INFORME FINAL EVAPORACIN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y TEXTIL

REA ACADMICA DE INGENIERA QUMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS (PI 135 B)

LABORATORIO N 06

INFORME FINAL EVAPORACIN

Profesor:

Ing. Abel Vergara Sotomayor

Realizado por:

Chvez Barboza, JorgeHuamn Cucho, MariluzObregn Castillejo, Igor Rivera Len, Marylin

Periodo acadmico: 2013 I

Fecha de realizacin del laboratorio:28 de Junio de 2013

LIMA PER

NDICE

1. OBJETIVOSPg. 3

2. FUNDAMENTO TERICOPg. 3

3. MATERIALES Y EQUIPOPg. 12

4. PROCEDIMIENTOPg. 14

5. DATOSPg. 14

6. CLCULOS Y RESULTADOSPg. 16

7. CONSIDERACIONES Pg. 21

8. CONCLUSIONESPg. 21

9. BIBLIOGRAFAPg. 22

EVAPORACIN

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo General

Estudiar la operacin que se realiza en un equipo de evaporacin durante la etapa de arranque de la unidad y hasta conseguir las condiciones de operacin en estado estacionario.

1.2. Objetivos Especficos

Realizar el balance de energa y balance de masa en un evaporador de tubos largos verticales (TLV) mientras la operacin se encuentre en estado estacionario. Calcular el coeficiente de transferencia de calor (U) de un evaporador TLV. Calcular las prdidas de calor de la unidad de operacin. Determinar la economa del vapor de calentamiento.

2. FUNDAMENTO TERICO

2.1. Evaporacin

La evaporacin es un caso especial de transmisin de calor a un lquido por ebullicin. El objetivo de la evaporacin es concentrar una disolucin consistente en un soluto no voltil y un disolvente voltil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporacin se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolucin concentrada. Normalmente, en evaporacin el producto valioso es el lquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha. Sin embargo, en algn caso concreto puede ocurrir lo contrario.

2.2. Caractersticas del lquido

La solucin prctica a un problema de evaporacin est profundamente afectada por el carcter del lquido que se concentra. A continuacin se comentan algunas de las propiedades ms importantes de los lquidos que se evaporan.

Concentracin. Aunque la disolucin que entra como alimentacin de un evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades fsicas del agua, a medida que aumenta la concentracin la disolucin adquiere cada vez un carcter ms individualista. La densidad y la viscosidad aumentan con el contenido de slido hasta que la disolucin o bien se transforma en saturada o resulta inadecuada para una transmisin de calor adecuada. La temperatura de ebullicin de la disolucin puede tambin aumentar considerablemente al aumentar el contenido de slido, de forma que la temperatura de ebullicin de una disolucin concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presin.

Formacin de espuma. Algunos materiales, especialmente sustancias orgnicas, forman espuma durante la vaporizacin. Una espuma estable acompaa al vapor que sale del evaporador dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos toda la masa de lquido puede salir con el vapor y perderse.

Sensibilidad a la temperatura. Muchos productos qumicos finos, productos farmacuticos y alimentos se daan cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentracin de estos materiales se necesitan tcnicas especiales para reducir tanto la temperatura del lquido como el tiempo de calentamiento.

Formacin de costras. Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefaccin. En estos casos el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega un momento en que es preciso interrumpir la operacin y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difcil y costosa.

Materiales de construccin. Siempre que es posible, los evaporadores se construyen con algn tipo de acero. Sin embargo, muchas disoluciones atacan a los metales frreos y se produce contaminacin. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como cobre, nquel, acero inoxidable, grafito y plomo.

En el diseo de un evaporador se ha de tener en cuenta muchas otras caractersticas del lquido, entre ellas: el calor especfico, la temperatura de congelacin, la liberacin de gas durante la ebullicin, la toxicidad, los peligros de explosin, la radiactividad y la necesidad de operacin estril. Debido a la gran variedad de propiedades de las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores. La eleccin para el caso de un problema especfico depende esencialmente de las caractersticas del lquido.

2.3. Operacin de simple y mltiple efecto

La mayora de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metlicos. Al reducir la temperatura de ebullicin del lquido aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el lquido de ebullicin y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisin de calor en el evaporador.

Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del lquido en ebullicin se condensa y desecha. Este mtodo recibe el nombre de evaporacin de simple efecto, y aunque es sencillo, utiliza ineficazmente el vapor. En cambio, si el vapor procedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentacin en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de ste se enva al condensador, la operacin recibe el nombre de doble efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo efecto, y la evaporacin obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentacin al primer efecto es aproximadamente el doble. El mtodo general para aumentar la evaporacin por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de evaporacin en mltiple efecto.

2.4. Tipos de evaporadores

Los principales tipos de evaporadores tubulares calentados con vapor de agua actualmente utilizados son:

2.4.1. Evaporadores con un paso a travs y con circulacin:

Los evaporadores pueden operar bien como unidades con un paso a travs o con circulacin.

