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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA EAPI. Agroindustrial

LABORATORIO DE OPERACIONES Profesor: Castillo Williams

Alumnos: Avila Gonzales Carlos Carbajal Vega Pamela Paredes Nonato Lars

Nuevo Chimbote – Perú 2015

INTRODUCCIÓN En un evaporador de película descendente, la solución a evaporar fluye rápidamente como una fina película hacia abajo y hacia dentro de la pared del tubo vertical. La vaporización se produce dentro de los tubos por el calentamiento externo de los tubos. El evaporado fluye hacia abajo en paralelo al flujo líquido. El evaporado y el líquido concentrado se separan en la cámara inferior de la calandria y en el cabezal de vapor, donde el vapor y el líquido son segregados por gravedad y/o por fuerza centrífuga. Los líquidos generalmente disminuyen su viscosidad por aumento de la temperatura, lo cual permite aumentar la velocidad de caída y esto da como resultado un equipo que trabaja con bajos tiempos de residencia, factor de importancia al concentrar líquidos extremadamente termo sensibles. Esta propiedad es utilizada para determinar el correcto flujo del producto entre los cuerpos evaporadores, ya que en muchas ocasiones conviene evaporar el producto concentrado en el primer cuerpo para facilitar el flujo y generar un mejor coeficiente de transferencia debido a la menor viscosidad a altas temperaturas. La alta velocidad de circulación del producto en los evaporadores falling film permite responder rápidamente a los cambios en las condiciones de operación y reducir los tiempos de arranque y parada del equipo.

OBJETIVOS Los objetivos que se pretenden conseguir en la realización de esta práctica de laboratorio son: -

Aumentar la concentración del producto de entrada Conocer la operación de evaporación por película descendente y algunas de las variables que

-

influyen en las características del producto final. Realizar balances de materia y energía para encontrar las eficiencias térmicas y de evaporación del sistema.

MATERIALES Y EQUIPOS A. Materiales

AZÚCAR

DEPOSITOS

Equipos

B.

BALANZA

EVAPORADOR DOBLE EFECTO

MARCO TEÓRICO La técnica de evaporación – concentración permite separar la parte acuosa de las sustancias contaminantes de efluentes industriales (disueltas o en suspensión) consiguiendo un destilado totalmente depurado y un concentrado que reduce significativamente los costes de gestión de residuos. El destilado obtenido puede ser incluso reutilizado. El proceso tiene amplio campo de aplicación en la industria farmacéutica, del metal, papelera e industria química entre otros sectores industriales. Evaporación al vacío por agua caliente: estos evaporadores poseen un aporte de agua caliente/fría en circulación forzada e intercambiador de calor de haz de tubos externo a la cámara de ebullición. El calor necesario para la ebullición del agua a tratar proviene del agua caliente que circula por el intercambiador de calor, mientras que la condensación de vapor se consigue gracias al agua fría que circula por el intercambiador de calor que se encuentra encima de la cámara de ebullición. Evaporación al vacío por compresión mecánica del vapor: trata de recuperar el calor latente de condensación del destilado como fuente de calentamiento del líquido a evaporar. La temperatura del vapor generado en la evaporación, se incrementa mediante compresión del propio vapor. De esta manera el vapor sobrecalentado puede se reciclado por medio de un intercambiador del propio evaporador consiguiéndose un doble objetivo: Ahorro de energía para la evaporación y Evitar el medio refrigerante para la condensación (torres de refrigeración, etc.). Existen dos posibilidades, uno que emplea la circulación natural del vapor y otro que mediante un diseño más sofisticado recircula el fluido, creando una película descendente en la zona de evaporación que favorece la destrucción de la espuma y reduce el ensuciamiento. La evaporación con compresión mecánica del vapor es el sistema de evaporación mediante corriente eléctrica de mayor eficacia energética.

Evaporación al vacío por bomba de calor: disfruta del ciclo frigorífico del gas freón, mediante la acción de la compresión del gas que se condensa y cede calor al líquido a evaporar mediante intercambio térmico. Posteriormente se procede a la expansión del gas por medio de una válvula termostática y de la acción de un condensador que refrigera el líquido evaporado y extrae el destilado. El freón discurre en circuito cerrado y hermético. Al estar sometido el reactor de evaporación al vacío, permite evaporar a temperaturas sobre los 40 ºC, por lo que no se precisa ninguna otra fuente de calor no refrigeración convirtiéndose en un proceso muy atractivo desde el punto de vista económico y de gestión.

