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practica transferencia de calor esiqie
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
“LABORATORIO DE OPERACIONES DIFUSIONALES”
PRACTICA EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO DE CIRCULACION NATURAL.
TREJO TREJO CRISTEL LEONOR
GRUPO: 3PM61 Fecha de entrega: 26/05/15.
1. OBJETIVOS
Que el alumno al término de las sesiones correspondientes al estudio de este equipo experimental
sea capaz de:
a) Explicar el funcionamiento del Evaporador de Simple Efecto de Circulación Natural del
tipo de Película Ascendente-Descendente.
b) Operar el equipo realizando cambios en las variables que puedan ser controladas a
voluntad del evaporador.
c) Analizar los efectos de los cambios de las variables y como lograr un aumento en la
capacidad de producción.
2. INTRODUCCION
2.1 EVAPORACION
Operación en la cual se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la cual se
obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de
evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.
La evaporación es una importante operación unitaria comúnmente empleada para remover el agua
de productos líquidos diluidos para obtener productos líquidos concentrados
2.2 EVAPORADOR Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un
evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a
una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo
interior está el haz de tubos.
Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar
el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas para que la eficacia
sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.
Evaporadores de tubos verticales. Se denominan así porque el haz de tubos está dispuestos verticalmente dentro de la coraza.
Ilustración 1 EVAPORADOR SIMPLE EFECTO
Componentes Principales.
Los componentes principales de un evaporador son
A.- Ebullidor Tubular. Es donde ocurre el proceso de ebullición del agua o disolvente producto del calor transmitido por el vapor latente. Por lo general está constituido por un haz de tubos por donde circula la solución a concentrar y una carcasa por la cual circula el vapor latente.
B.- Separador líquido-vapor. Es donde la mezcla líquido-vapor proveniente del ebullidor es separada, obteniendo el líquido concentrado y la fase de vapor. El separador fue diseñado para evitar el arrastre de líquido concentrado en la corriente de vapor.
C.- Área de circulación del medio de calentamiento (vapor, electricidad, etc.)
Son equipos que utilizan como fuente de energía un vapor latente a una temperatura mayor a la temperatura de vaporización del agua o solución acuosa para concentrar.
2.2.1EVAPORADOR DE PELICULA DESCENDENTE
Estos tipos de evaporadores son los más difundidos en la industria alimenticia, por las ventajas operacionales y económicas que los mismos poseen.
Alta eficiencia, economía y rendimiento.
Alta flexibilidad operativa.
Altos coeficientes de transferencias térmicos.
Capacidad de trabajar con productos termo sensibles o que puedan sufrir deterioro parcial o total de sus propiedades.Limpieza rápida y sencilla (CIP)
En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo, la cual ha sido
normalmente precalentada a la temperatura de ebullición del primer efecto, mediante
intercambiadores de calor adecuados al producto
Se produce una distribución homogénea del producto dentro de los tubos en la parte superior del
evaporador, generando una película descendente de iguales características en la totalidad de los
tubos. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad de los tubos trae
aparejado posibles sitios en donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos
rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al
taponamiento de los mismos.
Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que está siendo concentrado,
permanece en íntimo contacto con el vapor que se genera. Los dos fluidos, tanto el producto como
su vapor, tienen igual sentido de flujo, por lo que la salida de ambos es por la parte inferior de los
tubos.
En la parte inferior del evaporador se produce la separación de estas dos fases. El concentrado es
tomado por bombas y el vapor se envía al condensador (simple efecto), mientras que los sistemas
múltiefecto utilizan como medio calefactor, el vapor generado en el efecto anterior, y por lo tanto el
vapor generado en el último cuerpo es el que se envía al condensador.
2.2.2 EVAPORADOR DE PELICULA ASCENDENTE
Un evaporador de película ascendente consta de una calandria de tubos dentro de una
carcasa, la bancada de tubos es más larga que en el resto de evaporadores (10-15m).
El producto utilizado debe ser de baja viscosidad debido a que el movimiento
ascendente es natural. Los tubos 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 movimiento de dichos vapores genera una película que se
mueve rápidamente hacia arriba.
