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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN I “REPORTE DE PRÁCTICAS” Laboratorio de operaciones de separación I Alumno: Torres Ortiz Eduardo Grupo: 6im3 Reporte de prácticas Profra. Hortensia Dávalos INSTITUTO POLITÉCNICO N...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN I “REPORTE DE PRÁCTICAS”

Laboratorio de operaciones de separación I

Alumno: Torres Ortiz Eduardo

Grupo: 6im3

Reporte de prácticas

Profra. Hortensia Dávalos

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN I “REPORTE DE PRÁCTICAS”

PRACTICA No. 1 EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO DEL TIPO DE CIRCULACIÓN FORZADA CON RECIRCULACIÓN.

Objetivos: Que el alumno al término de las sesiones correspondientes al estudio de este equipo sea capaz de:  Explicar el funcionamiento del Evaporador de Simple Efecto de Circulación Forzada.  Operar el equipo realizando cambios en las variables que puedan ser controladas a voluntad del operador.  Analizar los efectos de los cambios de las variables y como lograr un aumento en la capacidad de producción.

Introducción teórica: EVAPORACION Evaporación es una operación de la Ingeniería Química, que consiste en separar parcialmente el solvente de un la solución formada por un soluto no volátil, calentando la solución hasta su temperatura de ebullición. Su objetivo es concentrar soluciones, evaporando parte del solvente: generalmente lo que se evapora es vapor de agua saturada, el cual al condensarse en una superficie metálica, transmite su calor latente a través de la pared metálica que separa el vapor de calentamiento de la solución que se esta concentrando. EQUIPOS UTILIZADOS EN EVAPORACION Los evaporadores son cambiadores de calor, en los cuales el medio de calentamiento es el vapor de agua saturado que transmite su calor latente al condensador a la presión de saturación con la que entra al evaporador. La solución que se va a concentrar recibe el calor, aumentando su temperatura hasta que se inicie la evolución y se produce la evaporación. El vapor producido debe eliminarse continuamente para mantener una presión interior constante. El liquido que se concentra debe eliminarse también con1inuamente para obtener una solución a la concentración deseada. EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA. Entre los diseños mas importantes están los siguientes:  Tubos largos verticales, solución dentro de tubos.  Tubos largos horizontales, solución dentro de tubos  Tubos cortos horizontales, solución fuera de tubos.  Tubos largos Inclinados, solución fuera de tubos. En estos tipos de evaporadores la ebullición de la solución no se efectúa dentro de los tubos; esta temperatura se calcula a la presión del espacio de vapor ya la concentración final de la solución. La solución se recircula por medio de una bomba centrífuga de gran capacidad, haciendo pasar por el interior de los tubos a alta velocidad

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saliendo al espacio de vapor en don de se mantiene una baja presión y ahí es donde se produce la evaporación instantánea, La solución diluida se introduce en el tubo de recirculación des pues de la bomba centrífuga y el producto solución concentrada se obtiene del tubo de recirculación antes de la bomba centrífuga. La circulación forzada imparte una gran velocidad de la solución por el interior de los tubos por ¡o que necesita una cierta energía potencial, la cual se convierte a energía cinética, al cambiar la velocidad de la solución a la salida de los tubos; y por efecto del calentamiento de la solución al pasar por los tubos y por la perdida de presión al salir de los tubos, la solución hierve instantáneamente, transformando su calor sensible a calor latente que adquiere el agua evaporada que se produce en el espacio vapor del evaporador . Para que la evaporación continúe produciéndose con rapidez hay que eliminar el vapor tan rápido como se forma. Por este motivo, un líquido se evapora con la máxima rapidez cuando se crea una corriente de aire sobre su superficie o cuando se extrae el vapor con una bomba de vacío. 1.- TABLA DE DATOS DE CONDICIONES DE OPERACIÓN:

Presión manométrica del vapor (Kg/Cm2)

0.7

Temperatura de alimentación (°C) Vacío en el condensador (mmHg.)

Kgf cm 2

25 ºC 350 mmHg

2.- TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES:

MA (Kg./h) Solución diluida Mp (Kg./h) Solución concentrada E (Kg./h) Solvente evaporado Mv (Kg./h) Vapor de agua de caldera MH2O (Kg./h) Agua de condensación MR (Kg./h) Masa de recirculación

Diámetro del tanque (m)

Temperaturas (ºC)

Tiempo de operación (min)

Diferencias de altura de nivel (cm)

0.596

25

15

13.5

0.346

67

15

23.5

15

17.2

15

17.1

0.5

8.6

E 67

Ec 48

0.346 Mv 110

Mvc 44

0.402

0.56

tentrada

tsalida

25

36

tentrada de la calandria

tsalida de la calandria

65

71

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3.- SECUENCIA DE CÁLCULOS: BALANCE DE MATERIALES.

