Evaporador de Simple Efecto del Tipo de Circulación Forzada con Recirculación

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Departamento de Ingeniería Química Industrial

Academia de Operaciones Unitarias

Laboratorio de Operaciones de Separación

Práctica 2. EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN FORZADA CON RECIRCULACIÓN

Prof. Baldemar Martínez Hernández

Alumno. García Contreras Francisco Javier

Grupo 6IM3

Equipo 5

Sección 2

México D.F. A 17 de marzo del 2011

CONSIDERACIONES TEÓRICAS

Los Evaporadores de Circulación Forzada permiten conseguir mayores grados de concentración, ya que puede mantenerse una elevada velocidad de transmisión de calor a pesar del incremento de viscosidad experimentado por el líquido.

Este sistema permite tratar líquidos que depositen incrustaciones, ya que éstas pueden ser eliminadas de la superficie calefactora debido al movimiento del líquido. Como los costes de bombeo aumentan

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aproximadamente con el cubo de la velocidad, el coste adicional de este tipo de unidad puede en antieconómica; pero hay muchos evaporadores de circulación forzada funcionando con una velocidad de líquido a través de los tubos de 2 a 5m/s, lo que significa un notable aumento con respecto a la circulación natural.

Cuando debe utilizarse acero inoxidable o aleaciones caras como por ejemplo el Monel, La circulación forzada se ve favorecida ya que estas unidades pueden construirse mas pequeñas y baratas que las de circulación natural. En el tipo mostrado en la segunda figura existe una bomba de circulación externa; ésta suele ser centrífuga cuando hay presentes cristales, pero en ausencia de los mismos pueden utilizarse del tipo paletas. El líquido es introducido por el fondo y bombeado directamente a través del elemento calefactor, o bien puede introducirse en la unidad de separación.

En la mayor parte de las unidades, la ebullición no tiene lugar en los tubos, ya que la carga hidrostática de líquido aumenta el punto de ebullición por encima del que existe en la cámara de separación. El líquido entra por el fondo de los tubos y es calentado a medida que se eleva por los mismos, al mismo tiempo que disminuye la presión. En el separador, la presión es suficientemente baja para que tenga lugar la ebullición. Los evaporadores de circulación forzada trabajan bien con materiales tan diversos como extractos de carne, sal común, sosa caústica, alumbre u otros materiales que cristalicen, colas, alcoholes, substancias formadoras de espuma.

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DATOS EXPERIMENTALES

P manométrica de vapor 0.8 Kg/cm2T de alimentación 19 ºCVacío en el condensador 30 "Hg

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 D del tanque

(m)T (ºC)

t de op (seg)

DH(cm)

MA Kg/h 0.596 65    MP Kg/h 0.346 74 300 2.75

E Kg/h 0.346E Ec.

300 472 34

MV Kg/h 0.402Mv Mvc

300 3.9106  

MAGUA Kg/h

0.56t entrada t salida

30 5.519 32

MR Kg/h  t e

calandriat s

calandria    65 74

CÁLCULOS

EVAPORADOR

1. Balance de Materialesa. Gasto Masa del Agua

b. Gasto Masa de Evaporado

c. Gasto de Masa de Producto

d. Gasto Masa de Alimentación

e. Gasto Masa de Vapor

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2. Cálculo del calor cedido (Qs)

3. Cálculo del calor ganado o absorbido (Qt)

4. Cálculo del calor no absorbido

5. Eficiencia

6. Cálculo del área de transferencia de calor

7. Cálculo de la diferencia de temperatura

8. Coeficiente Global de Transferencia de Calor

9. Cálculo del área de Flujo

10.Gasto Masa de Solución Recirculada

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11.Cálculo de Velocidad Media

12.Tiempo de residencia

EN EL CONDENSADOR

13.Calor Suministrado por el solvente evaporado

14.Calor aprovechado (Qt)

15.Calor no aprovechado

16.Eficiencia Térmica

17.Coeficiente Global de Transferencia de Calor

18.Economía

19.Capacidad Evaporativa

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20.Capacidad de Transferencia de Calor

MA 75.25 kg/hr Qs 30501.60 Kcal/hr e 78.90 %MP 30.28 kg/hr Qt 26219.28 Kcal/hr CE 46.96 kg/hm2

E 44.97 kg/hr Qns 4282.32 Kcal/hr Cq 27381.42 kcal/hm2

MV 56.99 kg/hr Eficiencia 85.96 % q 22.43 segAgua 1632.20 kg/hr U 750.18 Kcal/hm2ºC n 407.65 m/hr

Qs 28838.24 Kcal/hr Qns 7619.61 Kcal/hrQt 21218.62 Kcal/hr U 692.47 Kcal/hm2ºCEficiencia 73.58 % A transf 0.96 m2 FJGC

Tabla de ResultadosEvaporador

Condensador

OBSERVACIONES

La eficiencia de nuestro evaporador es de un 85% esto debido a dos factores el primero al uso y segundo a que nuestra solución fue agua. Es importante señalar que sería bueno analizar el equipo a diferentes condiciones de Operación con el fin de poder analizar su comportamiento a diferentes presiones de vapor y así poder definir una mejor forma de utilizarlo.

Se llevó a cabo sólo una corrida. Todo se realizo a régimen permanente

Durante la operación del equipo pudimos observar una pequeña fuga de vapor que existe en el medidor de nivel conectado al evaporador.

La Eficiencia de nuestro condensador da como resultado un 73%, esto debido a que la transferencia de calor viene dada por el evaporado y no tiene la misma temperatura que nuestro vapor, por lo que la transferencia de calor se lleva a cabo de forma más lenta debido al gran flujo de agua de enfriamiento que utilizamos.