En la operacin con un paso a travs, el lquido de alimentacin pasa una sola vez a travs de los tubos, desprende el vapor y sale de la unidad como disolucin concentrada. Toda la evaporacin tiene lugar en un solo paso. La relacin de evaporacin a alimentacin est limitada en una unidad de un solo paso, por tanto, estos evaporadores se adaptan bien a la operacin en mltiple efecto, donde la concentracin total puede conseguirse en varios efectos. Los evaporadores de pelcula agitada operan siempre con un solo paso a travs; los evaporadores de pelcula ascendente y de pelcula descendente pueden tambin operar en esta forma. Los evaporadores con un solo paso a travs son especialmente tiles para materiales sensibles al calor. Operando a vaco elevado se puede mantener baja temperatura del lquido. Con un solo paso rpido a travs de los tubos la disolucin concentrada est a la temperatura de evaporacin, pero solamente durante un corto perodo de tiempo, y puede enfriarse muy rpidamente en cuanto sale del evaporador.

En los evaporadores con circulacin, se mantiene una masa del lquido dentro del equipo. La alimentacin que entra se mezcla con la masa de lquido y despus pasa a travs de los tubos. El lquido no evaporado descarga de los tubos y retorna al equipo, de forma que en cada paso solamente ocurre una parte de la evaporacin total. Todos los evaporadores de circulacin forzada operan en esta forma; los evaporadores de pelcula ascendente son generalmente unidades de circulacin. La disolucin concentrada procedente de un evaporador con circulacin se retira de la masa de lquido. Por tanto, sta ha de tener la mxima concentracin. Puesto que el lquido que entra en los tubos puede contener varias partes de disolucin concentrada por cada parte de alimentacin, su concentracin, densidad, viscosidad y temperatura de ebullicin son prximas al valor mximo. En consecuencia, el coeficiente de transmisin de calor tiende a ser bajo.

Los evaporadores de circulacin no son muy adecuados para concentrar lquidos sensibles al calor. Con un vaco razonablemente bueno la temperatura de la masa de lquido puede no ser destructiva, pero el lquido est repetidamente expuesto al contacto con los tubos calientes; por consiguiente, algo de lquido puede calentarse a una temperatura excesivamente elevada. Aunque el tiempo de residencia del lquido en la zona de calentamiento puede ser corto, parte del lquido est retenido en el evaporador un tiempo considerable, y el calentamiento prolongado de aun una pequea parte de un material sensible al calor, tal como un producto alimenticio, puede estropear todo el producto. Sin embargo, los evaporadores de circulacin pueden operar en un elevado intervalo de concentracin entre la alimentacin y la disolucin concentrada utilizando una sola unidad, adaptndose bien a la evaporacin en un solo efecto. Pueden operar indistintamente con circulacin natural, con flujo a travs de los tubos inducido por la diferencia de densidad, o con circulacin forzada, promoviendo el flujo mediante una bomba.

2.4.2. Evaporadores de tubos largos con flujo ascendente.

En la Figura 1. se representa un evaporador de tubos largos tpico, con flujo ascendente del lquido. Las partes esenciales son: un cambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la carcasa, y el lquido que se desea concentrar en el interior de los tubos, un separador o espacio de vapor para separar el lquido arrastrado por el vapor, y cuando opera como una unidad de circulacin, una recirculacin para el lquido desde el separador hasta el fondo del cambiador.

Existen entradas para el lquido de alimentacin y el vapor de agua, y salidas para el vapor, la disolucin concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de agua. El lquido y el vapor ascienden por el interior de los tubos como consecuencia de la accin de ebullicin, y el lquido separado retorna al fondo de los tubos por gravedad. La alimentacin diluida, con frecuencia a una temperatura prxima al ambiente, entra en el sistema y se mezcla con el lquido que retorna del separador. La mezcla entra por el fondo de los tubos, sobre la parte exterior de los cuales condensa vapor de agua. Durante una corta distancia la alimentacin que entra en los tubos asciende como lquido recibiendo calor desde el vapor de agua. Despus se forman burbujas en el lquido al comenzar la ebullicin, aumentando la velocidad lineal y la velocidad de transmisin de calor. Cerca de la parte superior de los tubos las burbujas crecen rpidamente. En esta zona las burbujas de vapor alternan con masas de lquido que ascienden rpidamente a travs de los tubos y salen a gran velocidad por la parte superior. La mezcla de vapor y lquido que sale de los tubos entra en el separador. El dimetro del separador es mayor que el del cambiador, de tal forma que la velocidad del vapor disminuye rpidamente. Como una ayuda adicional para la eliminacin de las gotitas de lquido, el vapor choca y pasa sobre un conjunto de placas deflectoras despus de salir del separador.

Los evaporadores de tubos largos verticales son especialmente eficaces para concentrar lquidos que tienden a formar espuma. La espuma se rompe cuando la mezcla de lquido y vapor de alta velocidad choca contra las placas deflectoras.

