439.68 ̇ = ̇ ∆ ∆ 23. 7 48 4. 1 844 ̇ = 2439.68 ℃44 ℃ ̇=1.7921
Sustituimos los valores obtenidos en la ecuación (6)
Cantidad teórica de agua de enfriamiento suponiendo un proceso adiabático
Considerando que:
+= =0…. . 1 …..2 =̇ ̇ ∆ . = …..4 ̇ ∆= ̇ …..5 ….. ec. (3)
Sustituyendo ec. (3) y (4) en ec. (2)
Despejando flujo másico del agua de enfriamiento
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̇ = ̇ ∆ …. . 6 ̇ = ̇ …..7
Donde:
̇ ̇ : ∶
: Flujo másico del agua de enfriamiento : Capacidad calorífica del agua a la temperatura en que entra
: Temperatura de entrada del agua
: Temperatura de salida del agua Flujo másico del vapor de mezcla Entalpia del vapor de mezcla (dato reportado en la literatura)
1. Calculo del flujo másico del vapor de mezcla en el evaporador
̇ ̇ =
*
,
Donde:
: Flujo másico de vapor de mezcla : Densidad de la mezcla a 65
℃
(dato reportado en la literatura)
: Flujo volumétrico del vapor de mezcla
⁄ 1 1 1 ℃ = 1.00065 1000 1 1 10− ℃ =1000.65 15. 6 4 0. 0 01 = 4 1 − =3.91 x 10 ̇ ℃
Densidad de la mezcla a 65 0C = 1.00065
Flujo volumétrico
Flujo másico
=
*
12
̇ 3.91 x 10− 1000.65 3 ̇ =(
2. Obtener valor de
= 3.912
de tablas de vapor saturado del libro Smith, Introducción a la
termodinámica ubicando estas con presión absoluta.
133.=322í1 = 585 1 1000 =77.993 322 10001 =53.32 =400 133.1 =77.993 53.32 =24.673 . .
Interpolación para obtener entalpía de líquido saturado y vapor saturado a 24.665 kPa T (K)
P(kPa)
337.15
23.91
267.8
2618.6
337.83
24.665
270.68
2755.73
338.15
25.01
272.0
2818.4
=. / . = . /
3. Valor de Cp del agua a la temperatura de trabajo a 19 0C , Datos reportados en la literatura Robert H. Perry, Cecil H. Chilton. (1982). Perry manual del ingeniero químico. México: McGraw Hill.
° 0.99962 ℃. ° 4.1844 ℃ ∆= ∆=40℃19℃ ∆=21 ℃ ̇ = ̇ ∆ ….. 6 =
=
4. Calculo de
∆
5. Sustituir los datos obtenidos en la ecuación (6)
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3. 9 12 2755. 7 3 ̇ = 4.1844 ℃21 ℃ ̇ = 122.68
Cantidad de calor perdido en el sistema empleado los datos experimentales.
ℎ + =∗ℎ∗ +∗ +ℎ + ℎ + ℎ= ℎ∗ + +ℎ + + ℎ= +ℎ +….1 = + ….2
Despejando de la ec. (1), Q (calor perdido)
Donde:
ℎ: ℎ :
: Flujo másico de la mezcla : Capacidad calorífica en la que se encuentra la mezcla (dato reportado en la literatura)
: Temperatura de entrada de la mezcla : Temperatura de salida de la mezcla
: Flujo másico del vapor de calentado Entalpia de vapor saturado de calentado (dato reportado en la literatura)
: Entalpia del líquido saturado (dato reportado en la literatura)
: Flujo másico del vapor de mezcla : Entalpía de vapor de mezcla (Vapor saturado, dato reportado en la literatura)
: Flujo másico del concentrado : Entalpia de concentrado
ℎ
23.748
4.1844 ℃44 ℃ )
.
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Obtención del promedio del flujo volumétrico del condensado
2 1. 0 70 + = 2 2 0.85 =1.125 =1.125 . =1.125 10− =1000 =1.125 10− 1000 1.125 ℎ ℎ = =446.29 / =. = 2885. 9 7 / ℎ = 2885.97 446.29 ℎ =2439.68 ℎ =1.125 2439.68 =. 4.442 2755.73 . ℎ 22. 2 0. 0 01 =5 1 − =4.44 10 ⁄ 1 1 1 ℃ = 1.00065 1000 1 1 10−
Obtención del flujo másico del condensado
=
Valor de
obtenido en tablas de vapor a una presión de 24.665 kPa
(
Sustituyendo valores en la ecuación
Densidad de la mezcla a 65 0C = 1.00065
15
℃ =1000.65 Flujo másico
℃ 6 5 4.44 x 10− 1000. 3 = *
=(
Valor entalpía
ℎ
= 4.442
ℎ = 270.68 / ℎ = 270.68 =. = + =5108.78 +2744.64 12240.95 1202.36 =5589.9
Sustitución de valores
4.442
Sustituyendo los valores en la ecuación (2)
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Análisis de resultados. Durante este reporte se apreció y analizo la operación unitaria de evaporación, el proceso consistió en la concentración de una mezcla de sales diluidas en agua.
