Evaporadores

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

ÁREA DE INGENIERÍA QUÍMICA

EVAPORACION

CURSO: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I

CÓDIGO : PI135 A

DOCENTE: ING. MARIO GARAYAR

ALUMNOS: JOYO CASTAÑEDA, INES HAYDEE

PACHAS VENTURA, NESTOR

PAULINI VILLANUEVA, EDUARDO

RAMOS CHAVEZ, LUIS ALBERTO

FECHA: 15 DE NOVIEMBRE DE 2010

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I

Contenido

EVAPORACION...................................................................................................................................3

I. OBJETIVOS..............................................................................................................................3

II. FUNDAMENTO TEORICO........................................................................................................3

Elevación de la temperatura de ebullición (EPE):.......................................................................4

Caída de temperatura aparente:................................................................................................4

Calor latente de vaporización:....................................................................................................4

Coeficientes de transmisión de calor:........................................................................................4

Balance de masa y energía en el evaporador:............................................................................5

III. DATOS EXPERIMENTALES...................................................................................................7

IV. DESARROLLO DEL INFORME...............................................................................................7

V. OBSERVACIONES....................................................................................................................9

VI. CONCLUSIONES..................................................................................................................9

VII. BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................10

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA - FIQT Página 2


EVAPORACION

I. OBJETIVOS

- Evaluar el coeficiente de transferencia de calor global de un evaporador vertical.

II. FUNDAMENTO TEORICO

En la industria química la manufactura de agentes químicos tales como la sosa cáustica, sal de

mesa y azúcar, empieza con soluciones acuosas diluidas de las que deben eliminarse grandes

cantidades de agua antes de poder llegar a la cristalización en equipo adecuado para este fin.

Los evaporadores no operan con el sistema de purgas y el líquido se alimenta en paralelo a cada

evaporador, usualmente se alimenta a sistemas de múltiple efecto en serie. Los métodos comunes

de alimentarlos se muestran en las figuras siguientes.

Cuando el alimento líquido fluye en la misma dirección que el vapor, se llama alimentación en

paralelo, y cuando el alimento lo hace en dirección contraria se llama alimentación en

contracorriente. Desde el punto de vista del uso efectivo de los potenciales de temperatura, la



alimentación en paralelo es preferible. Si los líquidos son muy viscosos, hay una ventaja al usar la

alimentación en contracorriente, ya que la temperatura del primer efecto es siempre la mayor y la

correspondiente viscosidad será menor.

Elevación de la temperatura de ebullición (EPE): las soluciones acuosas concentradas

experimentan un aumento en el punto de ebullición sobre la temperatura de saturación

correspondiente al agua pura a la misma presión.

Caída de temperatura aparente: La diferencia entre la temperatura del vapor de calentamiento y

la temperatura de saturación correspondiente a la presión del vapor que se evapora es la caída de

temperatura aparente (∆T)a. Supóngase que el vapor entra a los tubos o calandria del evaporador

químico a 45 lb/plg2a y va a evaporar agua de una solución de sosa cáustica. La temperatura del

vapor es 274°F a 45 lb/plg2a. La solución de soda cáustica hierve a 246°F a 18 plgHg. Entonces la

caída de temperatura aparente (∆T)a =274 - 169 = 105°F

Calor latente de vaporización: para el vapor de una solución puede ser computado ya sea por la

correlación de Duhring o por la ecuación de Othmer. De acuerdo con la regla de Duhring:

Donde:

λs= calor latente de 1Ib de agua pura de la solución a temperatura t y presión ps

λw= calor latente de 1lb de agua pura a temperatura tw’ pero a ps, la misma presión que t

ts´; tw’ = puntos de ebullición de la solución en el agua a la misma presión ps , °R

∆ts´/∆tw’ = variación de las dos curvas de puntos de ebullición en el mismo rango de

presión,

Coeficientes de transmisión de calor: el coeficiente global (U) está fuertemente influenciado por

el diseño y la forma de operación del evaporador. La resistencia global a la transmisión de calor

entre el vapor de agua y el líquido en ebullición es la suma de cinco resistencias individuales: la

resistencia de la película de vapor; las dos resistencias de las costras, interior y exterior de los

tubos; la resistencia de la pared del tubo; y la resistencia del líquido en ebullición. El coeficiente

global es el inverso de la resistencia total. En la mayoría de los evaporadores el factor de

ensuciamiento del vapor de agua condensante y la resistencia de la pared del tubo son muy

pequeños, y generalmente pueden despreciarse en el cálculo de evaporadores.



