Obtención experimental de los parámetros y variables de

XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN
Revista Investigación Científica, Vol. 4, No. 2, Nueva época. Mayo - Agosto 2008
ISSN 1870-8196
Obtención experimental de los parámetros y variables de diseño de un
evaporador de película descendente de doble efecto
Efraín Quiroz Pérez
Juan Manuel García González
Pablo Ibarra Castro
Víctor Manuel García Saldívar
Ma. Guadalupe Félix Flores
Gustavo Ríos Moreno
Unidad Académica de Ciencias Química
Universidad Autónoma de Zacatecas
Introducción
La evaporación es una operación unitaria que se emplea en la industria
alimenticia para concentrar una solución consistente de un solvente volátil y un
soluto no volátil, lo cual se logra por la diferencia de volatilidades entre el
solvente y el soluto. Esto incrementa el contenido de sólidos de los alimentos y
permite conservarlos por una reducción de la actividad de agua. La
evaporación es también utilizada a fin de reducir peso y volumen, lo cual
permite reducir los costos de almacenamiento, transporte y distribución. Los
cambios en la calidad de los alimentos que resultan de éste tratamiento térmico
son minimizados por el diseño óptimo y la correcta operación de los equipos de
evaporación (evaporadores).
Básicamente un evaporador consiste en un equipo de intercambio de calor,
en el cual el medio de calentamiento, generalmente vapor de agua a baja
presión, condensa entregando calor latente de condensación a la solución que
hierve, y que separa las fases líquida y vapor de la solución en ebullición. En un
evaporador de película ascendente, los tubos del intercambiador se calientan
con el vapor existente en el exterior de tal forma que el líquido asciende por el
interior de los tubos, debido al arrastre que ejerce el vapor formado, el cual
genera una película que se mueve rápidamente hacia arriba.
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Los parámetros de diseño más importantes de un evaporador son, tanto el área
como el coeficiente global de transferencia de calor, la economía y el consumo
de vapor para efectuar la separación requerida.
Palabras clave: evaporación, experimentación, jugo de manzana
Objetivo
El objetivo del presente trabajo es determinar mediante medidas experimentales
de algunas variables y la aplicación de las ecuaciones de balance de materia y
energía, los parámetros y variables de diseño de un evaporador utilizado en la
concentración de un jugo de manzana clarificado, localizado en la empresa
Jugos de Valle S.A.B. de C.V. Planta Zacatecas.
Metodología
Coates y Pressburg (1969) y Ray y Carnahan (1945) han publicado métodos
aproximados para estimar el rendimiento y los requisitos de superficie de
calentamiento de un evaporador de efectos múltiples. Sin embargo, debido a la
gran variedad de métodos de alimentación y la complicación adicional de los
calentadores de alimentación y los sistemas de evaporación de condensados,
el único modo seguro de determinar el rendimiento es mediante balances
detallados de materia y entalpía.
Se pueden utilizar resoluciones algebraicas; pero si se incluyen más de unos
cuantos efectos, suelen resultar más rápidos los métodos de tanteo. Estos últimos
implican con frecuencia los tanteos dentro de la solución de ensayo y error. Por
lo común, si se incluyen sistemas de evaporación de condensados en los
calentadores de materiales de alimentación, lo mejor es partir del primer efecto.
Entonces, las etapas básicas del cálculo de un evaporador de doble efecto son
las siguientes:
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1) Con base en los valores conocidos de la concentración y la presión en cada
efecto del evaporador, se determina el punto de ebullición dichos efectos. (Si
existe elevación del punto de ebullición, ésta se estima, ya sea con
ecuaciones disponibles o con reglas empíricas).
2) Por medio de un balance total de material, se determina la cantidad total de
líquido que se evapora. Para esta primera aproximación este total se divide
entre los dos efectos y se calcula la concentración en cada uno de ellos por
medio de un balance de sólidos. (Por lo general, en la primera aproximación
se suponen cantidades iguales de vapor producidas en los dos efectos).
3) Se estiman las caídas de temperatura en los dos efectos. Después se calcula
la caída de temperatura total disponible para la transferencia de calor en el
evaporador.
4) Empleando los balances de materia y entalpía en cada efecto, se calculan
la cantidad vaporizada y los flujos de líquido en cada efecto. Si las
cantidades vaporizadas difieren de manera apreciable de los valores
supuestos en el paso 2), entonces se repiten los pasos 2), 3) y 4) con las
cantidades de evaporación que acaban de calcularse. (En el paso 2) sólo se
repite el balance para los sólidos).
5) Calcular la cantidad de calor transferido en cada efecto. Mediante la
ecuación que rige la transferencia de calor en evaporadores, aplicada en
cada efecto, se calculan los coeficientes globales de transferencia de calor
respectivos.
La metodología propuesta para cumplir con el objetivo del presente trabajo fue
la siguiente:
y
Revisión previa de las ecuaciones de balance de materia y entalpía que
describen el evaporador.