Fig. 1: Evaporador de tubos largos verticales, pelcula ascendente

2.4.3. Evaporadores de pelcula descendente.

La concentracin de materiales altamente sensibles al calor, tales como el zumo de naranja, requieren un tiempo mnimo de exposicin a una superficie caliente. Esto puede conseguirse con evaporadores de pelcula descendente de un solo paso, en los que el lquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentados con vapor de agua, y sale por el fondo. Los tubos son grandes, de 2 a 10 pulg de dimetro.

El vapor procedente del lquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el lquido y sale por el fondo de la unidad. Aparentemente estos evaporadores parecen largos cambiadores tubulares verticales con un separador de lquido y vapor en el fondo y un distribuidor de lquido en la parte superior.

El principal problema de un evaporador de pelcula descendente es la distribucin uniforme del lquido formando una pelcula interior en los tubos. Esto se consigue mediante una serie de placas metlicas perforadas situadas sobre una placa tubular cuidadosamente nivelada, por medio de inserciones en los extremos de los tubos que generen un flujo uniforme en cada tubo, o mediante distribuidores tipo araa con brazos radiales que distribuyen con velocidad constante la alimentacin sobre la superficie interior de cada tubo. Otra forma consiste en utilizar una boquilla individual de pulverizacin dentro de cada tubo.

Cuando se puede utilizar recirculacin sin daar al lquido, la distribucin del lquido en los tubos se facilita mediante una moderada recirculacin del lquido hacia la parte superior de los tubos. Esto da lugar a un mayor flujo de lquido a travs de los tubos de lo que es posible en la operacin con un solo paso. Durante la evaporacin se reduce continuamente la cantidad de lquido al circular desde la cima hasta el fondo del tubo, de forma que la concentracin que se puede alcanzar en un solo paso es limitada.

Los evaporadores de pelcula descendente, sin recirculacin y con cortos tiempos de residencia, tratan productos sensibles que no pueden concentrarse de otra forma y se adaptan bien a la concentracin de lquidos viscosos.

2.4.4. Evaporadores de circulacin forzada.

Con lquidos viscosos el coeficiente global en una unidad de circulacin natural puede ser demasiado bajo desde el punto de vista econmico, los coeficientes ms elevados se obtienen en evaporadores de circulacin forzada. En este caso una bomba centrfuga impulsa el lquido a travs de los tubos, en los cuales estn sometidos a una carga esttica suficiente para asegurar que no se produce ebullicin en los mismos; el lquido comienza a sobrecalentarse a medida que se reduce la carga hidrosttica con el flujo desde el calentador hasta el espacio de vapor, y se genera una mezcla de vapor y lquido a la salida del cambiador, justamente antes de entrar en el cuerpo del evaporador. La mezcla de vapor y lquido choca contra una placa deflectora en el espacio de vapor. El lquido retorna a la entrada de la bomba, donde se mezcla con la alimentacin fresca; el vapor sale por la parte superior del cuerpo del evaporador hacia el condensador, o bien pasa al siguiente efecto. La parte de lquido que abandona el separador se retira de forma continua como concentrado.

Los coeficientes de transmisin de calor son elevados, especialmente con lquidos poco viscosos, pero la gran mejora con respecto a la evaporacin de circulacin natural se produce con lquidos viscosos. En el caso de lquidos poco viscosos la mejora que se obtiene con circulacin forzada no compensa los costes adicionales de bombeo con respecto a la circulacin natural, pero en cambio s compensa con lquidos viscosos, especialmente cuando hay que utilizar como materiales de construccin metales costosos.

Debido a las altas velocidades con las que opera un evaporador de circulacin forzada, el tiempo de residencia del lquido en los tubos es corto (del orden de 1 a 3 s) de forma que se pueden concentrar lquidos moderadamente sensibles al calor. Tambin son efectivos para concentrar disoluciones salinas o que tienden a formar espumas.

Fig. 2 Evaporador de circulacin forzada con elemento de calefaccin separado de dos pasos horizontales

2.4.4. Evaporadores de pelcula agitada

La principal resistencia a la transmisin de calor desde el vapor de agua que condensa hasta el lquido que hierve en un evaporador reside del lado del lquido. Por tanto, cualquier mtodo para disminuir esta resistencia produce un considerable aumento del coeficiente global de transmisin de calor. Una forma de aumentar la turbulencia es mediante agitacin mecnica de la pelcula de lquido, tal como se muestra en el evaporador de la Figura 3, que es un evaporador de pelcula descendente modificado, con un solo tubo encamisado que contiene un agitador interno.

La principal ventaja de un evaporador de pelcula agitada es su capacidad para conseguir elevadas velocidades de transmisin de calor con lquidos viscosos. Como en otros evaporadores, el coeficiente global disminuye a medida que aumenta la viscosidad, pero en este diseo la disminucin es suave. Con materiales altamente viscosos el coeficiente es considerablemente mayor que en los evaporadores de circulacin forzada y mucho mayor que en las unidades de circulacin natural. El evaporador de pelcula agitada es particularmente eficaz con materiales viscosos sensibles al calor tales como gelatina, ltex de caucho, antibiticos y zumos de frutas. Sus desventajas son el elevado coste, las partes internas mviles que pueden requerir un importante mantenimiento, as como la baja capacidad de cada unidad que es muy inferior a la de los evaporadores multitubulares.