U= QA×(∆T )a

U= 11hi

+1ho

Coeficientes de la película de vapor: El coeficiente de la película del vapor de agua es elevado, aun

para la condensación en película. A veces se adicionan promotores al vapor de agua para provocar

la condensación en gotas y aumentar todavía más el coeficiente.

Para calcular el coeficiente de película de vapor para condensación en tubos verticales, se tiene:

La temperatura de referencia para la evaluación de μf, ρf, kf viene dado por la ecuación:

Donde Tf = temperatura de referencia

Th = temperatura del vapor condensante

Tw = temperatura de la superficie exterior de la pared del tubo

Coeficientes del lado del líquido: En los evaporadores de circulación natural el coeficiente del lado

del líquido para disoluciones acuosas diluidas está comprendido entre 200 y 600 Btu/pie’-h-“F.

En el caso de evaporadores de tubos verticales largos con circulación natural, es más dificiI

predecir el coeficiente de transferencia de calor, pues hay una zona sin ebullición en el fundo de

los tubos y una zona de ebullición en la parte superior. La longitud de la zona sin ebullición

depende de la transferencia de calor en ambas zonas y de la caída de presión en la región de

ebullición de dos fases.

El coeficiente de transferencia de calor en la película de la zona sin ebullición puede estimarse por

medio de la ecuación con una constante de 0.028:

N Nu=hLD

k=0.028Nℜ

0.8NPr1/3( μb

μw) Válido para Nre≥6000, NPr entre 0.7 y 16000 y L/D≥60

Las propiedades, excepto µw, se evalúan a DTLM.



Para la zona de ebullición de dos fases, Perry y Green (P2) proporcionan varias ecuaciones

aplicables.

Balance de masa y energía en el evaporador:

Balance de masa, suponiendo que no hay precipitación en el evaporador:

S=F−PDonde: S= flujo de vapor alimentado y flujo de vapor condensado en kg/hr.

F= flujo de solución de alimentación, kg/hr. P= flujo de la solución concentrada, kg/hr.

Balance de entalpía para el vapor condensado:qs=S× (H c−H s )=−S ×λs



III. DATOS EXPERIMENTALES

Solución diluida inicial: 5% de azúcarConcentración inicial en °Brix: 5.4 (T=22°C)

Control del proceso:

1° corr 2° corr 3° corr 4° corrPresión de vapor vivo, psi 70 75 75 70Rotámetro R1 (alimentación), lb/hr 300 350 400 400Rotámetro R2 (solución concentrada), lb/hr 100 150 200 300Temperatura de ebullición de la solución, °C 98.5 98.5 99 99Temperatura de salida solución concentrada, °C

72 79 ; 81 83 86; 88.5; 89

Temperatura de salida del solvente condensado, °C

51.5 56.5 55 54

Flujo de vapor condensado , mal/s 23.34 21.52 22.53 26.57Flujo de solvente condensado, mal/s 11.4 11.6 11.6 13.2Control de calidad: °Brix (T=22°C) 4.4 6.1 ; 6.2 6.2 6.4; 6.3; 6.1Máxima concentración obtenida: 6.4 (86°C)

IV. DESARROLLO DEL INFORME

1. Hacer una descripción de los principales tipos de evaporadores con sus usos, ventajas y

desventajas, cada uno con sus esquemas simplificados.