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y
Lectura de las variables en distintos puntos del evaporador, las cuales fueron:
la temperatura de operación en cada efecto (TI y TII), la temperatura del jugo
de manzana de alimentación al evaporador (TF), la fracción de sólidos
(referida a la concentración de sólidos) en el jugo de alimentación al
evaporador (xF), la fracción de sólidos en el jugo que sale de cada efecto (xLI
y xLII) y la presión en el efecto I del evaporador (PI), durante un periodo de 10
días.
y
Posterior obtención de las propiedades de cada corriente y punto de interés,
con la ayuda de la literatura (Tablas de vapor de agua) y las lecturas
realizadas.
y
Sustitución de los valores correspondientes en las ecuaciones de balance y
solución de las mismas (utilizando las etapas básicas en el cálculo de
evaporadores citadas anteriormente).
y
Tratamiento estadístico de los resultados obtenidos mediante el cálculo del
evaporador, el cual consistió en el cálculo de la media ( x ), mediana,
desviación estándar (s), varianza (s2), desviación estándar relativa (DER),
coeficiente de variación (CV) y la dispersión (w). Además, se realizó una
evaluación de los datos estadísticos obtenidos, para perfeccionar los juicios
concernientes a la calidad de las mediciones experimentales, obteniéndose
intervalos de confianza (IC) y aplicando a la prueba Q de rechazo de errores,
la cual se realizó al primero y último valor de cada rango de datos (en orden
decreciente) para cada variable y parámetro de diseño obtenidos. Para el
cálculo de los intervalos de confianza y la prueba Q de rechazo de errores, se
utilizó un valor de probabilidad de 95%.
y
Comparación de los resultados promedio obtenidos, con los calculados por
el software “MULTIEF”.
y
Presentación de resultados finales.
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Resultados
Los parámetros y variables de diseño obtenidos fueron el flujo de jugo de
alimentación al evaporador (F), el área de la superficie de transferencia de calor
en cada efecto del evaporador (AI y AII), el flujo de jugo concentrado de
manzana en cada efecto (LI y LII), la temperatura de operación en cada efecto
(TI y TII), la temperatura del jugo de manzana de alimentación al evaporador (TF),
el flujo de líquido evaporado en cada efecto (VI y VII), la fracción de sólidos
(referida a la concentración de sólidos) en el jugo de alimentación al
evaporador (xF), la fracción de sólidos en el jugo que sale de cada efecto (xLI y
xLII), la capacidad del equipo, la economía del vapor de calefacción y el
coeficiente global de transferencia de calor en cada efecto (UI y UII).
Los valores obtenidos experimentalmente fueron los siguientes: F = 8,572.07
kg/h, AI = 42.97 m2, AII = 62.18 m2, LI = 3,400 kg/h, LII = 5,809.46 kg/h, TI = 51.2
ºC, TII = 29.3 ºC, TF = 63.1 ºC, VI = 2,762.61 kg/h, VII = 2,409.46 kg/h, xF = 0.123,
xLI = 0.31, xLII = 0.1813, UI = 1,727.06 W/m2 ºC, UII = 1,264.74 W/m2 ºC, la
capacidad del evaporación del equipo fue de 5,172.07 kg/h y la economía del
vapor de calefacción fue de 1.9138.
Para la comparación de los datos obtenidos por el software “MULTIEF”, con
los valores obtenidos de acuerdo a la metodología presentada, se utilizaron
como datos de entrada: AI y AII, TF, xF, xLI, UI y UII.
F = 8,602.25 kg/h, AI = 42.97 m2, AII = 62.18 m2, LI = 3,400 kg/h, LII = 5807.08
kg/h, TI = 51.4 ºC, TII = 29.8 ºC, TF = 63.1 ºC, VI = 2,795.18 kg/h, VII = 2,393.93
kg/h, xF = 0.123, xLI = 0.31, xLII = 0.1822, UI = 1,727.06 W/m2 ºC, UII = 1,264.74
W/m2 ºC, la capacidad del evaporación del equipo fue de 5,189.11 kg/h y la
economía del vapor de calefacción fue de 1.945.
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Conclusiones
En la actualidad, es frecuente que los complejos problemas derivados de los
trabajos de investigación y de la práctica industrial, no se planteen a un nivel
adecuado para los estudiantes, para quienes toda rigurosidad didáctica es
mínima a la hora de enfrentarse con aquellos problemas que continuamente les
han de surgir en el laboratorio. Por ello, se debe tomar en cuenta la importancia
de realizar determinaciones experimentales, ya que las mismas proporcionan
una perspectiva y conocimiento sobre un proceso o fenómeno dado y sobre
sus magnitudes esenciales y leyes de comportamiento, con el objetivo final de
llegar a predicciones, reconstrucciones y diseños óptimos.
Los resultados obtenidos por ambos métodos presentan una tendencia
lógica, ya que al reducir la presión en el evaporador, disminuye el punto de
ebullición del jugo de manzana en ambos efectos, además los valores
obtenidos para la economía del vapor no difieren en gran medida del principio
teórico de la evaporación de doble efecto, según el cual 1 kilogramo de vapor
de calefacción evapora 2 kilogramos de agua del jugo alimentado.
Finalmente, los valores de los coeficientes de transferencia de calor presentan
una aproximación aceptable con los reportados en la literatura, los cuales
varían de 600 a 2,000 W/m2 ºC en evaporadores de película utilizados para
concentrar jugos de fruta de 12 a 65 ºBx.
De lo anterior se puede concluir que el software “MULTIEF” puede simular
procesos de evaporación con un buen grado de confianza, lo cual subraya
además, la correcta aplicación de las ecuaciones de balance de materia y
energía en el cálculo de evaporadores y la importancia de las determinaciones
experimentales en los cálculos de procesos en Ingeniería Química.
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