2.5. Funcionamiento de los evaporadores tubulares

Las principales caractersticas de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economa. La capacidad se define como el nmero de libras de agua evaporada por hora. La economa es el nmero de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la unidad.

2.5.1. Capacidad de un evaporador

La velocidad de transmisin de calor q a travs de la superficie de calefaccin de un evaporador es:

Donde:

Si la alimentacin que entra en el evaporador est a la temperatura de ebullicin correspondiente a la presin existente en el espacio de vapor, todo el calor transmitido a travs de la superficie de calefaccin es utilizado en la evaporacin y la capacidad es proporcional a q. Si la alimentacin est fra, el calor que se requiere para calentarla hasta su temperatura de ebullicin puede ser bastante grande y, consecuentemente, se reduce la capacidad para un valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para calentar la alimentacin no est disponible para la evaporacin. La cada real de temperatura a travs de la superficie de calefaccin depende de la disolucin que se evapora, de la diferencia de presin entre la cmara de vapor y el espacio de vapor situado encima del lquido en ebullicin, as como de la altura de lquido sobre la superficie de calefaccin. En algunos evaporadores la velocidad del lquido en los tubos tambin influye sobre la cada de temperatura debido a que la prdida por friccin en los tubos aumenta la presin efectiva del lquido. En los evaporadores reales la temperatura de ebullicin de una disolucin est afectada por dos factores: el ascenso del punto de ebullicin y la carga del lquido.

Elevacin del punto de ebullicin. La presin de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presin dada, la temperatura de ebullicin de las disoluciones es mayor que la del agua pura. El aumento del punto de ebullicin sobre el del agua se conoce con el nombre de elevacin del punto de ebullicin de la disolucin. Es pequeo para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides orgnicos pero puede alcanzar un valor de hasta 150 F para disoluciones concentradas de sales inorgnicas. La elevacin del punto de ebullicin tiene que restarse de la cada de temperatura que se predice a partir de las tablas del vapor de agua.

Efecto de la carga de lquido y de la friccin sobre la cada de temperatura. Si la profundidad de lquido en un evaporador es apreciable, el punto de ebullicin correspondiente a la presin en el espacio de vapor es el punto de ebullicin solamente de las capas superficiales del lquido. Una gota de lquido situada a una distancia de 2 pies por debajo de la superficie est sometida a la presin del espacio de vapor ms una carga de Z pies de lquido y, por consiguiente, tiene un punto de ebullicin ms elevado. Adems, cuando la velocidad del lquido es grande, las prdidas por friccin en los tubos aumentan todava ms la presin media del lquido. Por tanto, en un evaporador real el punto medio de ebullicin del lquido en los tubos es superior al punto de ebullicin correspondiente a la presin existente en el espacio de vapor. Este aumento del punto de ebullicin disminuye la cada media de temperatura entre el vapor de agua condensante y el lquido y reduce la capacidad.

Coeficientes de transmisin de calor. La densidad de flujo de calor y la capacidad del evaporador estn afectadas tanto por la cada de temperatura como por el coeficiente global de transmisin de calor. La cada de temperatura est fijada por las propiedades del vapor de agua y del lquido que hierve y, excepto por lo que respecta a la carga hidrosttica, no depende de la construccin del evaporador. Por otra parte, el coeficiente global est fuertemente influenciado por el diseo y la forma de operacin del evaporador. La resistencia global a la transmisin de calor entre el vapor de agua y el lquido en ebullicin es la suma de cinco resistencias individuales: la resistencia de la pelcula 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 lquido en ebullicin. El coeficiente global es el inverso de la resistencia total. En la mayora de los evaporadores el factor de ensuciamiento del vapor de agua condensante y la resistencia de la pared del tubo es muy pequea, y generalmente pueden despreciarse en el clculo de evaporadores. En un evaporador de pelcula agitada la pared del tubo es bastante gruesa, de forma que su resistencia puede ser una parte importante de la resistencia total.

Coeficientes de la pelcula de vapor. El coeficiente de la pelcula del vapor de agua es elevado, aun para la condensacin en pelcula. A veces se adicionan promotores al vapor de agua para provocar la condensacin en gotas y aumentar todava ms el coeficiente. Puesto que la presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el coeficiente de pelcula del vapor, es preciso tomar precauciones para purgar los no condensables de la caja de vapor y prevenir la entrada de aire cuando el vapor de agua est a una presin inferior a la atmosfrica.

