UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I PI-135/A EVAPORACIÓN PROFESOR: ING. MARIO GARAYAR INTEGRANTES: Alarcón Carmona, Jean Carlo Castillo Borja, Jelitza Melendez Vargas, Luz Torres Reategui, A. Martín FECHA DE PRESENTACIÓN: 29/05/2017 LIMA – PERÚ Contenido 1. OBEJTIVOS ............................................................................................................................. 1 2. FUNDAMENTO TEÓRICO ....................................................................................................... 1 Elevación de la temperatura de ebullición (EPE) .................................................................. 2 Caída de temperatura aparente ............................................................................................ 2 Coeficientes de transmisión de calor .................................................................................... 2 Balance de masa y energía en el evaporador ....................................................................... 3 3. DATOS EXPERIMENTALES ...................................................................................................... 3 4. DESARROLLO DEL INFORME .................................................................................................. 4 a) Pérdidas de calor por radiación ........................................................................................ 8 b) Caída aparente de temperatura ...................................................................................... 10 c) Coeficiente de transferencia global ................................................................................ 10 d) Agua evaporada por libra de vapor ................................................................................. 11 e) Graficar U vs ∆T ............................................................................................................... 11 5. OBSERVACIONES ................................................................................................................. 12 6. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 12 7. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 13 EVAPORACIÓN 1. OBEJTIVOS - Conocer el proceso de evaporación para la concentración de soluciones. Evaluar el coeficiente de transferencia de calor global de un evaporador vertical simple. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO Hay muchas soluciones acuosas diluidas de las que deben eliminarse grandes cantidades de agua antes de poder llegar a la cristalización tales como la sal de mesa, azúcar, sosa caustica, para este fin se hace uso de evaporadores. Teniendo en cuenta la temperatura, la viscosidad de la solución a concentrar, la alimentación de ésta puede ser en paralelo (el alimento líquido fluye en la misma dirección que el vapor) o en contracorriente (el alimento liquido fluye en dirección contraria al vapor). 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. CARACTERISTICAS DEL LÍQUIDO A EVAPORAR: PROPIEDAD CARACTERISTICAS Concentración El líquido de alimentación puede ser suficientemente diluido y poseer muchas de las propiedades físicas del agua, pero a medida que aumenta la concentración, la solución adquiere un carácter más particular. La densidad y viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se satura. La ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales que es preciso retirar para evitar la obstrucción de los tubos. Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Con el vapor sale del evaporador una espuma estable que origina gran arrastre. En caso extremo, toda la masa de líquido es arrastrada por el vapor. Muchos productos químicos, medicamentos y alimentos se estropean cuando se calientan a temperaturas moderadas por un corto tiempo. En la concentración de estos materiales, se utilizarán técnicas especiales para reducir la temperatura del líquido y el tiempo de calentamiento. Algunas 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 difícil y costosa. Los evaporadores se construyen en hierro colado o acero. Pero, muchas soluciones atacan a los metales férreos o son contaminadas por ellos, siendo preciso utilizar materiales como cobre, níquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo. Como estos son caros, resulta conveniente obtener elevadas velocidades de transmisión de calor para disminuir el coste inicial del aparato. Formación espuma Sensibilidad a temperatura de la Formación costras de Materiales construcción de 1 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 (∆T) 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). 