EVAPORACION

Laboratorio de Operaciones Unitarias.

EVAPORACIONI. OBJETIVO

Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor del evaporador que tenemos, en este caso, del evaporador de tubos verticales de un slo efecto.

Concentrar una solucin que consta de un soluto no voltil y un disolvente voltil.

II. FUNDAMENTO TEORICO

El objetivo de la operacin de evaporacin es concentrar una solucin mediante la eliminacin de disolvente por ebullicin. Por lo general la concentracin se detiene antes de que el soluto comience a precipitarse de la solucin. En consecuencia, un evaporador debe consistir bsicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solucin y un dispositivo para separar la fase vapor del lquido en ebullicin.

La evaporacin se diferencia del secado en que el residuo es un lquido (a veces muy viscoso), en vez de un slido; de la destilacin, en que el vapor es generalmente un slo componente, y an cuando sea una mezcla, en la evaporacin no se pretende separar el vapor en fracciones; de la cristalizacin, en que el inters se centra en concentrar una solucin y no en la formacin y crecimiento de cristales.

Generalmente, en la evaporacin el lquido concentrado es el producto valioso, mientras que el vapor se condensa y desprecia.

CARACTERISTICAS DEL LQUIDO A EVAPORAR:

PROPIEDADCARACTERISTICAS

ConcentracinEl lquido de alimentacin puede ser suficientemente diluido y poseer muchas de las propiedades fsicas del agua, pero a medida que aumenta la concentracin, la solucin adquiere un carcter ms particular. La densidad y viscosidad aumentan con el contenido de slidos hasta que la solucin se satura. La ebullicin continuada de una solucin saturada da lugar a la formacin de cristales que es preciso retirar para evitar la obstruccin de los tubos.

Formacin de espumaAlgunas sustancias orgnicas forman espuma durante la vaporizacin. Con el vapor sale del evaporador una espuma estable que origina gran arrastre. En caso extremo, toda la masa de lquido es arrastrada por el vapor.

Sensibilidad a la temperaturaMuchos productos qumicos, medicamentos y alimentos se estropean cuando se calientan a temperaturas moderadas por un corto tiempo. En la concentracin de estos materiales, se utilizarn tcnicas especiales para reducir la temperatura del lquido y el tiempo de calentamiento.

Formacin de costrasAlgunas soluciones depositan costras sobre la superficie de calentamiento; luego el coeficiente global disminuye paulatinamente hasta que es preciso parar el evaporador y limpiar los tubos. Si la costra es dura e insoluble, la limpieza es difcil y costosa.

Materiales de construccinLos evaporadores se construyen en hierro colado o acero. Pero, muchas soluciones atacan a los metales frreos o son contaminadas por ellos, siendo preciso utilizar materiales como cobre, nquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo. Como estos son caros, resulta conveniente obtener elevadas velocidades de transmisin de calor para disminuir el coste inicial del aparato.

Otras caractersticas a considerar Calor especfico

Tipo de evaporador.

Liberacin de gases durante la ebullicin

Toxicidad

Peligro de explosin

Radiactividad

Condiciones estriles, etc.

III. CUADRO DE DATOS

SOLUCION A CONCENTRACION:Solucin de azcar al 5 %.

Pman = 35 psi T1 = 22CTref = 20C

CORRIDAS (L / h)P (lb / h)F (lb/h)W (L / h)T2 (C)T3 (C)

155.4710020025.819749.5

258.2415020025.289847

361.0720020035.219945

457.4920015040.849743

Donde:

F = flujo msico de la solucin diluida (lb/h)

P = flujo msico de la solucin concentrada (lb/h)

W = caudal de solvente condensado o evaporado (L/h)

S = caudal del vapor saturado (L/h)

T1 = Temperatura de solucin diluida

T2 = Temperatura de solucin concentrada

T3 = Temperatura del vapor del disolvente concentrado

Tref = Temperatura de referencia

Densidades:

A la T = 20C = 68F

CORRIDA( sol

BrixCe (Btu/lb F)

SOLUCION DILUIDA6.030.9653

SOL. CONC. 15.800.9668

SOL. CONC.26.400.9630

SOL. CONC.37.300.9572

SOL. CONC.46.800.9604

Los valores de Ce fueron obtenidos de la figura 14.34 del Kern.

rea transversal del tanque de condensado=0.20029617 m2.