En este caso no calculamos ninguna concentración de algún soluto común del agua, así que eliminamos el cálculo de Xa y Xp

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CONCLUSIONES

El evaporador de Circulación Forzada es un equipo utilizado en la industria sobre todo en aquellas que utilizan sustancias muy viscosas, esto debido a que este tipo de equipos no compensan el coste que tienen al trabajar con sustancias muy poco viscosas. Este coste alto se debe a que los materiales de construcción de un evaporador de c. forzada tienden a ser metales caros.

Este tipo de evaporadores tienen una característica muy particular, la cual es que al operar con velocidades muy altas, el tiempo del líquido en los tubos es muy corto. Es por esto que pueden llegar a utilizarse en líquidos que sean moderadamente sensibles al calor, así como soluciones espumantes o soluciones salinas.

Además, este tipo de evaporadores tienden a conseguir mayores grados de concentración y una elevada velocidad de transmisión de calor. Sería muy bueno poder comparar el equipo con los otros que existen. La eficiencia del evaporador fue de 85% para nuestra corriente de agua pura. La eficiencia del condensador fue de 73.6%.

Es importante señalar que otra de las particularidades de este equipo es que la ebullición del evaporado no se da dentro del equipo, sino se da en el separador ciclónico a través de la diferencia de presión que existe entre el evaporador y el separador. En pocas palabras se lleva a cabo por medio de un flasheo en el separador.

Así, podemos decir de forma clara que hemos podido observar el funcionamiento completo del equipo y que la experimentación ha sido satisfactoria.

BIBLIOGRAFÍA

Evaporador de Simple Efecto del Tipo de Circulación Forzada con Recirculación

Ingeniería química: operaciones básicas. Unidades SI. J. M. Coulson, J. F. Richardson, J. R. Backhurst, J. H. Harker, Editorial Reverté, Tercera edición, Barcelona 1981

Evaporación en la industria. Ing. Sierra Ochoa Alberto.

Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Alberto Ibarz Ribas, Ediciones mundi-prensa, Madrid 2005

CUESTIONARIO

1. ¿Cómo se determina el tiempo de residencia de la solución dentro de los tubos del evaporador de circulación forzada?

EL tiempo de residencia se obtiene a través de dividir la longitud de los tubos entre la velocidad media

2. Mencione 3 ejemplos de soluciones que se pueden concentrar en un evaporador de este tipo

Sosa Cáustica Soluciones espumantes

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Soluciones salinas

3. ¿Qué tipo de ebullición se efectúa en este tipo de evaporadores?

Ocurre una ebullición por flasheo en líquido dentro de la cámara de flash, es decir, en el separador ciclónico.

4. ¿Cómo varía la velocidad de circulación de la solución en este tipo de evaporadores?

En este tipo de evaporador la velocidad de circulación es mayor debido a la bomba que se emplea en solución que se recircula

5. ¿En qué parte del evaporador se efectúa la ebullición y por tanto el cambio de fase de la misma?

La evaporación se lleva a cabo en el separador ciclónico afuera del evaporador, esto sucede por la diferencia de presiones que existen entre el separador y el evaporador

6. ¿Por qué no es necesario precalentar la solución diluida que se va a concentrar?

Porque la solución diluida se está recirculando dentro de la calandria una y otra vez y al mezclar la solución diluida añadida con la masa de recirculación, alcanza una temperatura casi de ebullición

7. ¿Según la secuencia de operación del equipo en qué momento se alimenta el vapor?

Se alimenta el vapor después que el agua de enfriamiento esta lista en el equipo

8. Cuando se presenta un cambio de fase de la solución hay un desprendimiento de gases no condensables y estos se extraen a través de:

Se extraen a través del tubo que sale del segundo cuerpo de condensación, que está conectado con la bomba de vacío

9. La ubicación del separador por arriba de los tubos de la calandria, ¿sirve para evitar qué?

Que la solución ebulla dentro de la calandria.

10.¿Cómo se logra que la Temperatura de alimentación de la solución casi alcance la temperatura de ebullición?

Precalentando la solución en el tanque de alimentación y a través del mezclado de la solución diluida con la recirculación

11.¿Cómo afecta la bomba de recirculación el espesor de película del lado de la solución?

Disminuye el espesor de película a través de la velocidad suministrada por la bomba de recirculación

12.¿Cómo se afectan las propiedades de la solución al pasar ésta “n” veces por el área de transferencia de calor?

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La temperatura aumentará constantemente hasta alcanzar un régimen permanente

13.¿Qué porcentaje de la inversa del coeficiente individual del lado del líquido representa sobre el valor del coeficiente de transferencia de calor?

El coeficiente individual del segundo intercambiador de calor, su porcentaje, es menor, ya que en el primer intercambiador es donde el evaporado se condensa y en este segundo se disminuye su temperatura, por lo que solo se transfiere calor sensible y la transferencia de calor es menor.

14.¿Qué tipo de calor se intercambia durante el recorrido de la solución por el interior de los tubos?

Se intercambia calor latente del vapor

15.¿En qué momento se tiene la seguridad de que el equipo se encuentra a nivel máximo de carga?

Cuando se encuentra llena la recirculación y empezamos a tener nivel en el tanque de producto

16.¿Cómo es la temperatura de la solución en la línea de recirculación (antes del mezclado) con respecto a la de tanque de producto?

Es menor la temperatura de recirculación que la temperatura de producto