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= 𝑄 𝐴×(∆𝑇)𝑎 𝑈= 1 1 1 + ℎ𝑖 ℎ𝑜 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: 𝑘𝑓3 𝜌𝑓2 𝑔𝜆 ℎ = 0.943( ) ∆𝑇0 𝐿𝑢𝑓 2 La temperatura de referencia para la evaluación de μf, ρf, kf viene dado por la ecuación: 𝑇𝑓 = 𝑇ℎ − 3(𝑇ℎ − 𝑇𝑤 ) 3∆𝑇0 = 𝑇ℎ − 4 4 Donde Tf = temperatura de referencia Th = temperatura del vapor condensante Tw = temperatura de la superficie exterior de la pared del tubo Balance de masa y energía en el evaporador Balance de masa, suponiendo que no hay precipitación en el evaporador: 𝑆 = 𝐹−𝑃 Donde: S= flujo de vapor alimentado y flujo de vapor condensado en kg/h F= flujo de solución de alimentación, kg/h P= flujo de la solución concentrada, kg/h Balance de entalpía para el vapor condensado 𝑞𝑠 = 𝑆×(𝐻𝑐 − 𝐻𝑠 ) = −𝑆×𝜆𝑠 Donde qs = velocidad de transmisión de calor a través de la superficie del calentamiento, kcal/h Hs = entalpía específica del vapor de agua, kcal/kg Hc = entalpía específica del condensado, kcal/kg λs = calor latente de condensación del vapor de agua, kcal/kg S= Flujo del vapor vivo kg/h 3. DATOS EXPERIMENTALES Líquido de alimentación °Brix 4.8 Temperatura (°C) 24.9 3 Tabla 1 Datos obtenidos en el laboratorio N° de Corrida Presión de vapor vivo (psi) Rotámetro R1 (LPH) Solución diluida Rotámetro R2 (LPH) Solución concentrada Tebu solución (°C) Temp. Salida solución concentrada Temp. Salida solvente condensado Flujo de vapor condensado 1 (mL/s) Flujo de vapor condensado 2 (mL/s) Flujo de vapor condensado (mL/s) Flujo de condensado vapor vivo (cm/s) Control de calidad: °Brix 1ra 40 250 2da 42.5 400 3ra 40 300 4ta 40 400 50 100 100 100 100 (99) 60 85 28.4630 33.1906 30.8268 0.02299 9.5 99 80 92 31.5186 30.0971 30.8079 0.02299 12.5 99 (100) 85 95 (97) 35.5086 37.0000 36.2543 0.02299 13.5 98 85.5 90 34.2857 34.2857 0.02299 16 Tabla 2 Datos obtenidos en el laboratorio 4. DESARROLLO DEL INFORME a. Hacer una descripción de los principales tipos de evaporadores, con sus usos, ventajas y desventajas, cada uno con sus esquemas simplificados EVAPORACIÓN EN EFECTO SIMPLE Y MÚLTIPLE: La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. El material que se evapora circula casi siempre por el interior de los tubos. Al disminuir la temperatura de ebullición del líquido aumenta la diferencia entre el vapor condensante y el líquido que hierve y, por consiguiente, aumenta la velocidad de transmisión de calor en el evaporador. Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente de la ebullición del líquido se condensa y se desprecia. Este método se denomina evaporación en efecto simple, y, si bien resulta sencillo, no utiliza en cambio eficazmente el vapor. Si el vapor procedente de un evaporador se introduce como alimentación a la caja de vapor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se lleva después a un condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. Procediendo en la forma indicada se pueden adicionar más efectos. El método general de incrementar la evaporación por Kg de vapor vivo utilizando una serie de evaporadores entre la línea de vapor y el condensador recibe el nombre de evaporación de múltiple efecto. FUNCIONAMIENTO DE EVAPORADORES TUBULARES: Las principales características de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de kilogramos de agua vaporizados por hora. La economía es el número de kilogramos vaporizados por kilogramo de vapor vivo que entra como alimentación a la unidad. En un evaporador de simple efecto la economía es casi siempre menor que la unidad, pero en los aparatos de múltiple efecto puede 4 ser considerablemente mayor. Pero también tiene gran importancia el consumo de vapor, en kilogramos por hora, y que e igual a la capacidad dividida por la economía. El principal factor que afecta a la economía de un sistema de evaporación es el número de efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía del vapor vivo que llega al primer efecto se puede utilizar una