En estos tipos de evaporadores la alimentación se produce por la parte inferior del
equipo y la misma asciende por los tubos.
El principio teórico que tienen estos evaporadores se asimila al 'efecto sifón', ya que
cuando la alimentación se pone en contacto con los tubos calientes, comienza a
producirse la evaporación, en donde el vapor se va generando paulatinamente hasta
que el mismo, empieza a ejercer presión hacia los tubos, determinando de esta manera,
una película ascendente. Esta presión, también genera una turbulencia en el producto
que está siendo concentrado, lo que permite mejor la transferencia térmica, y por ende,
la evaporación.
En estos evaporadores existe alta diferencia de temperaturas entre la pared y el líquido
en ebullición. Cabe mencionar que la altura de los mismos es limitada, ya que la
capacidad del vapor en arrastrar la película formada hacia la parte superior del equipo
no es suficiente y determina la altura máxima posible para el diseño.
Son evaporadores en los cuales se puede re circular el producto concentrado, donde el
mismo es enviado nuevamente al interior del equipo, y de esta forma, asegurar un
correcto caudal de alimentación.
2.3 Aplicación.
Son utilizados para la obtención de agua desmineralizada para calderas u otros procesos, en las industrias de alimentos y farmacología.
Tipo Especificidades Utilización Industrias
Evaporador de película descendente
Tiempo de residencia
corto
Poca pérdida de carga
Sin elevación
hidráulica
Escaso contenido
líquido
Productos sensibles al
calor
Presión de trabajo baja
sin diferencia de
temperaturas
Caudal alto
química
alimentaria
farmacéutica
petroquímica
Evaporador de circulación forzada
Alta velocidad de
circulación
Poca tendencia al
ensuciamiento
No ebullición en los
tubos
Margen de carga
máximo
Producto con tendencia a
ensuciarse
Líquido con partículas en
suspensión
Líquido con
precipitación de sales
química
medioambienta
l
farmacéutica
alimentaria
Evaporador de circulación forzada
Tubos cortos
Sin bomba de
circulación
En aplicaciones sencillas
Productos no sensibles al
calor
baja viscosidad del
producto
química
farmacéutica
petroquímica
Evaporador de película ascendente
tubos de evaporador
largos
Pocos costes de
capital
Productos espumantes
alta viscosidad del
producto
química
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1 PRIMERA ETAPA: Precalentamiento de la solución diluida (la temperatura de precalentamiento deberá ser de 5 a 10 ºC menor a la temperatura de ebullición de la solución concentrada, leída esta, a la presión del separador).
1. Llenar el tanque de almacenamiento de la solución diluida.2. Aflojar la válvula reductora de presión.3. Cerrar la válvula de alimentación de vapor a la calandria.4. Abrir la válvula que alimenta vapor al tanque de la solución diluida. 5. Abrir la válvula de alimentación general de vapor.6. Apretar la válvula reductora de presión, observar el burbujeo continuo. 7. Esperar hasta lograr la temperatura de precalentamiento correspondiente.
3.2 SEGUNDA ETAPA: Arranque del equipo y toma de datos.
1. Abrir la válvula del tanque de solución diluida que comunica a la bomba de alimentación.
2. Abrir parcialmente la válvula de la línea de recirculación al tanque de la solución diluida y la válvula de control de flujo del rotámetro.
3. Accionar la bomba de alimentación y cuando considere que los tubos de la calandria estén totalmente llenos con solución diluida, ajustar con la válvula de control de flujo del rotámetro el valor del porcentaje seleccionado en el mismo.
4. Abrir la válvula de alimentación de vapor a la calandria y cerrar la válvula de precalentamiento.
5. Abrir la válvula de purga de gases no condensables del vapor, cuando estos salgan (observar flujo continuo de vapor), cerrar esta casi totalmente.
6. Con la válvula reductora de presión de vapor ajustar el valor de la presión manométrica.
7. Abrir la válvula de la alimentación de agua de condensación a los condensadores y verificar que esta circule a la cisterna.