Este sistema de baja temperatura de evaporación permite una ran diversidad de aplicaciones, incluso para líquidos muy corrosivos mediante aleaciones especiales, sistemas de evaporación hasta residuo seco, líquidos fuertemente incrustantes o que cristalizan, etc. .

RESULTADOS

RESULTADOS DE EVAPORACION DATOS:

ALIMENTACION       

Materia Prima= Solución Azucarada Volumen de alimentación= 9.3 Litros Densidad Absoluta de la mezcla= 1166.9 kg/m 3 Masa de Alimentacion = 9.27 kg Concentracion= 4°Brix Potencia del caldero= 30 kW Tiempo de funcionamiento del caldero= 35 min=2100 segundos

EVAPORADOR 2       

Materia Prima Concentrada que sale= 0.7 Litros Densidad Absoluta de la Materia Prima Concentrada= 1934.43 kg/m 3 Materia Prima concentrada que sale= 1.35 kg Concentracion= 22.5 °Brix Condensado = 3.65 kg Vapor que sale = 3.1 kg A1=A2=0.27m2

BALANCE DE MATERIA: MAlimentacion=Msale1+Vapor producido1 Msale1= Mcsale en el ev2+Mcondensado+Vsale MAlimentacion= Mcsale en el ev2+Mcondensado+Vsale+Vapor producido1 Reemplazando datos: 9.27= 1.35+3.65+3.1+ Vapor producido1

Vapor producido1=1.17 kg Calculando la masa que sale del evaporador 1: Msale1= Mcsale en el ev2+Mcondensado+Vsale Msale1= 1.35+3.65+3.1 Msale1= 8.1 Calculando la concentración de la masa que sale1:

9.27*0.04=8.1*XG1 XG1=4.6%

BALANCE DE ENERGIA: PARA EL PRIMER EVAPORADOR:

Datos: 

Pcaldera= 30 kW o t de funcionamiento.=2100 seg Pcaldera*tiempo de funcionamiento 63000 kJ



D1= 9.275634 kg o Tem. D1= 23.7 °C Por tablas de During a 23.7°C y 4% entonces la entalpia es: o Hd1= 2575.716 kJ/Kg D1*Hd1 23891.39 kJ



G1= 8.14410254 kg o Tem. G1= 99 °C Por tablas de During si el agua ebulle a 99°C la solución de azúcar ebulle a 102.2962°C o Hg1= 8500 kJ/Kg G1*Hg1 69224.87 kJ



D4= 6.52 kg o Presion de entrada= 400 kPa o Tem. D4= 106 °C OBSERVACION: Se puso a 4 bar pero solo se llego hasta 106 °C lo ideal era hasta 143.6 °C; es por eso que se obtuvieron los datos a 106°C o Hsd4= 2685.3 kJ/Kg o Hcd4 444.4 kJ/Kg D4*(Hsd4-Hcd4) 6.52*(2685.3-444.4) 14610.668 kJ



Vapor Producido =1.132 kg o Hproducido= 2689.84 kJ/Kg o Temp.Pierde = 99 °C Vapor producido* Hvapor producido 1.132*2689.84 3039.52 kJ

Calculando el D4 real:

63000+23891.39-69224.87-3039.52=2240.9*D4 D4= 7.88317 kg Calculando el U:

U= 7.88317* 2240.9 U=17665.4 kw/(m2°C) PARA EL SEGUNDO EVAPORADOR:

 

Calor entrante: 3055.859314 KJ G1= 8.14 kg o Concentracion de alimentación = 4.56% o Tem. G1= 99 °C o Hg1= 8500 kJ/Kg G1*hg1 69224.87159KJ



D2= 1.35410254 kg o Concentracion de salida= 22.50% o Tem.D2= 58.7°C Por tablas de During si el agua ebulle a 58.7°C la solucion de azucar ebulle a 62°C o Hd2= 1087.2 kJ/Kg D2*Hd2 1472.180281KJ



D5= 3.69 kg o Concentración= 0% o Tem. D5= 82.5 °C o Hsd5= 2648.7 kJ/Kg o Hcd5= 347.5 kJ/Kg D5*H(s-c)d5 8491.428 KJ



D3= 3.1 kg o Concentración= 0% o Tem. D3= 34.35 °C o Hsd3= 2563.6 kJ/Kg D3*HD3 7947.16 KJ