o más veces, dependiendo del número de efectos de que conste el evaporador. La economía también depende dela temperatura de alimentación. Si dicha temperatura es inferior a la de ebullición en el primer efecto, una parte de la entalpía de vaporización del vapor vivo se utiliza para calentar la alimentación y solamente queda la fracción restante para la evaporación. Si la alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición, la vaporización súbita que se produce proporciona una evaporación adicional sobre la originada por la entalpía de vaporización del vapor vivo. Desde el punto de vista cuantitativo, la economía de un evaporador se calcula mediante balances entálpicos. Diagrama del equipo: 5 6 7 b. Cálculos experimentales a) Pérdidas de calor por radiación 1. Balance de energía para la solución a concentrar: Calor absorbido por la solución diluida q = (F − P)Hv + P ∗ Hp − F ∗ Hf … (I) Donde: Hf: entalpía de la alimentación (solución diluida) Hp: entalpía del licor espeso (solución concentrada) Hv: entalpía del solvente evaporado Entalpía para soluciones azucaradas 𝐇 = 𝟏. 𝟖𝟎𝟑𝟖𝟕𝐱(𝟏 − 𝟎. 𝟓𝟓𝐱 𝐜/𝟏𝟎𝟎)𝐱(𝐓 − 𝐓𝐎 ) T: Temperatura (K) H: entalpía (BTU/lb) c: concentración (°Brix) N° de corrida Hf (BTU/lb) Hp (BTU/lb) H (BTU/lb) 1ra 43.7306 102.5771 2da 43.7306 134.3883 3ra 43.7306 141.9443 4ta 43.7306 140.6586 3ra 99 (100) 211.1 1150.1400 4ta 98 208.4 1149.0920 Tabla 3 Entalpía del solvente en ebullición: T (°C) T (°F) Hv (BTU/lb) 1ra 100 (99) 211.1 1150.1400 2da 99 210.2 1149.7800 Tabla 4 Datos obtenidos de Apéndice 7 (McCabe, Smith, & Harriot, 2007) Flujo másico de solvente condensado (F-P real) Flujo de vapor condensado (mL/s) Flujo condensado (ft3/s) T (°C) T (°F) Densidad (lb/ft3) Flujo másico (lb/s) Flujo másico F-P (LPH) 1ra 2da 3ra 4ta 30.8268 30.8079 36.2543 34.2857 10.8864*10-4 85 185 60.4675 0.06582734 236.978421 10.8797*10-4 92 197.6 60.1840 0.06547839 235.722191 12.8030*10-4 95 (97) 204.8 60.0100 0.0768308 276.590891 12.1079*10-4 90 194 60.2650 0.07296826 262.685734 Tabla 5 Densidad obtenida de Apéndice 6 (McCabe, Smith, & Harriot, 2007) 8 Hallando los flujos másicos De la Tabla 2 R1 = F y R2 = P R1 Solución diluida (LPH) R2 Solución concentrada (LPH) Solvente evaporado* condensado (LPH) F 1ra 250 2da 400 3ra 300 4ta 400 P 50 100 100 100 (F236.978421 235.722191 276.590891 262.685734 P)* Tabla 6 Reemplazando los datos en (I) q (BTU/h) q (BTU/s) 1ra 270173.801 75.0483 2da 270166.971 75.0464 3ra 321531.397 89.3143 4ta 300480.105 83.4667 Tabla 7 2. Balance de energía para el vapor de agua: Calor entregado por el vapor de agua 𝑞𝑠 = 𝑆(𝐻𝑓 − 𝐻𝑔 ) = 𝑆 ∗ 𝜆𝑣𝑎𝑝 N° de Corrida Presión de vapor vivo (psi) 𝝀𝒗𝒂𝒑 (BTU/lb) 1ra 40 933.9565 … 2da 42.5 931.3704 (𝐼𝐼) 3ra 40 933.9565 4ta 40 933.9565 Tabla 8 Datos obtenidos de Apéndice 7 (McCabe, Smith, & Harriot, 2007) Flujo de masa de vapor de agua condensado: La equivalencia es 2 cm = 4100 mL 2050 mL/cm* 0.02299 cm/s = 47.1264 mL/s Flujo de vapor condensado (mL/s) Flujo condensado (ft3/s) P (psi) Volumen específico (ft3/lb) Flujo másico (lb/s) Flujo másico S (LPH) 1ra 47.1264 2da 47.1264 3ra 47.1264 4ta 47.1264 0.001664249 40 0.0171 0.097324485 350.3681461 0.001664249 42.5 0.0172 0.09675864 348.331122 0.001664249 40 0.0171 0.09732449 350.368146 0.001664249 40 0.0171 0.097324485 350.3681461 Tabla 9 Volumen específico obtenida de Apéndice 7 (McCabe, Smith, & Harriot, 2007) Reemplazando los datos en (II) 9 qs (BTU/h) qs (BTU/s) 1ra 327228.6074 90.8968 2da 324425.296 90.1181 3ra 327228.607 90.8968 4ta 327228.6074 90.8968 Tabla 10 Calor entregado en cada corrida El calor perdido sería la diferencia del calor absorbido y el calor entregado: q (BTU/h) q (BTU/s) 1ra 57054.8064 15.8485 2da 54258.325 15.0717 3ra 5697.21 1.5825 4ta 26748.5024 7.4301 Tabla 11 Calor perdido en cada corrida b) Caída aparente de temperatura ∆𝑇 = N° de Corrida 1 2 3 4 P (psi) 69.7 67.2 67.2 69.7 𝑇𝑝 − 𝑇𝑓 𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑓 𝐿𝑁(𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑝) Tsat (°F) 302.26 299.77 299.77 302.26 Tf (°F) 71.6 71.6 71.6 71.6 Tp (°F) 179.6 181.4 179.6 179.6 ΔT (°F) 171.0 167.3 168.4 171.0 Tabla 12 Caída de temperatura en cada corrida c) Coeficiente de transferencia global Usando: 𝑈= 𝑄 𝐴∆𝑇 Donde: Q: Calor perdido por radiación A: Área transversal de la columa = 17.63 ft 2 ∆T: Caida aparente de temperatura De los datos obtenidos anteriormente: (usando el q en BTU/s) U BTU/(s.ft2.