8. Abrir la válvula de alimentación de agua al sello de la bomba de vacío.9. Accionar la bomba de vacío y con la válvula de control de vacío ajustar el valor
que corresponda.10.Abrir la válvula de alimentación de agua al enfriador de vapor condensado.11.Esperar a que alcance el régimen permanente.12.Comprobar que las temperaturas en cada uno de los puntos del indicador
registrador de temperaturas del tablero sean constantes y cuando estén, se podrá proceder a tomar datos.
13.Toma de datos experimentales: Los valores de las condiciones de operación. Diferencias de alturas de nivel de todos los tanques de almacenamiento. Las temperaturas del tablero (temperatura de entrada de agua al condensador y
la temperatura de la solución diluida a la entrada del cabezal inferior de la calandria).
3.3 TERCERA ETAPA: Paro del equipo
1. Desconectar el indicador-registrador de temperaturas.2. Aflojar la válvula reductora de presión de vapor hasta que el nanómetro marque
cero.3. Cerrar la válvula de alimentación general de vapor.4. Desconectar la bomba de alimentación. 5. Desconectar la bomba de vacío y cerrar la válvula de sello hidráulico.6. Cerrar las válvulas de alimentación de agua al condensador y al enfriador.7. Tomar la muestra de solución concentrada y descargar los tanques de
almacenamiento.
DIAGRAMA DE FLUJO
Tabla de datos de condiciones de operación.
Presión manométrica del vapor (kg/cm2)
0.7
Temperatura de alimentación (°C) 60°C
Vacío en el condensador (mmHg)
Tabla de datos experimentales.
Diámetro del tanque (cm)
Tiempo de operación (min)
Diferencias de altura de nivel
(cm)
Ma (kg/h)Solución diluida
59.6 3 4.4
Mp (kg/h)Solución
concentrada
34.6 3 5.6
E (kg/h)Solvente
evaporado
34.6 3 13.5
Mv (kg/h)Vapor de agua de
la caldera
40.2 3 2.5
MH20 (kg/h)Agua de
condensación
56 3 11.3
Temperaturas del sistema
T1- Temperatura de vapor de caldera 102°CT2- Temperatura del producto. 74°CT3- Temperatura del evaporado. 73°CT4- Temperatura agua de enfriamiento 34°CT5- Temperatura del evaporado condensado 35°C
4. SECUENCIA DE CALCULOS EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO CIRCULACION NATURAL DEL TIPO DE PELICULA ASCENDENTE-
DESCENDENTE
-EVAPORADOR
Balance de Materia
M A ≈ MP+E
M A=π ϕ2 ΔhMA ρ
4θ=
π (0.596m )2(0.044m)(996.78 kg
m3)
4 [3min( 1h60min
)]=216.046 kg
h
MP=π ϕ2 ΔhMP ρ
4θ=
π (0.346m )2(0.056m)(996.78 kg
m3)
4 [3min ( 1h60min
)]=104.968 kg
h
E=π ϕ2 ΔhMA ρ
4θ=
π (0.346m )2(0.05)(996.78 kg
m3)
4 [3min( 1h60min
)]=93.721 kg
h
216.046≠104.96+93.721 [¿ ]kgh
Balance de Calor
o Calor Absorbido
QA=MP HP+E H E−MA H A
H A=74 .53kcalkg
H P=66.18kcalkg
H E=621 .2kcalkg
QA=(104.968 kgh
∗66.18 kcalkg )+(93.72 kg
h∗621.2 kcal
kg )−(216.046 kgh
∗74 .53 kcalkg )
QA=49063.2084kcal
h
o Calor Suministrado
Qs=MV λV
λV=532.6kcalkg
MV=π ϕ2Δ hMV ρ
4θ=
π (0.402m )2(0.044m)(981.097 kg
m3)
4 [3min ( 1h60min
)]=108.482 kg
h
Qs=MV λV=108.42kgh
∗532.6 kcalkg
Qs=57799.7kcalh
o Calor NO Absorbido