Coeficientes del lado del lquido. El coeficiente del lado del lquido depende en gran medida de la velocidad del lquido sobre la superficie de calefaccin. En la mayora de los evaporadores, y especialmente en los que tratan materiales viscosos, la resistencia del lado del lquido controla la velocidad global de transmisin de calor hacia el lquido en ebullicin. En los evaporadores de circulacin natural el coeficiente del lado del lquido para disoluciones acuosas diluidas, est comprendido entre 200 y 600 Btu/pie-h-F.La circulacin forzada conduce a coeficientes elevados del lado del lquido aun cuando la ebullicin dentro de los tubos es suprimida por la elevada carga esttica.

Coeficientes globales. Debido a la dificultad de medir los elevados coeficientes de pelcula individuales en un evaporador, los resultados experimentales generalmente se expresan en funcin de coeficientes globales, que estn basados en la cada neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevacin del punto de ebullicin. Los coeficientes globales estn, por supuesto, influenciados por los mismos factores que los coeficientes individuales; pero, s una resistencia (tal como la de pelcula del lquido) es controlante, variaciones importantes de las dems resistencias apenas tendran efecto sobre el coeficiente global.

2.5.1. Economa de un evaporador

El principal factor que influye sobre la economa de un evaporador es el nmero de efectos. Mediante un diseo adecuado, la entalpa de vaporizacin del vapor de agua que entra en el primer efecto puede utilizarse una o ms veces dependiendo del nmero de efectos. La economa tambin est influenciada por la temperatura de la alimentacin. Si la temperatura es inferior a la de ebullicin en el primer efecto, para el calentamiento de la carga se utiliza una parte de la entalpa de vaporizacin del vapor de agua y solamente una parte queda disponible para la ocupacin. Si la alimentacin est a una temperatura superior a la de ebullicin, la vaporizacin sbita que se produce contribuye a generar una evaporacin adicional a la producida por la condensacin del vapor de agua. Desde el punto de vista cuantitativo la economa de un evaporador es totalmente una cuestin de balances de entalpa.

Balances de entalpa en un evaporador de simple efecto. En un evaporador de simple efecto el calor latente de condensacin del vapor de agua es transmitido a travs de una superficie de calefaccin para vaporizar agua de una disolucin a ebullicin. Se necesitan dos balances de entalpa, uno para el vapor de agua y otro para el lado de la disolucin o vapor.La velocidad de flujo del vapor de agua y del condensado es , la del lquido de alimentacin es , y la del lquido concentrado es . La velocidad de flujo de vapor hacia el condensador, suponiendo que no precipitan slidos del lquido, es . Por otra parte, sea , la temperatura de condensacin del vapor de agua, T la temperatura de ebullicin del lquido en el evaporador, y la temperatura de la alimentacin.Se supone que no hay fugas o arrastre, y que no es preciso tener en cuenta las prdidas de calor en el evaporador. La corriente de vapor de agua que entra a la cmara de condensacin puede estar sobrecalentada, y el condensado generalmente abandona la cmara de condensacin algo subenfriado por debajo de su temperatura de ebullicin. Sin embargo, tanto el sobrecalentamiento del vapor de agua como el subenfriamiento del condensado son pequeos y resulta aceptable despreciarlos al aplicar un balance de entalpa. Los pequeos errores que se cometen al despreciarlos se compensan aproximadamente al no tener en cuenta las prdidas de calor desde el evaporador.Con estas suposiciones la diferencia entre la entalpa del vapor de agua y la del condensado es simplemente ,, el calor latente de condensacin del vapor de agua. El balance de entalpa para el lado del vapor de agua es:

Donde qs =velocidad de transmisin de calor a travs de la superficie de calefaccin desde el vapor de agua.

HS = entalpa especfica del vapor de aguaHC = entalpa especfica del condensados = calor latente de condensacin del vapor de agua= velocidad de flujo del vapor de agua

El balance de entalpa para el lado de la disolucin es:

Donde q = velocidad de transmisin de calor desde la superficie de calefaccin hacia el lquido.

HV = entalpa especfica del vaporHF = entalpa especfica de la disolucin diluidaH = entalpa especfica de la disolucin concentrada

En ausencia de prdidas de calor, el calor transmitido desde el vapor de agua hacia los tubos es igual al transmitido desde los tubos hacia la disolucin y, por tanto, qs=q.

Las entalpas del lado de la disolucin HV, HF y H dependen de las caractersticas de la disolucin que se concentra. La mayor parte de las disoluciones cuando se concentran o se diluyen a temperatura constante no producen un gran efecto trmico. Esto se cumple para disoluciones orgnicas, as como para disoluciones moderadamente concentradas de la mayor parte de las sustancias inorgnicas. As, el azcar, la sal comn y las disoluciones de fbricas de papel no poseen calores de dilucin o de mezcla apreciables.

3. MATERIALES Y EQUIPO

El equipo de evaporacin consiste de:

Un evaporador de simple efecto del tipo de tubos largos verticales (TLV). Consta de una calandria dentro de la que hay una bancada de 12 tubos de cobre de 7/8 de dimetro externo y 78 de largo, en la parte inferior hay una caja de distribucin y en el extremo superior un compartimiento que colecta la descarga de los tubos.