Qcondensador alimentacion Qc=m*Cp*∆T Hallar: m

m=ρ*V Hallar: V V=Q*tiempo de condensacion Datos: Q= 125 L/h Qc= 0.034722222 L*seg Tc= 2100 seg Reemplazando V= 0.072916667m³ Hallar:ρ ρ del agua a : 1000 kg/m³ ∆T Promedio : 34.35 °C T10(°C): 45.8 °C T9(°C): 22.9 °C Entonces: m= 72.91 kg ∆T = 22.9

°C

Reemplazando: Qc1= 6979.729167KJ Calculando el Calor que se atrapa en el condensador 2: Qc2= 47390.23 kJ Calculando el U2:

U2= 1534.133 kw/(m2°C)

DISCUSIONES En los concentradores de película descendente, la capa de producto debe ser lo suficientemente delgada para permitir un alto coeficiente de transferencia térmica pero se debe evitar la incrustación del producto en los tubos debido a una capa de poco espesor. En algunas configuraciones, dependiendo del producto y la aplicación, el líquido puede ser recirculado al mismo efecto mediante bombas de alto caudal para optimizar aún más la transferencia térmica por la alta turbulencia del producto dentro de los tubos y mejorar el cubrimiento de los tubos evitando el quemado de producto o la formación de incrustaciones. Para evitar esto, el diseño de la olla de distribución del producto, ubicada a la cabeza de cada cuerpo evaporador, es un punto crítico y esencial para el correcto funcionamiento del equipo y la obtención de un producto final de primera calidad. Esto se combina con la utilización de tubos largos de hasta 13 metros de longitud, aumentando el caudal de líquido por tubo ya que así se puede conseguir la misma superficie de intercambio con una menor cantidad de tubos gracias a su mayor longitud. 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. A modo de ejemplo, si alimentamos con 1 kilogramo de vapor vivo un evaporador simple efecto, obtendremos aproximadamente 1 kilogramo de agua evaporada, mientras que si alimentamos un evaporador doble efecto con la misma cantidad de vapor, o sea 1 kilogramo, obtendremos 2 kilogramos de agua evaporada, uno por cada efecto.

Se concluye entonces, que a mayor cantidad de efectos, mayor será el rendimiento de evaporación, lográndose estupendas relaciones de vapor vivo consumido por kilogramo de líquido evaporado. Otra posibilidad de aumentar el rendimiento del evaporador es instalando un sistema de termo compresión de vapores; este proceso constituye un recurso muy utilizado en la actualidad, en donde el vapor generado es comprimido por vapor de alta presión, lográndose un aumento significativo del poder calorífico del vapor resultante o mediante compresión mecánica (para altas capacidades de evaporación). El reuso de vapor permite obtener excelentes economías durante la operación. Por otro lado, el residuo concentrado, que sufre una importante reducción de peso, hace que los costes de gestión de residuos disminuyan cuantiosamente. Además, por lo general, no es necesario

utilizar reactivos químicos, salvo en contadas ocasiones, que se precisa de la dosificación de un antiespumante. Asimismo, los equipos son compactos, prácticos e instrumentalizados, por lo que el seguimiento de su funcionamiento es sencillo, permitiendo llegar a tratar efluentes de hasta 20 m3/h en un solo evaporador. Finalmente, también se debe tener en cuenta que al no haber de calentar el efluente hasta elevadas temperaturas, ya que al trabajar al vacío el agua hierve a 35-40 ºC (en función de la presión de operación), los requerimientos energéticos del evaporador no tienen por qué ser corrientes energéticas de alta calidad y excedentes energéticos de otros procesos serán de utilidad en la mayoría de los casos.

CONCLUSIONES 

La evaporación y concentración al vacío es una de las tecnologías más novedosas y eficaces para la minimización y tratamiento de residuos industriales líquidos en base acuosa. Es una tecnología limpia, segura y con un coste de operación bajo.



En muchos casos se puede obtener un sistema de tratamiento con vertido cero. Esto es muy importante para las empresas con una elevada actividad de impacto ambiental, siendo un paso más hacia la certificación ambiental.

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En definitiva, la aplicación de la evaporación al vacío abre muchas posibilidades en diferentes sectores industriales. En concreto el sector de fabricantes de pinturas tienen como referente a Titán, también en este aspecto.

BIBLIOGRAFÍA -

Zielinska B. (2007) Viscosidad de un líquido o fluido, presentación disponible en

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.http://www.seed.slb.com/qa2/index.cfm. Castillo, M., Borregales, C., Sánchez, M. D. “Influencia de la pectina sobre las propiedades

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