QNA=QS−QA=57799.7kcal
h−49063.2084 kcal
h
QNA=8736.5149kcalh
Eficiencia Térmica
η=QA
Q S
∗100=49063.2084
kcalh
57799.72kcalh
∗100=84.88%
Fuerza Impulsora
ΔTx=Tsat−tx=102ºC−60 ºC=42ºC
Coeficiente Global de Transferencia de Calor
Q=UA ΔTx
A=2πϕL NT=2π (0.015m ) (2.54m ) (4 )=0.9576m2
U=Q
A Δ Tx=57799.72
kcalh
0.9576m2∗42ºC=1437.1176
kcal
hm2ºC
Determinación de Parámetros
o Economía
ε=E
MV
=93.72
kgh
108.48kgh
=0.8639
o Capacidad Evaporativa
C ϵ=EA
=93.72
kgh
0.9576m2=97.8696kg
hm2
o Capacidad de Transferencia de Calor
CO=QA
=57799.72
kcalh
0.9576m2 =60358.93kcal
hm2
Cálculo de Velocidades
o Velocidad de Salida
V S=MA
A flujo ρ
V S=1065.2
kgh
0.00283m2∗978.66kg
m3
=376737mh=104.64
ms
VE=216.046
kgh
0.00283m2∗978.66kg
m3
=78.84mh
=0.02190
o Velocidad Media
V M=V E+V S
2=0.02190
ms+104.64 m
s2
=52.33ms
Tiempo de Residencia
θ= LV M
= 2.54m
52.33ms
=0.0485 s
-CONDENSADOR
Calor Suministrado de Solvente Evaporado
QS=λE=532.5 kcalkg
∗93.72 kgh
=50468.22 kcalh
Calor Transferido al Agua de Condensación
QA=WCp(T 2−T 1)
W=π ϕ2 Δhρ4θ
=π (0.564m )2(0.113m)(996.8 kg
m3)
4 [3min( 1h60min
)]=547.8 kg
h
QA=547.5kgh
∗1 kcalkg ºC
(60ºC−35 ºC )=3287.29 kcalh
Calor NO Absorbido en el Condensador
QNA=QS−QA=50468.22kcalh
−3287.29 kcalh
=17630.70 kcalh
Eficiencia Térmica
η=QA
QS
∗100=32837.29
kcalh
50468.22kcalh
∗100=65.06%
Coeficiente de Transferencia de Calor
U=Q
A Δ T=
50468kcal
h
0.9576m2∗42ºC=1254.82
kcal
hm2ºC
Velocidad de Entrada
A=π4
(0.03m)2 (4 )=0.002827m2
2=0.001414m2
V E=WAρ
=1165.47
kgh
0.001414m2∗996.8kg
m3
=826.882mh
=0.22969ms
Velocidad de Salida
V S=WAρ
=547.8
kgh
0.001414m2∗987.12kg
m3
=392.46mh=0.10902
ms
TABLA DE RESULTADOS.
EVAPORADOR
QA (kcalh
) 49063.2084
Ma (kg/h)
216.046 Qs(kcal
h) 57799.7
Me (kg/h)
93.721 U (kcal
hm2ºC) 1437.1176
Mp (kg/h)
104.968kgh
η84.8%
Mv (kg/h)
108.42 CE (kg/m2h)
97.8696
Mw (kg/h)
547.8ε
0.8639
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
Este tipo de evaporación nos sirve para concentración de jugo de frutas, y para la concentración de productos viscosos.
En la experimentación se utilizó agua, ya que era ilustrativo, pero esto podemos aplicarlo a nuevos procesos y para obtener productos de nuestro interés.
Los evaporadores de un solo pasó y de circulación en la operación la alimentación pasa una sola vez a través de los tubos, desprenden el vapor y sale como líquido concentrado. Son especialmente útiles para el tratamiento de materiales sensibles al calor pues operando a vacío elevado se puede mantener el líquido a baja temperatura durante poco tiempo de contacto.
Los balances no fueron los correctos por que alguna medición tuvimos mal asi que hubo que ajustar los valores la práctica se llevo acabo y en el transcurso purgamos y pudo haber estado ahí el error
http://es.slideshare.net/leo100/evaporacin-f
http://www.sms-vt.com/es/tecnologias/evaporadores.html
http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/Tablas_de_vapor_de_agua.pdf