Masa de la solución diluida

MA 

0.785 D 2A  A h A



hA  13.5cm  0.135m

3 g  1kG  100 cm 3  Kg    996.5 3    A a 25 °C= 0.9965 3  3    cm  1000 g  1m m 

Kg  2  0.785 0.596m   997.302 3  0.042m  kg  60 min  kg m    2.5 MA   =150  hr 15 min min  1h  Masa de la solución concentrada

MP 

0.785 Dp 2 (  P ) (h P )



h p  23.5cm  0.235m

3 g  1Kg  100 cm 3  Kg    978.8 3   P a 67º C  0.9788 3  3  cm  1000 g  1m m 

MP 

0.785 (0.346m) 2 (978.68 15 min

Masa del evaporado

ME 

0.785 DE 2  E  hE  

hE  17.2cm  0.172m

 E a 67º C  978.8

Kg m3

Kg ) (.235m) kg  60 min  kg m3  1.4411    86.466 hr min  1h 

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ME 

0.785 0.3462  978.8 Kg3  .172m m   15 min

 1.055

Kg  60 min  Kg   63.3  min  1h  h

Del balance de metería general.

M A  Mv  M E  Mp  Mc … (1) Balance de vapor

Mv  Mc …(2) Sustituyendo 2 en 1 y despejando MA

M A  M E  Mp

M E  M A  Mp M E  150

Kg Kg Kg  86.466  63.543 h h h

Balance de calor

M A H A  MvHv  M E H E  MpHp  McHc MvHv  Mvv  McHc Mvv  MvHv  McHc MvHv  M E H E  MpHp   M A H A

H A  Cpt A Hp  Cptp

H E  H E a t ev  CpEPE

Kcal 25  0ª C  25 Kcal Kg Kg º C Kcal 67  0º C  67 Kcal Hp  1 Kg Kg ª C Kcal Kcal H E a 67º C  626.1  0.5(0)  626.1 Kg Kg HA 1

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Calor absorbido

QA  M E H E  MpHp  M A H A Q A  63.3

Kg  Kg  Kcal  Kcal   Kcal  Kcal  Kcal   41675.352  25   150  67    86.466  626.1 h  Kg   Kg  Kg  h  Kg  h

Calor suministrado

QS  MV V  0.785 DV2 V hV   M V      Kg v a 44º C  990 3 m Kg   2  0.785 (0.4026m) ( 990.4 3 ) ( .171m)  m   1.433 kg  86 kg MV    15 min min h    

V a 110º C  532.6 QS  (86

kcal kg

kg kcal kcal )(532.6 )  45803.6 h kg hr

Calor perdido

QP  QS  QA QP  45803.6

kcal kcal kcal  41675.352  4128.25 hr hr hr

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Calculo de U

Q A U A T Kcal Q kcal h  1038.019 2 U A  2 A T (0.9575m )(41.928C ) hm C 41675

T 

t1  t 2 45º C  39º C   41.9284C t1 45 º C ln ln 39º C t 2

t1  tVS  t e Sol'n  110  71  39C

t 2  tVS  t s Sol'n  110  65  45C

A   D L nt (m 2 )   0.032.554  0.9575m 2

L  2.55 m D  3 cm  0.03 m

nt  Número de tubos  4 tubos Factor de economia.

 



E Kg. de evaporado  M V Kg. vapor utilizado

Kg h  0.7664 Kg . de evaporado  kg Kg . vapor utilizado 82.596 h 63.3

Capacidad evaporativa.

CE 

E Atransf. de calor

Kg h  65.84 Kg . de evaporado  0.9613m 2 h. m 2 63.3

Atransf. de calor   D L nt   0.032.554  0.9613m 2

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Capacidad de transferencia de vapor.

CQ  CQ 

QA Atransf. de calor

 U T

Kcal h  43353.1176 kcal 2 0.9613m hm 2

41675.352

Eficiencia térmica.

t 

QA x 100 QS

Kcal h x 100  91 t  kcal 45803.6 hr 41675.352

Calculo de la velocidad a la entrada de los tubos de la calandria “Ve”

Q A  M R Cpt MR 

QA Cpt

MR 

41675.352

1

Ve 

Kcal h

Kcal * 71  65º C Kg º C

A flujo  p  MR



 6945.892

Kg h

Kg h

0.002826m  979.459 Kg 

 a 68º C  979.459

6945.892 2

m3 



Kg m3

 2509.3189

A flejo  0.785D 2 nt   0.7850.03 4  0.002826m2 2

m  1h  m   0.69  h  3600s.  s

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Velocidad a la salida de los tubos de la calandria.  Como se trata de el mismo liquido y no hay cambio de fase la velocidad va a ser la misma a la entrada y a la salida, por lo tanto:

Vs  0.69

m s

Tiempo de residencia.