El proceso se realizó en un
evaporador de película descendente. El evaporador de película descendente es el equipo más utilizado en la industria debido a su alto rendimiento y su capacidad de trabajar con productos termo sensibles. El proceso fue realizado en tres fases. La fase principal se realizó en un intercambiador de calor, donde se introdujo la mezcla y se calentó con vapor de agua. Posterior mente el flujo calentado se introdujo en el evaporador de la parte superior. Este flujo forma una película alrededor de los tubos y dentro de ellos se produce una evaporación parcial en la cual el producto que está siendo concentrado permanece en contacto con el vapor que se genera. Dentro del evaporador se procedió a disminuir la presión, utilizando una presión de vacío de 40 cm Hg, esta disminución se realiza para que las condiciones termodinámicas del agua a evaporar sean menores y su punto de ebullición disminuya alcanzando la temperatura de 63 °C dando un proceso más eficaz con un menor trabajo y costo. En esta etapa se producirán dos fluidos un evaporado y un concentrado liquido de las sales. Los dos fluidos, tanto el producto como su vapor, tienen igual sentido, por lo que la salida es por la parte inferior de los tubos. En esta parte del evaporador se produce la separación de estas dos fases. El concentrado es mandando a un tanque y el vapor se envía a un condensador, terminado así la tercer fase del proceso. En esta experimentación simplemente se utilizó un flujo de agua con una temperatura inicial de 19 °C y una temperatura final de 63 °C, estas temperatura nos sirvieron posteriormente para sacar la el ΔH el cual se emplea para sacar el flujo másico del vapor.
Cabe destacar que se requirieron hacer ciertas conversiones por ejemplo: de flujo volumétrico a flujo másico haciendo uso de la formula densidad del agua a 19 °C.
̇ =
*
donde Fv= flujo volumétrico y ρ= es la
También fue necesario convertir el Cp del agua el cual tiene de unidades
℃ ℃ a
.
Para obtener las entalpias que formaran el ΔH también es necesario saber la presión absoluta con la que se trabaja ya que para trabajar con las tablas se necesitan datos de temperatura y presión absoluta,
por
lo
que
se
aplicaron
== +
las
siguientes
fórmulas:
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Fue necesario también obtener el flujo másico del agua de enfriamiento el cual es determinado por la siguiente formula:
̇ = ̇ ∆
, dando como resultado 122.68
.
Para un correcto balance de energía también es necesario saber el calor perdido en el proceso, para ello
se
utilizó
la
siguiente
+ ℎ = +ℎ + = + 5589.9
ecuación
Y despejando se obtiene que…
Sustituyendo datos se obtuvo que el calor perdido en el proceso fue de
Dicho calor fue el calor necesario para realizar la separación de la mezcla. Este fue el calor necesario para realizar la transición de fase del agua de un estado líquido a un vapor, permitiendo así el concentrado de las sales presentes en la mezcla final. El calor posiblemente fue producto del calor intercambiado durante la fase uno del calentamiento de la mezcla y durante la fase dos en los tubos dentro del evaporador realizando así la evaporación de la mezcla, recibiendo un calor que fue necesario para los cambios de temperaturas de los equipos y el vapor de servicio. Este calor es comúnmente llamado perdido pero podría considerarse también como el calor necesario para la transición de fase, siendo esta la razón de su signo negativo en la ecuación.
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Conclusiones Este equipo permite concentrar una solución o remover el solvente de ésta mediante calentamiento con vapor. Una parte del disolvente se separa por evaporación, quedando la solución remanente con una concentración más elevada de sólidos disueltos. El solvente puede ser recuperado según sea su valor, y el producto es una solución concentrada. Los evaporadores de película se emplean sobre todo cuando se tratan soluciones sensibles a la temperatura, como por ejemplo la leche o jugo, en esta práctica no se trató a ninguna solución, si no se trató de agua, la cual fue introducida al evaporador para evaporarse el concentrado se trataba de agua que no alcanzo a evaporarse debido a distintos factores. El evaporador es un intercambiador de calor de tubos concéntricos calentado con vapor. Si bien algunos de los resultados no son del todo lo esperados se puede concluir que la práctica se llevó a cabo de forma exitosa, con excepción de que rompimos un medidor de presión de cola de cochino por el mal uso que le pudimos haber dado, nosotros o nuestros demás compañeros a lo largo de sus prácticas. Los resultados obtenidos son satisfactorios y más aún los conocimientos asimilados a lo largo de esta práctica, se logró comprender el uso que tiene un evaporador. A pesar de las simplificaciones y aproximaciones realizadas se obtuvieron resultados totalmente satisfactorios que nos permiten tener una visión global bastante buena de lo que es un Evaporador de Película y los factores que influyen en su operación. Los objetivos planteados al inicio se cumplieron cabalmente y consideramos que después de haber operado el equipo personalmente los esquemas se comprenden mucho mejor. Si bien la teoría es fundamental para un análisis adecuado de la operación unitaria, la práctica y el aprendizaje empírico son igual o más importantes para asimilar correctamente los conceptos. Las Operaciones Unitarias por sí mismas no son siempre del todo ´útiles y/o interesantes. Sin embargo, cuando se analizan en el contexto de un proceso químico se vuelven interdependientes unas de otras y su buena comprensión se vuelve crucial para el buen desarrollo del proceso. De ahí la gran importancia de entender y estudiar minuciosamente estos procesos, para poder optimizarlos y así traducir los beneficios al resto del proceso en el que se este operando.
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Bibliografía. American Institute of Chemical Engineers. (2003). Spray Dryers: A Guide to Performance Evaluation. New York: AlCHE's Chemical Engineering Technology. Perry, R. H. (2012). Manual del Ingeniero Químico (7 ed., Vol. 2). Aravaca, Madrid: McGraw Hill. Treybal, R.E. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. México: McGrawHill. Reclaikis G.V., Balance de Materia Y Energia. Mc Graw Hill, Mexico, 1989