IV. CALCULOS

CALCULOS PARA HALLAR EL FLUJO MASICO DEL SISTEMA

F=P+W

En el vapor de H2O:

Pman

=35 psig

Pabs

=35 + 14,7 = 49,7 psia = 342.7 KPa

(H2Ocond=57.91 lb/ft3Tsat = 138.14 C

Entonces :

S = ( x (Vapor de H2O)

S=57.91 x 55.47 =113.43 lb/h (A la alimentacin)

SOLUCION CONDENSADA:

Se hallo las densidades respecto a su temperatura del apndice 6 McCabe

T3 (F)( ( lb/ft3)

121.161.69

116.661.66

113.061.81

109.461.86

W= ( x (Sol. Cond.)

= 61.69 x 25.81 = 56.23 lb/h

Para los dems datos de Laboratorio, se construye la siguiente tabla:

CORRIDAP (lb/h)W (lb/h)F (lb/h)S (lb/h)

110056.23200113.43

215055.14200119.10

320076.85200124.86

420089.22150117.56

BALANCE DE ENERGIA

CALOR CEDIDO POR EL VAPOR SATURADO

QS = S x (HC HV) = S s

Donde :

HV = Entalpa vapor a la presin de trabajo, 49.70 psia

HC = Entalpa condensado a la presin de trabajo, 49.7 psia.

De Tablas:HV = 2731.36 KJ / Kg

HC = 580.853 KJ / Kg

s = - 925.38 Btu/lb

S (lb/h)s (Btu/lb)Qs (Btu/h)

113.43- 925.38104965.85

119.10- 925.38110212.76

124.86- 925.38115542.95

117.56- 925.38108787.67

CALOR ABSORBIDO POR LA SOLUCION DILUIDA

Q=P x Hp + W x HW F x HF ()HF = (TF - Tref )Ce = 3.475 BTU/lb.

HF=Entalpa especfica de la solucin, BTU/lb.

T ref.= 20C = 68F

TF = 22C = 71.6F

Ce = 0,9653 BTU/lbF

HP =Ce (T2 Tref)

HP=Entalpa especfica de la solucin concentrada, BTU/lb.

CORRIDACe (Btu/lb F)T2 (F)Tref (F)HP (Btu/lb)

10.9668206.668133.998

20.9630208.468135.205

30.9572210.268136.113

40.9604206.668133.111

De las Tablas de Vapor Saturado hallamos HWCORRIDAT3 (F)HW (Btu/lb)

1121.189.088

2116.684.596

3113.081.006

4109.477.416

Hallando Q de la ecuacin () se obtiene el siguiente cuadro:

CORRIDAP(lb/h)HP (Btu/lb)W (lb/h)HW (Btu/lb)F (lb/h)HF (Btu/lb)Q (Btu/h)

1100133.99856.2389.0882003.47517714.2

2150135.20555.1484.5962003.47524250.4

3200136.11376.8581.0062003.47532752.9

4200133.11189.2277.4161503.47533007.9

CALOR PERDIDO POR RADIACION

QP = QS - Q

Q =104465.85 - 17714.2 = 87251.65 BTU/h.

Los dems clculos, se muestran en la siguiente tabla:

CORRIDAQSQQP

1104965.8517714.287251.65

2110212.7624250.485962.36

3115542.9532752.982790.05

4108787.6733007.975779.77

CALCULO DE LA CADA APARENTE DE TEMPERATURA ((T )

( T = (Tsat T2)

Donde:

T2 = Temperatura de solucin concentrada

Tsat = Temperatura de saturacin = 280.652 F

Se tiene que:

CORRIDAT2(T (F)

1206.674.05

2208.472.25

3210.270.45

4206.674.05

CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Por definicin:

U = QS / (A. (T) ............... (1)Donde :

U=Coeficiente global de transferencia de calor.