Un Drum o unidad de separacin liquido-vapor, ubicado en la parte superior para recibir la solucin concentrada y el solvente evaporado en el evaporador, tiene un indicador de nivel utilizado para el control manual del flujo de solucin concentrada.

Un condensador que usa agua de enfriamiento y que consta en una unidad de 2 pasos, utilizado para condensar el solvente evaporado para su posterior medicin.

Una trampa de vapor de tipo cubeta invertida.

Un tanque de preparacin de la solucin diluida con un sistema de agitacin.

Un tanque de alimentacin con un sistema de bombeo y recirculacin.

Un tanque para medicin de flujo de vapor de calentamiento.

Dos rotmetros con sus respectivas vlvulas de regulacin de flujo.

Un manmetro y termmetro para el vapor de calentamiento.

Vlvula para regular vapor.

Un esquema descriptivo del equipo se muestra a continuacin:

4. PROCEDIMIENTO

Preparar la solucin diluida en el tanque disponible para este propsito aadiendo Kg de azcar con agua hasta disolucin completa.

Transvasar la solucin al tanque de alimentacin y volver a preparar otra carga de solucin diluida.

Encender la bomba de almacenamiento y manteniendo una recirculacin del exceso alimentar la solucin diluida a una velocidad determinada, para eso usara la vlvula de regulacin disponible manteniendo la presin constante en la calandria.

Alimentar el vapor manteniendo la presin constante en la calandria.

Cuando la solucin llega a la parte superior del evaporador esperar que se alcance el nivel sealado en el drum y entonces abrir la vlvula de descarga de la solucin concentrada y mantener el nivel constante. La velocidad de descarga debe ser igual a la diferencia entre el flujo alimentado y el flujo de solvente evaporado.

Cuando se ha logrado mantener los flujos y el nivel constantes, anotar los siguientes datos:

Presin del vapor

Temperatura de vapor

Flujo de solucin diluida

Flujo de solucin concentrada

Flujo de solvente evaporado

Flujo de vapor de calentamiento

Temperatura de solucin diluida

La presin de operacin del evaporador es la atmosfrica, por lo tanto puede asumirse que la temperatura de evaporacin del solvente es 100 C.

5. DATOS

5.1. Datos experimentales

FLUJOS DE ENTRADA

VAPOR VIVOSOLUCIN DILUIDA

MEDICINT(C)P (psi)Q(lb/h)Brix

1144503004

2144503004

3143503004

Tabla N 01: Medicin de datos en los flujos de entrada al evaporador

FLUJOS DE SALIDA

CONDENSADO DE VAPOR DE SOLUCINSOLUCIN CONCENTRADACONDENSADO DE VAPOR VIVO

T(C)Tiempo(s)Volumen (mL)T(C)salidaT(C)froBrixTiempo(s)Volumen (mL)T(C)Tiempo(s)Altura (cm)

9213.47500602612.5192556037.51

9413.885006226.5133726072301

9313.135006725143232082261

Tabla N 02: Medicin de datos en los flujos de salida del evaporador

T(C) de vapor de la solucin

98

Tabla N 03: Temperatura del vapor de la solucin sin agua de enfriamiento

Diametro de tk (cm)=50.7

rea del tanque (m2)=0.201885813

Tabla N 04: Dimensiones del tanque de condensado

5.2. Datos bibliogrficos

Condensado Vapor VivoCondensado de solucin

T(C) agua (Kg/m3)T(C) agua (Kg/m3)

60983.20092963.967

72976.61994962.595

82970.54393963.284

Tabla N 05: Densidad de condensados

Vapor Vivo

T (C)T (F)PsiaPsiH Vap.sat (BTU/lbm)H liq.sat (BTU/lbm)

144291.258.6544.151177.2260.66

143289.457.032842.531176.62258.81

147.7298.064.550.001179.1267.65

Tabla N 06: Entalpas a las condiciones de trabajo para el vapor vivo

BrixBrix corregidoCe (Btu/lb.F)

12.512.0650.94

1312.5190.92

1413.6320.91

43.870.98

Tabla N 07: Correcin de Brix por temperatura y valores de Ce

6. CLCULOS Y RESULTADOS

Clculo de los flujos msicos de entradas y salidas al evaporador:

Condensado de vapor de solucin:

CorridaW(L/h)W(m3/h)T(C) agua (Kg/m3)W(Kg/h)W(lb/h)

1133.6300.13492963.967128.82283.99

2129.6830.13094962.595124.83275.21

3137.0910.13793963.284132.06291.13

Tabla N 08: Flujo msico de vapor de solucin.

Condensado de vapor de calefaccin o vapor vivo:

CorridaS(m3/h)T(C) agua (Kg/m3)S(Kg/h)S(lb/h)

10.19460983.200190.55420.10

20.24272976.619236.60521.61

30.28082970.543271.30598.11

Tabla N 09: Flujo msico de vapor de agua a la entrada del evaporador.