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



Donde:Tanque de Preparación de la Solución diluida: En este tanque se prepara previamente la alimentación.Tanque de Alimentación: A este tanque se pasa la solución preparada en el tanque de preparación, cada tanque tiene la capacidad de 50 litros.Bomba de Alimentación: Se usa para mover la solución de alimentación.Rotámetro (R1): Mide el caudal de la solución diluida alimentada.Rotámetro (R2): Mide el caudal de la solución concentrada.Trampa de Vapor: Es la encargada de permitir solo el paso de líquido condensado del vapor que envuelve al haz de tubos.Válvula de vapor de calentamiento: Es la válvula que permite el ingreso al vapor que envuelve el haz de tubos.Manómetro: Sirve para registrar la presión del vapor que envuelve el haz de tubos.DRUM de separación: En este ocurre la separación de la solución concentrada (fase líquida) y el solvente (fase vapor).Condensador: En este ocurre el cambio de fase de vapor a líquido del solvente extraído.Válvula 1: Esta válvula debe estar abierta en la operación.



Válvula 2: Esta válvula puede estar cerrada en cada de no requerir de un reflujo de la solución concentrada. Y abierta en viceversa.Válvula 3: Es la válvula encargada del desfogue al drenaje de la solución concentrada.

3. Calcular experimentalmente:

a. Perdidas de calor por radiación.

b. Caída aparente de temperatura (∆T).

2TTT SatV

Para P (psia) 72.50

Tenemos Tsat (°F) 304.88

Corrida T ebullición solución (°F)

∆T (°F)

1 209.30 95.58

2 209.30 95.58

3 210.20 94.68

4 210.20 94.68

c. Coeficiente de transferencia global (U).

- Coeficiente de trasferencia de calor del lado del vapor:

h=0.943( k f3ρ f

2 gλΔT o Lμ f

)1 /4

Y T f=Th−3¿¿

Tf = temperatura de referencia

Th = temperatura del vapor condensante

Tw = temperatura de la superficie exterior de la pared del tubo

T f=Th−3¿¿

Para P= 72.5 psia (presión promedio del proceso) Th = 304.88 °F

Asumimos que el evaporador es de 12 pies de longitud 12 pies = 3,6576 metrosEl sistema se encuentra en equilibrio térmico, la temperatura de ebullición de la solución inicial

(°Brix= 5,4) T= 98.5°C = 209.3 °F es por lo que asumimos que Tw= (304.88°F + 209.3°F)/2= 257.08°F



Las propiedades del vapor a Tf=257.08°F son las siguientes:

kf = 0.688 W/m.K

ρf = 937.2 kg/m3

μf = 217*10-6 kg/m.s

λ= 2183 KJ/kg

ΔT o=47.8°F= 281.9K

h=0.943( k f3ρ f

2 gλΔT o Lμ f

)1 /4

=0.943( 0.6883×937.22×9.81×2183000

281.9×3.6576×0.000217 )1 /4

=2158.78 W

m2 °C

- Coeficiente de trasferencia de calor del lado del liquido:

En la zona sin ebullición:

N Nu=hLD

k=0.028Nℜ

0.8NPr1/3( μb

μw) Válido para Nre≥6000, NPr entre 0.7 y 16000 y L/D≥60

Las propiedades, excepto µw, se evalúan a DTLM.

N ℜ=v . ρμ

Las propiedades de los fluidos a DTLM y la temperatura de la pared Tw:

Para la zona de ebullición de dos fases, Perry y Green (P2) proporcionan varias ecuaciones

aplicables.

d. Agua evaporada por libra de vapor.

e. Graficar U vs. ∆T.



V. OBSERVACIONES

- El °Brix para medir la concentración de azúcar en la solución depende de la temperatura de la solución. Todas la medidas de °Brix fueron realizas a la misma temperatura.

- El evaporador usado en la práctica era de simple efecto de circulación natural. -

VI. CONCLUSIONES- El sacarímetro es un densímetro especial para medir la concentración del azúcar y la

expresa en °Brix, por lo tanto su medida depende de la temperatura a la que se encuentra la muestra.

-

VII. BIBLIOGRAFÍA

- PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR, Donald Kern, 1999.

- OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA, McCabe Smith, sexta edición, 2001.


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