Practica Nº9 Evaporación PDF

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INDICE ..................................................................................................................... OBJETIVOS:............................................................................................................ PROCEDIMIENTO..............................................

Description

INDICE ÍNDICE ......................................................................................................................2

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................3

OBJETIVOS:.............................................................................................................3

TEORÍA.....................................................................................................................4

PROCEDIMIENTO.....................................................................................................8 DIBUJOS Y/O ESQUEMAS......................................................................................9 CONCENTRACION DE DATOS.............................................................................10

CÁLCULOS.............................................................................................................11

RESULTADOS.........................................................................................................13

GRÁFICAS..................................................................................................................

DISCUSION DE RESULTADOS.............................................................................14

CONCLUSIONES...................................................................................................14

BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................14

1I

INTRODUCCIÓN El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. La evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido -a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales. En ciertas situaciones, por ejemplo, en la evaporación de salmuera para producir sal común, la separación entre evaporación y cristalización dista mucho de ser nítida. La evaporación produce a veces una suspensión de cristales en unas aguas madres saturadas. Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha. Sin embargo, en algún caso concreto puede ocurrir lo contrario. El agua salubre se evapora con frecuencia para obtener un producto exento de sólido para la alimentación de calderas, para procesos con requerimientos especiales o para el consumo humano. Esta técnica se conoce con frecuencia con el nombre de destilación de agua, pero se trata en realidad de evaporación.

OBJETIVOS  Realizar el balance global de masa y del componente menos volátil del sistema.  Hacer el balance de energía del sistema y determinar la eficiencia térmica  Determinación de los coeficientes de transmisión de calor en un evaporador de película descendente.

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TEORIA La evaporación es una de las operaciones unitarias claves de la ingeniería química, ya que se utiliza para incrementar la concentración de solidos de soluciones liquidas por eliminación de disolvente por ebullición. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente no volátil. En la mayoría de los casos, la evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. La causa de la evaporación se encuentra en la teoría cinética molecular de la materia. Las moléculas que integran un líquido tienden a escapar de él por efecto de su energía cinética, que lo consiguen sólo aquellas que disponen de la energía suficiente para vencer la atracción de las otras moléculas de líquido. Al perder estas moléculas, la sustancia pierde energía, es decir, se enfría, de modo que para mantener su temperatura y proseguir la evaporación es preciso aportar calor. Los evaporadores operan totalmente a expensas de una transmisión calorífica, y, en gran parte, los distintos aparatos se han desarrollado como un arte, ya que debido al gran número de factores que intervienen, es muy difícil predecir el comportamiento de la transmisión calorífica; se pueden producir, reacciones de precitación, de aglomeración o de polimerización, y un tratamiento inadecuado puede producir un deterioro parcial o total de distintos componentes químicos involucrados en el líquido y de esta forma modificar indeclinablemente las propiedades del mismo. Algunas propiedades que afectan son:

1. Concentración en el líquido. Por lo general, la solución a evaporar es diluida, por lo que su viscosidad es baja, similar a la del agua, y se opera con coeficientes de transferencia de calor altos. Al avanzar la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede aumentar notablemente, causando marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitarlo. 2. Solubilidad. En la mayoría de los casos, la solubilidad del soluto aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solución que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalización Esto limita la concentración máxima de la evaporación que puede obtenerse por evaporación. 3. Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, en especial los alimentos y materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es prolongado. Entre ellos 3

están los materiales farmacéuticos; alimentos como la leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y el tiempo. 4. Formación de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas del material. 5. Presión y temperatura. El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termo sensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vacío. 6. Formación de incrustaciones y materiales de construcción. Algunas soluciones depositan materiales sólidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento, que se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión.