°F) 1ra 2da 3ra 4ta 0.024893871 0.025443779 0.030083378 0.027686294 Tabla 13 Cálculo del Coeficiente de transferencia de calor en cada corrida 10 d) Agua evaporada por libra de vapor De los datos obtenidos con anterioridad, podemos relacionar el calor entregado con el calor latente de vaporización para al dividirlos obtener la masa por unidad de tiempo, en cada corrida: qs (BTU/s) 90.8968 90.1181 90.8968 90.8968 λ (BTU/lb) 933.9565 931.3704 933.9565 933.9565 masa (lb/s) 0.09732445 0.0967586 0.09732445 0.09732445 Tabla 14 masa de agua evaporada por libra de vapor e) Graficar U vs ∆T Ordenando los datos: (descartando la 1era debido a que existe otro dato a 171 °F) ΔT (°F) 2da 3ra 4ta U 167.3 0.025443779 168.4 0.030083378 171 0.027686294 Tabla 15 Datos de variación de temperatura y Coeficiente de transferencia U vs ΔT 0.031 U (BTU/s.ftÞ^2.°F) 0.03 0.029 0.028 0.027 0.026 0.025 167 167.5 168 168.5 169 169.5 170 170.5 171 171.5 ΔT(°F) 11 5. OBSERVACIONES - - - El caudal de vapor usado para concentrar la solución azucarada fue calculado teniendo en cuenta la salida de dicho vapor ya condensado. Se usó el promedio del tiempo medido en que la solución del tanque, al que iba a parar el vapor condensado, mostraba una diferencia de nivel de 2cm, usando, además, la equivalencia de estos 2cm a volumen de líquido contenido en el tanque, el cual se tomó como referencia de experiencias pasadas. El vapor vivo provenía de una caldera que mantenía el flujo, produciendo más vapor al bajar la presión dentro de la caldera, por esta razón, el flujo de vapor pudo haber fluctuado durante la operación, reflejándose en los tiempos medidos. El flujo de solvente evaporado fue calculado dividiendo el volumen recolectado del condensado entre el tiempo que le tomaba. Se tomó una muestra del reflujo y de la línea proveniente del tanque principal de solución azucarada al 5% para medir su concentración en grados Bricks. Se comenzó a operar después de que el sistema se estabilizara, esto tardó un poco más de 15 minutos. Se paró la operación cuando se acabó la solución azucarada al 5% del tanque, esto se comprobó al escuchar un sonido de esfuerzo de la bomba. La temperatura de ebullicióm de la solución aumenta por el aumento ebulloscopico, sin embargo, la termocupla mostraba un valor igual o menor a 100°C, posiblemente por falta de calibración, a pesar de esto, el aumento es mínimo y no debería afectar significativamente los cálculos. Los parámetros que se hicieron variar fueron los flujos de solución diluida y concentrada. Las pérdidas por radiación se dan a lo largo de todas tuberías, indicando que no se tiene un buen aislamiento. El coeficiente global de transferencia de calor promedio fue 97.3 BTU/(s.ft2.°F), este valor no se asemeja a los rangos de valores de evaporadores reportados en la bibliografía, indicando que el evaporador no funciona adecuadamente, por ser muy bajo, posiblemente debido al uso y falta de mantenimiento, pudiendo presentarse problemas de corrosión que afecten al valor del coeficiente global. 6. CONCLUSIONES - Se obtuvo un mayor valor de grados Bricks en la 4ta corrida (400 LPH de solución diluida y 100 LPH de solución concentrada), dando un valor de 16°. Se obtuvo un valor bajo de coeficiente global de transferencia de calor en el evaporador vertical de tubos largos usado. Las pérdidas por radiación no fueron significativas en la 3ra y 4ta corrida, indicando una mayor eficiencia. Se debería usar una presión menor para hacer más eficiente la operación, disminuyendo la temperatura de ebullición de la solución. 12 7. BIBLIOGRAFÍA - OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA, McCabe Smith, sexta edición, 2001. - FOUST, Alan; “Principios de Operaciones en Ingeniería Química”; Editorial Continental S.A., 2° Edición, México. Capítulo 19 (Evaporación y Cristalización Transferencia simultánea de Calor y de Masa III). - KERN, Donald Q; “Procesos de Transferencia de Calor”; Compañía Editorial Continental, S.A. México 1965. Capítulo 14. (Evaporación). - McCabe, Warren, L. “Operaciones Básicas de Ingeniería Química”. McGraw Hill. Cuarta Edición. Capítulo 16 (Evaporación). 13