A=N x ( x D x L

N=Nmero de tubos=12.

D=Dimetro del tubo=0,75 pulg. = 0.0625 ft

L=7,67 pies.

Clculo del rea de Transferencia (A):

A=12 x ( x (0,0625) x 7,67= 18.0720 ft2.

Entonces, reemplazando en (1) :

U=104965.85/ (18.0720 x 130.08)

U=44.65 BTU / h.ft2 F

CORRIDAQsA ( ft2)(TU (Btu / h.ft2 F)

1104965.8518.072074.0578.44

2110212.7618.072072.2580.39

3115542.9518.072070.4590.75

4108787.6718.072074.0578.44

CALCULO DE LA RELACION AGUA EVAPORADA POR LIBRA DE VAPOR:

W = PESO DEL AGUA EVAPORADA

S PESO DEL VAPOR UTILIZADOCORRIDAW / S

10.496

20.463

30.615

40.759

GRFICA DE U vs, (T:

A continuacin valores de U para cada corrida y (T:

(TmU (Btu / h.ft2 F)

74.0578.44

72.2580.39

70.4590.75

74.0578.44

V. CUESTIONARIO1. Hacer una descripcin de los principales tipos de evaporadores con sus usos, ventajas y desventajas, cada uno con sus esquemas simplificados.

TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES

TIPOCARACTERISTICASVENTAJASDESVENTAJAS

Marmita abierta o artesa Es la forma ms simple de un evaporador. En la artesa se hierve el lquido.

El suministro de calor proviene de la condensacin de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el lquido.

En ciertos equipos s usan paletas o raspadores para agitar el lquido. Son econmicos y de operacin simple. Excesivo desperdicio de calor.

Evaporador de tubos horizontales con circulacin natural Uno de los tipos de construccin clsica.

La solucin a evaporar hierve afuera de los tubos horizontales, dentro de los que se condensa el vapor. Los tubos horizontales interfieren con la circulacin natural de lquido hirviendo, por lo que se disminuye al mnimo su agitacin.

El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa. El condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solucin a ebullicin est por afuera de los tubos. El vapor se desprende de la superficie lquida; despus se le pasa por un deflector que impide el arrastre de gotas de lquido y sale por la parte superior.

El coeficiente global de transmisin de calor es inferior al de otras formas de evaporadores, especialmente si la solucin es viscosa.

No se hace nada para evitar la espuma presentada por la ebullicin.

Los coeficientes globales varan de 200 a 400 Btu/h*pie2*(F, dependiendo de la diferencia global de temperatura, de la temperatura de ebullicin y de las propiedades de la solucin. Los tubos horizontales son insertados en la caja de vapor, mediante embutido. Actualmente los tubos horizontales se usan en instalaciones pequeas en donde la solucin a tratar es diluida y no se presentan espumas ni slidos depositados sobre los tubos del evaporador

Se emplea para disoluciones no viscosas que no depositen cristales o impurezas en la cristalizacin.

Es relativamente econmico, para lquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para lquidos que no formen incrustaciones. El depsito procedente de la evaporacin de la solucin aumenta sobre la superficie externa de los tubos, de donde no puede quitarse fcilmente.

Como la circulacin de lquidos no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos.

Evaporadores verticales con circulacin natural Se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el lquido est dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior.

Debido a la ebullicin y a la disminucin de densidad, el lquido se eleva en los tubos por circulacin natural, y fluye hacia abajo a travs de un espacio central abierto grande o bajada. Esta circulacin natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor.

A este equipo se le llama con frecuencia evaporador de tubos cortos.

El evaporador de canasta difiere del evaporador vertical de circulacin natural, pues ste tiene un espacio central en vez del anular como bajada. Este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azcar, sal y sosa custica.

En el evaporador de canasta, la caja del vapor forma una canasta colgada en el centro del evaporador. El calentamiento o hervido del lquido dentro de los tubos ocasiona un flujo hacia arriba a travs de los mismos, mientras que el lquido no evaporado fluye hacia abajo, a travs del anillo alrededor de la canasta.Solucionan la mayor parte de las desventajas de operacin de los evaporadores de tubos horizontales:

Promueve la circulacin natural, habiendo sido medida entre 1 y 3 pies/seg. dentro de los tubos.