Tipos generales de evaporadores El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor ya sea por agitación o por circulación de líquidos, esto se expresa en los siguientes equipos:

1. Marmita abierta o artesa 2. Evaporador de tubos horizontales con circulación natural 3. Evaporador vertical con circulación normal 4. Evaporador de canasta 5. Evaporador de tubos largos 6. Evaporación de caída de película 7. Evaporador de circulación forzada 4

8. Evaporador de película agitada 9. Evaporador solar de artesa abierta

Entre las aplicaciones a la evaporación están; la concentración de soluciones acuosas de sal, azúcar, hidroxido de sodio, glicerina, leche y jugo de naranja. Los sistemas de evaporadores normalmente constan de: un intercambiador de calor para aportar calor sensible y latente de evaporación al alimento liquido. Para lograr esto se utiiza generalmente vapor de agua. Un separador en el que el vapor se separa de la fase liquida concentrada, un condensador para condensar el vapor producido y una bomba de vacio. En las plantas de proceso existen muchos tipos de evaporadores, cuya clasificación generalmente se basa en el diseño de su intercambiador de calor. Métodos de operación de evaporadores En cualquier operación de evaporación, el costo mas importante del proceso es el vapor de agua consumido. Por lo tanto los métodos que tiendan a reducir este consumo (o de economía) son muy atractivos. Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del liquido en ebullición se condensa y se desecha. Este método recibe el nombre de evaporación de simple efecto. De otra forma; si el calor suministrado en el primer efecto se utiliza para vaporizar al solvente; este vapor, a su vez, se utiliza como medio de calentamiento del siguiente efecto y así sucesivamente, hasta que el vapor generado en el ultimo efecto se envía al condensador, este método de operación en serie es llamado evaporación de múltiple efecto. Es de esperar entonces que la presión en el efecto donde se produzca el calentamiento, tenga una presión inferior que el efecto anterior; normalmente, el primer efecto se encuentra a presión superior a la atmosférica o a la atmosférica y el segundo y los demás siguientes han de estar por ello al vacio. Dada la naturaleza del proceso, la evaporación es una de las operaciones unitarias que requiere un mayor consumo de energía. Es por ello que la evaporación en múltiple efecto es comúnmente utilizada en las industrias químicas ya que es una manera muy efectiva de minimizar el consumo de energía y el agua de enfriamiento empleado en el condensador. Es conveniente señalar que debido a razones económicas, se acostumbra diseñar a estos evaporadores de tal manera que sean del mismo tamaño, es decir, que sus areas de transferencia de calor sean iguales.

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En el estudio de los evaporadores de los evaporadores de multiple efecto, cada uno se denomina “cuerpo o efecto” y se van a numerar siempre en la dirección del flujo del vapor de agua producida. El Evaporador de Película Descendente Este equipo está construido en acero inoxidable, por su funcionamiento, es de un solo paso. Este tipo de evaporador es especialmente útil para materiales sensibles al calor, tales como productos farmacéuticos y alimentos, además se adapta bien para la concentración de líquidos viscosos. Descripción del equipo:

I.

Cuerpo del Evaporador

II.

Condensador

III.

Tanques de Licor, de Condensado y de Alimento.

IV.

Línea de Alimento, de Licor, de Vapor y de Condensado

V.

Servicios: Línea de vacío, vapor y agua de enfriamiento.

VI.

Instrumentación, Válvulas y Accesorios

VII.

Estructura de soporte

I. Evaporador El evaporador esta construido en acero inoxidable, con espesor de 1/8”. Se compone de 2 cavidades cilíndricas, una de 36.9 cm de D ext. y 50 cm de altura y otra de 19 cm Dext y 105 cm de altura que cuenta con un enchaquetamiento para el vapor. El alimento entra por la parte superior del evaporador y cae por las paredes de éste, al tener contacto con la pared enchaquetada el líquido se evapora parcialmente (El vapor producido es arrastrado al condensador) El licor llega a la parte inferior del evaporador y es conducido hacia los tanques receptores de licor a través de una tubería en forma de Y. II. Condensador Es de cuerpo cilíndrico en acero inoxidable, del tipo de tubos verticales y a contracorriente. Consta de un haz de 25 tubos de ¼” Dnom x 99cm de longitud.

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PROCEDIMIENTO Antes de iniciar asegurarse de que se encuentren preparadas para su funcionamiento, la bomba de vacío y la caldera. Después de cargar el tanque de alimentación, aplicar vacío hasta alcanzar la presión preestablecida. Introducir vapor al sistema de tal manera que se mantengan constantes los flujos, temperaturas y presiones correspondientes a la prueba. Terminada la operación se cierra la válvula del alimento, después la válvula de vapor, se deja de aplicar vacío y finalmente el agua de enfriamiento.