Vmedia 

t residencia 

Ve  Vs 0.69  0.69 m   0.69 s 2 2

Ltubos 2.54m   3.68s m Vmedia 0.69 s

4.- Condensador. Calculo suministrado por el solvente

QC  E  E QC  (63.3

Kg kcal kcal )(559.1 )  35391.03 h kg h

Donde :

 E  Calor latente del evaporado @ TEvaporado66ºC .  559.1

kcal kg

Calor transferido al agua.

Q A H O  M H 2O Cp H 2O (TSalida  TEntrada ) H 2O

kcal Kg   Kcal   (36 - 25)º C  27871.8 1 Q A H O   2533.8  2 h h   Kg   Cp H 2O 1 Kcal Kg. 2

M H 2O 

0.785 DH2 2O  H 2O hH 2O

  996.9 M H 2O 



Kg m3 Kg )(0.086m) kg  60 min  Kg m3  42.23    2533.8 h 0.5 min min  1h 

0.785 (0.56m) 2 ( 996.9

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Calor perdido.

Qs  Q A  Qc  1239223  35391.03  93832.77

Kcal h

Eficiencia térmica.

Kcal Q h  78 t  A  Kcal Qc 35391.03 h 27871.8

Fuerza impulsora a la transferencia de calor.

t  76  25  51º C Coeficiente global de transferencia de calor.

U

QA Atc T

Kcal kcal h  1317.902 U 2 (1.9226m )(51º C ) hm 2 C 129223.8

Atc  2 x A de la calandria .  2  0.9613  1.9226m 2

La velocidad de agua de condensación

v H 2O 

M H 2O

A flujo  H 2O

Kg m  1h  m h v H 2O   1793.2059    0.4981 1.413E  3m 1000 h  3600s  s 2533.8

A flujo  0.785 D 2 nt

A flujo  0.785  0.03 2  2  1.413E  3

D  3 cm  0.03 m

nt  2 tubos

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5.-Tabla de resultados.

Kg/hr

MA MP

QA Kcal/h

QS Kcal/h

Qp kcal/h

CE(kg/hm2) CQ(kcal(hm2)

ε

U Kcal/hm2ºC

150 86.466 41675.4 45803.6 4128.25 1038.019

E

0.7664

65.84

63.3 91%

Ve(m/s)

Vs(m/s)

0.69

0.69

Condensador

MH2O kg/hr

QC Kcal/kg

QH20 Kcal/kg

Qs Kcal/h

ηt

U

VH20(m/s)

2533.8

35391.03

27871.8

9383.2

78%

1317.902

0.4981

43353.12

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CONCLUCIONES: Ya que este tipo de evaporadores cuanta con una recirculación se va a generar una presión hidrostática dentro de los tubos, lo cual va generar que la ebullición sea dentro del separador y no dentro de los tubos como en el caso de los evaporadores de circulación natural; este proceso que se lleva a cabo dentro del separador se llama flasheo, lo cual se genera por una diferencia de presiones generada al mantener el separador un poco mas arriba que la calandria, este flasheo también es generado gracias a que la recirculación esta viene con una temperatura mayor del separador calentando a la solución fresca. La presión hidrostática es generada por la columna hidrostática que se forma al recircular la solución y se junta con la solución de alimentación fresca, posterior mente es alimentada a la calandria para así repetir el proceso de flasheo y de recirculación. Este tipo de equipos es más utilizado cuando se quiere concentrar soluciones alcalinas como el NaOH, el inconveniente es que al utilizar este tipo de sustancias se puede generar con mayor facilidad incrustaciones en los tubos y disminuir su capacidad de transferencia de calor, en nuestro caso el equipo lo acababan de limpiar, por lo cual, al realizar la práctica nos genero una eficiencia muy elevada del 99%, pero claro que este no es el único factor por lo cual la eficiencia es alta, también influyo el manejo del equipo y el tipo de solución con el que trabajamos.

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PRACTICA No. 2 EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO DE CIRCULACIÓN NATURAL DEL TIPO DE PELÍCULA ASCENDENTE-DESCENDENTE.

Objetivos: Qué el alumno al término de las sesiones correspondientes al estudio de este equipo experimental sea capaz de:  Explicar el funcionamiento del evaporador de Simple Efecto con Circulación Natural del tipo de Película Ascendente-Descendente.  Operar el equipo realizando cambios en las variables que pueden ser controladas a voluntad del operador.  Analizar los efectos de los cambios de las variables y como lograr un aumento en la capacidad de producción.

Introducción teórica: EVAPORADOR 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. Estas ventajas se pueden resumir de la siguiente forma: Alta eficiencia, economía y rendimiento. Alta flexibilidad operativa. Altos coeficientes de transferencias térmicos. Capacidad de trabajar con productos termosensibles 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.

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Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que esta 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. 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. EVAPORADOR DE CIRCULACION NATURAL En un evaporador de circulación natural se distribuyen u...