Los coeficientes globales son algo superiores a los encontrados en los evaporadores de tubos horizontales y van de 200 a 500 btu/h*pie2*(F, dependiendo de las propiedades de la solucin, de la diferencia global de temperatura y de la temperatura de ebullicin.

Cualquier depsito slido se formar en la parte interna de los tubos de donde puede quitarse mediante limpieza mecnica. Los antiespumantes son ineficaces, aunque si bien se utilizan separadores y deflectores para reducir la formacin de espuma.

Pueden procesarse lquidos viscosos pero la circulacin es lenta y los coeficientes que se obtienen son pobres.

Evaporador vertical de tubos largos Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparacin con el lado del lquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el lquido.

En este tipo de evaporadores, el lquido est en el interior de los tubos. Los tubos tienen 3 a 10 m de longitud y la formacin de burbujas de vapor en su interior produce una accin de bombeo que ayuda a obtener velocidades de lquido muy altas.

El lquido pasa por los tubos una sola vez y no recircula. Slo cuando la relacin de velocidad de alimentacin a velocidad de evaporacin es baja, puede emplearse una recirculacin natural del producto a travs del evaporador, aadiendo una conexin de tubera entre la salida del concentrado y la lnea de alimentacin. Este es un mtodo muy comn en la produccin de leche condensada.

Los tiempos de contacto son bastante bajos. Se mejora el coeficiente global de transmisin de calor por aumento de la velocidad de circulacin del lquido en los tubos.

Son eficaces para concentrar lquidos que tienden a formar espuma , puesto que sta se rompe cuando la mezcla de vapor y lquido choca a elevada velocidad contra la placa deflectora.

Los coeficientes de transferencia de calor son inferiores de lo que pudieran ser para un evaporador de circulacin forzada .

Evaporador de cada de pelcula Es una variacin del modelo de tubos largos, en el cual, el lquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por las paredes de estos en forma de pelcula delgada. La separacin vapor - lquido se efecta en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentracin de materiales sensibles al calor como el jugo de naranja y zumo de frutas, debido a que el tiempo de retencin es bastante bajo (5 a 10 seg.) y el coeficiente de transmisin de calor es alto.

Evaporador de circulacin forzada El coeficiente de transferencia de calor de la pelcula lquida puede aumentarse por bombeo causando una circulacin forzada del lquido en el interior de los tubos.

Esto puede hacerse en el modelo de tubos verticales largos, aadiendo una tubera conectada a una bomba entre las lneas de salida del concentrado y la alimentacin.

Los tubos del evaporador de circulacin forzada suelen ser ms cortos que los de tubos largos. Se usa un intercambiador externo e independiente.

Muy til para lquidos viscosos.

Evaporador de pelcula agitada Un mtodo para aumentar la turbulencia de la pelcula lquida y, por tanto, el coeficiente de transferencia de calor, consiste en una agitacin mecnica de dicha pelcula.

Para ello, se usa un slo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador interno. El lquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de pelcula turbulenta por la accin de aspas de agitacin verticales.

La solucin concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior Es muy prctico para materiales muy viscosos, pues el coeficiente de transferencia de calor es mayor que en los modelos de circulacin forzada.

Se usa para materiales viscosos sensibles al calor, como el ltex de caucho, gelatina, antibiticos y jugos de frutas. Alto costo y capacidad baja .

2. Hacer un esquema descriptivo del aparato utilizado en la prctica.

3. Cuadro de Resultados

a. Perdidas de calor por radiacin

CORRIDAQP

187251.65

285962.36

382790.05

475779.77

b. Cada aparente de temperatura (T)

CORRIDAT2(T (F)

1206.674.05

2208.472.25

3210.270.45

4206.674.05

c. Coeficiente de Transferencia Global (U)

(TmU (Btu / h.ft2 F)

74.0578.44

72.2580.39

70.4590.75

74.0578.44

d. Agua evaporada por libre de vapor

CORRIDAW / S

10.496

20.463

30.615

40.759

V. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Cuando se realiza el balance de masa, el flujo de la solucin diluida de alimentacin es igual a la suma de la solucin concentrada y al flujo del solvente condensado; pero este balance de masa no se cumple por lo que se concluye que el sistema se encuentra en estado no estacionario

El tipo de evaporacin realizada es de simple efecto, lo que involucra la falta de aprovechamiento mximo del calor cedido por el vapor recalentado, por consiguiente baja la eficiencia de la operacin.