Entonces se pueden resumir los flujos msicos en la siguiente tabla:

CorridaW(Kg/h)W(lb/h)S(Kg/h)S(lb/h)P(lb/h)P(Kg/h)F(lb/h)F(Kg/h)

1128.82283.99190.55420.105022.68300136.08

2124.83275.21236.60521.615022.68300136.08

3132.06291.13271.30598.115022.68300136.08

Tabla N 10: Resumen de flujos msicos de entradas y salidas del evaporador.

Ahora haciendo el balance de masa en el evaporador tenemos:

Y comparando el flujo msico de alimentacin de solucin diluida determinado experimentalmente y del balance de masa, podemos obtener las prdidas de flujo de solucin diluida, los cuales se muestran en la siguiente tabla:

CorridaP(Kg/h)W(Kg/h)F= P+W(Kg/h)F(Kg/h)Prdidas(Kg/h)

122.68128.82151.49136.0815.42

222.68124.83147.51136.0811.43

322.68132.06154.74136.0818.66

Tabla N 11: Prdidas de flujo de solucin diluida. Ahora haciendo el balance de energa en el evaporador tenemos:

Calor entregado del vapor de agua saturado

CorridaHc (Btu/lb)Hv (Btu/lb)S(lb/h)Qent (Btu/h)

1260.661177.2420.10385016.61

2260.661177.2521.61478049.40

3258.811176.6598.11548949.41

Tabla N 12: Calor entregado del vapor de agua saturado debido a su condensacin.

Calor recibido por la solucin diluida

El presente clculo mostrado es para los datos obtenidos de la corrida 2:

Calculo de la entalpia del vapor de solucin Hw (BTU/lbm)

La temperatura de ebullicin de la solucin se considerara 100C (212 F) por ser una solucin diluida y el evaporador trabaja a presin atmosfrica (14.656 psia). Con estos datos vamos a la Tabla F.3 del libro de Termodinmica en Ing. Qumica (Van Ness):

Calculo de la entalpia del condensado de vapor vivo Hc (BTU/lbm)

Se toma el dato de lquido saturado a 144C (291.2 F) y vamos a la Tabla F.3 del libro de Termodinmica en Ing. Qumica (Van Ness):

Calculo de la entalpia del vapor vivo Hs (BTU/lbm)

Se toma el dato de vapor saturado a 144C (291.2 F) y vamos a la Tabla F.3 del libro de Termodinmica en Ing. Qumica (Van Ness):

Calculo de la entalpia de la solucin concentrada y diluida Hp y Hf (BTU/lbm):

Se usaran las siguientes formulas:

Se elige una temperatura de referencia para este fin. La solucin concentrada y el vapor que sale estn en equilibrio y la temperatura de ambos son iguales a T de ebullicin. Por consiguientes T es la eleccin de temperatura de referencia ms apropiada, ya que la entalpa especfica de la solucin concentrada Hp es cero y la entalpa de la solucin diluida es Hf que se puede calcular a partir del calor especfico que se supone permanece constante en el intervalo de Tf (temperatura de alimentacin) a Treferencia.

Para el clculo el Ce de la solucin se debe llevar el Brix=4 (22C) a Brix a 20C para poder hallar el Ce. Para esto usaremos la correccin de Brix:

Tabla N 13: Tabla de correciones de Brix por temperatura.

Con esta correccin se obtiene 3.87 Brix a 20C y con este dato calculado se ira a la siguiente grfica para hallar el Ce (BTU/lb F) sacada del libro Transferencia de Calor (Donald Kern):

Tabla N 14: Calor especifico de la solucin de azcar.

Con esta grfica se obtiene Ce = 0.98 BTU/lb.F.

Por tanto ahora reemplazando en la ecuacin inicial:

CorridaP(lb/h)Hp (Btu/lb)F(lb/h)Hf(Btu/lb)W(lb/h)Hw Btu/lb)Qabs (Btu/h)

1500300-137.592283.991150.50368003.45

2500300-137.592275.211150.50357901.04

3500300-137.592291.131150.50376226.50

Tabla N 15: Determinacin de calor absorbido por la solucin de azcar.

Calor perdido por radiacin y conveccin:

Para la corrida 2:

Y los resultados finales, se muestran a continuacin:

CorridaQent (btu/h)Qabs (Btu/h)Qperd (Btu/h)% perdidas

1385016.61320368003.454317013.158914.418811638

2478049.40471357901.0426120148.3621425.13304294

3548949.41014376226.4969172722.9132231.46426793

Tabla N 16: % perdidas de calor.

Cada aparente de temperatura y coeficiente global de transferencia

La cada aparente de temperatura se determina con la siguiente ecuacin:

CorridaTs(C)Ts(F)Tf(F)Teb (F)

1144291.20071.6212.190

2144291.20071.6212.190

3143289.40071.6212.190

Tabla N 17: Datos de temperatura para determinar cada aparente.

Con los datos de la tabla 17 reemplazamos en la ecuacin anterior y obtenemos:

CorridaTm (F)

1137.53

2137.53

3135.57

Tabla N 18: % Cada de temperatura aparente.