1. Poner en servicio la caldera. 2. Prepare 20 kg de solución acuosa de azúcar al 10% en peso. 3. Agitar la solución para lograr una concentración uniforme y medir su densidad y concentración con el refractómetro y colocarla en el tanque de alimentación. 4. Aplicar el vacío hasta la presión preestablecida. 5. Alimentar el vapor, controlando la presión en un valor determinado (0.5 kg/cm2) 6. Alimentar la solución con un flujo constante. Controle flujo en el rotámetro. 7. Alimentar el agua de enfriamiento al condensador. 8. Mida flujo másico del agua de enfriamiento 9. Medir flujo másico del vapor condensado. 10. Mida temperaturas del alimento, licor, evaporado y concentrado. Al inicio de la evaporación como al final, y así obtener los ΔT. 11. Mida presión del evaporador y vacío del aparato y el tiempo de la evaporación. 12. Medir flujo másico de los productos: licor y agua condensada y sus concentraciones.

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DIAGRAMAS Y/O ESQUEMAS

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CONCENTRACION DE DATOS

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CÁLCULOS En el evaporador: Pevap = Pman + Patm = (0.5kg/cm2) + (0.84atm) = = 49kPa + 85kPa = 134kPa De tablas de vapor saturado, a 134kPa la T=108°C y h0=450kJ/kg ; H0=2687kJ/kg q=UA ∆ T =V (H 0 −h0 )

q=V ( H 0−h 0) =

(

)

6.342 kg kJ kJ 2237 =11.82 60 s Kg s ∗20 min 1 min

A=2 π rL=2 π ( 0.095m ) ( 1.05 m ) =0 . 628 m

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U=

11.82 q kW = =. 4953 2 A ∆ T 0.628∗(108−70) m K

Eficiencia=

V 6.342 Vapor producido = = ∗100=64 . 2 % Vapor suministrado S 9.8844

En el condensador: q=mC p ∆ T 10

q=M C p ∆ T =

U=

(

)

9.257 kg kJ kJ 4.184 ( 66 −56.5 ) °C =.3066 60 s kg ° C s ∗20 min 1 min

q Atubos ∆ T ml

A tubo =Ph

A tubo = (0.003175 m∗2 π )( 0.99 m ) =0.197 m por tubo 2

A total=0.197 m2 (25 tubos )=0.494 m2

∆ T ml=

( 108−70 ) ° C− ( 66−56.5 ) ° C =20 . 6 °C (108−70 ) ln (66−56.5)

kJ .3066 kW s q =. 0301 2 U= = 2 Atubos ∆ T ml ( 0.494 m ) ( 20.6 )° C m °C

RESULTADOS

DISCUSIÓN DE RESULTADOS En nuestros resultados podemos observar claramente que en lo que obtuvimos una fuente grande de calor es necesario en el evaporador ya que es mayor al que se necesita en el condensador, por lo tanto, teóricamente el U real de el evaporador es mayor que el U real del condensador, cosa que experimentalmente es cierta según nuestros resultados. CONCLUSIONES Con esta práctica se obtuvo un buen conocimiento sobre la operación unitaria llamada evaporación y su uso como proceso de separación; en nuestro caso, el producto importante fue el licor obtenido (una sustancia acuosa con una mayor concentración de azúcar), sin dejar de dar por entendido que en nuestra vida profesional podría ser el agua separada nuestro producto importante. Por otro lado, y en el caso muy particular de este equipo con el que se trabajó, se concluyó que la diferencia de los calores demandados por el evaporador y el condensador se debió a que este último podría tener ya una cantidad importante de incrustaciones, lo que se traduce en una resistencia adicional por parte del condensador para llevar a cabo su labor. 12

BIBLIOGRAFÍA 1. Badger Walter/Banchero julius. (1984) introducción a la ingeniería química, México: editorial Mc graw hill. 2. Edgar, T.F Himmelblau, D.M (1989) Optimization of chemical processes, NY, USA: Editorial McGraw Hill 3. Geankoplis, Ch. J. (2004) Procesos de transporte y operaciones unitarias 3 ᵃ Edicion, Mexico: Editorial CECSA.

4. McCabe, Operaciones Unitarias en Ingeniería Química

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