Debido a que la temperatura de la alimentacin es bastante lejana de la temperatura de ebullicin, ello afecta directamente a la eficiencia del evaporador que se ve limitada, puesto que una parte del calor transferido por el vapor vivo es utilizado para calentar la solucin desde la temperatura de entrada hasta su punto de ebullicin.

Se observ que al disminuir el flujo de alimentacin, la concentracin de la solucin azucarada disminuy, para evitar esto se debi regular el flujo de salida de la solucin concentrada para llegar as a la concentracin esperada que era de 8Brix.

De la grfica U vs. (T, se produce una curva de comportamiento decreciente. Es decir a mayor gradiente de temperatura, mayor coeficiente de transferencia de calor.VI. BIBLIOGRAFA

DONALD Q. KERN

Procesos de Transferencia de Calor

Compaa editorial Continental

2001

Pg. 436-522

WARREN MC CABE, JULIAN SMITH

Operaciones Bsicas de Ingeniera Qumica

Editorial Mc Graw Hill

4ta edicin

1991

Pg. 482-520

ALAN FOUST, LOUIS MOUSE

Principios de Operaciones Unitarias

2da edicin

Pg. 497-514

INCRUSTAR PBrush

_881972210.xlsGrfico1

78.44

80.39

90.75

U (Btu / h.ft2 F)

DT (F)

U(BTU/h.ft2.F)

Grafico DT VS U

Hoja1

GRAFICAS DE PORCENTAJE EN PESO VS. TIEMPOGRAFICA DE MASA TOTAL VS. TIEMPO

M (t) = 42,4818 - 112,8623 * t

t(min)t(hr)Experim.Tericot(hr)M(lb)

00.00005.30%5.30%0.000042.48

50.08337.21%6.10%0.083333.08

100.16677.42%7.34%0.166723.67

150.25007.53%9.74%0.250014.27

200.33338.10%17.73%0.33334.86

250.41678.27%0.4167-4.54

GRAFICA DE NIVEL VS. TIEMPO

t(hr)h(cm)

0.0000331.1

0.0833302.1

0.1667273.1

0.2500244.1

0.3333104.5

0.4167-97.7

&A

Pgina &P

Hoja1

42.4818

33.0766083333

23.6714166667

14.266225

4.8610333333

-4.5441583333

&A

Pgina &P

#REF!

t(hr)

M(lb)

Masa vs. Tiempo

Hoja2

0.0530.0530361654

0.07210.060965792

0.07420.0734492616

0.07530.0973724745

0.0810.1773311427

0.08270.4166666667

&A

Pgina &P

#REF!

#REF!

t (hr)

%Peso

%Peso vs. Tiempo

Hoja3

0

0

0

0

0

0

&A

Pgina &P

h(cm)

t(hr)

h(cm)

Nivel vs. Tiempo

Hoja4

DTmU (Btu / h.ft2 F)

74.0578.44

72.2580.39

70.4590.75

&A

Pgina &P

Hoja4

0

0

0

0

U (Btu / h.ft2 F)

DT

U(BTU/h.ft2.F)

Grafico DT VS U

Hoja5

&A

Pgina &P

Hoja6

&A

Pgina &P

Hoja7

&A

Pgina &P

Hoja8

&A

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Hoja9

&A

Pgina &P

Hoja10

&A

Pgina &P

Hoja11

&A

Pgina &P

Hoja12

&A

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Hoja13

&A

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Hoja14

&A

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Hoja15

&A

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Hoja16

&A

Pgina &P

&A

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&A

Pgina &P