Para la determinacin del coeficiente global de transferencia de calor, tenemos la siguiente ecuacin:

Calculo del rea de transferencia de calor:

rea de transferencia de calor ()=21.075

Do(pulg)=0.9Do(ft)=0.0729

N de tubos=12N de tubos=12

Largo(pulg)=92Largo(ft)=7.667

Tabla N 19: Determinacin del rea de transferencia de calor.

Entonces:

Reemplazando en la ecuacin con los datos para las tres corridas, tenemos:

CorridaDTm (F)Ao(ft2)Qabs (Btu/h)Qent (btu/h)U(Btu/h.ft2.F)

1137.5321.07485368003.45385016.61126.965

2137.5321.07485357901.04478049.40123.479

3135.5721.07485376226.50548949.41131.683

Tabla N 20: Coeficiente de transferencia de calor global.

Economa de evaporador

La economa es el nmero de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la unidad:

Determinado a partir de los datos tomados en la experiencia:

CorridaW(lb/h)S(lb/h)Economa

1283.985966420.100.676

2275.205078521.610.528

3291.133331598.110.487

Tabla N 22: Economa del evaporador, determinado a partir de datos experimentales.

7. CONSIDERACIONES

Se considerar que la presin de trabajo al interior del evaporador es la presin atmosfrica.

Se asume que el condensado de vapor de la solucin no arrastrar azcar mientras se separa del lquido concentrado.

En una situacin real, entra un flujo msico determinado de vapor al evaporador el cual ceder su energa a lo largo de todo el condensador, se asume que la evaporacin es total, es decir todo el vapor que ingresa se condensar lo cual no es cierto, pero se sabe por experiencia que el porcentaje de evaporacin es 80 90 %. Esto se realizar por efectos prcticos, dado que no se tiene una lectura de masa de vapor entrante. Esto no es colocado en el balance de energa para el vapor. El calor cedido por la disminucin de temperatura es tomado en cuenta junto con el calor cedido por el cambio de fase que se da a 100 C. Tomaremos como insignificante la energa del vapor que no se ha condensado.

Consideramos que el vapor necesita llegar a la temperatura de ebullicin para recin condensarse, cosa que no es as, porque se sabe que el vapor ir condensndose a lo largo de todo su recorrido, en mayor o menor medida.

Tomaremos como propiedades de la solucin azucarada las propiedades correspondientes al agua.

Tomaremos 2 volmenes de control, el primero ser aquel recinto donde ingresa el vapor en la parte cuya circunferencia es mayor y que es solo vapor, est en contacto con la pared del tubo pero el tubo no entra a formar parte del volumen de control. Bajo este sistema se realiza el balance de energa y el balance de masa.

El otro volumen de control es la tubera por donde est el agua fra en el evaporador, esto cuenta de 12 tubos donde cada tubo ser un subsistema que comprende el lquido en el interior y su frontera ser la vecindad del lquido con la pared del tubo.

Los grados brix medidos para este experimento no estaban a la misma temperatura y se realiz las correcciones pertinentes, pero ests correcciones hacan que varen en una los grados brix, pero de todas maneras esto genera un aumento en la temperatura de ebullicin, la cual es muy pequea, por ese motivo se despreciar ese cambio.

8. CONCLUSIONES

Las prdidas por radiacin sern aquellas que hagan aumentar la temperatura alrededor y es aquel que el agua no pudo ganar y se cont como prdidas.

A medida que continua la experiencia aumentaba los grados brix, esto era un indicador de que el proceso de evaporacin era mejor que las anteriores pruebas, ya que es una relacin de la azcar presente en una solucin acuosa que en este caso es el agua.

Los grados brix obtenidos en la experiencia son muy pequeos, esto debido a que la solucin de entrada es muy diluida y que el evaporador es de un solo efecto. Es decir, si desea un mayor grado de concentracin se debera de aumentar el nmero de efectos del evaporador.

La presencia de azcar en el agua hace que esta vare sus propiedades fsicas o termodinmicas en cierta medida. Como ya los vimos por medio de los grados brix: aumento de temperatura de ebullicin, cambio en la capacidad calorfica del agua, etc.

A medida que la experiencia sigue su curso vemos que la economa del evaporador va disminuyendo, lo cual va acompaado a mayores prdidas en la transferencia de calor del vapor al lquido fro, una explicacin podra ser que a medida que aumenta la concentracin del azcar est puede absorber ms calor que antes.

9. BIBLIOGRAFA

1. Donald Q. Kern, Procesos de Transferencia de Calor, Compaa Editorial Continental S.A., Primera Edicin, Mxico, Pg. 485 490.

2. Warren L. McCabe & Julian C. Smith & Peter Harriott, Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica, Editorial McGraw-Hill, Cuarta Edicin, Madrid, Pg. 482 520.

3. http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/4122/Capitulo5.pdf

4. http://www.ictsl.net/downloads/refractometros.pdf

Manmetro

Rotmetro

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