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Laboratorio de Procesos II INFORME DE EVAPORACIÓN

Anyely Carolina Bohada Orjuela Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga [email protected] Cindy Marcela Comas Toscano Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga [email protected] Camila Margarita Ramírez Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga [email protected] Edison Granados Avellaneda Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga [email protected] Jonathan Ayala León Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga xxxxxxxx

Resumen La evaporación es una operación unitaria en la cual, mediante adición de energía a una solución, se pretende en principio hacer que el solvente de este alcance el punto de ebullición separándolo, en forma de vapor, de forma parcial para obtener una solución más concentrada o lograr la separación completa de solvente y soluto. En este informe se pretende hacer una introducción al fenómeno de la evaporación, las leyes que lo rigen, también los balances de masa y energía involucrados en el proceso, también se presentan los cálculos y resultados de la práctica.

Abstract Evaporation is a unit operation in which by adding energy to the solution, it is intended in principle to the solvent of this reach the boiling point separating, in vapor form, in part to obtain a more concentrated solution or achieve complete removal of solvent and solute.

This report is intended to provide an introduction to the phenomenon of evaporation, the laws that govern it, also the mass and energy balances involved in the process, calculations and practical results are also presented.

Objetivo General Conocer el proceso de evaporación y los principios que lo rigen, así como su importancia en la industria.

Objetivos Específicos

  

Conocer el equipo de evaporación dispuesto en los laboratorios, y su funcionamiento. Concentrar una solución de agua-panela mediante evaporación de efecto simple o de una sola fase. Estimar los balances de masa y energía, y las pérdidas de las mismas en el proceso.

1. Marco teórico Evaporación. Se entiende como el cambio de fase de líquido a solido mediante la adición de calor. Dicho cambio no significa lo mismo que ebullición, siendo el segundo la evaporación en la temperatura de ebullición. Para el caso de estudio de esta práctica se define la evaporación como la operación unitaria -mediante la cual se logra la separación de soluto del solvente o la obtención de una solución más concentrada-que involucra un cambio de fase del solvente, de líquido a vapor, por acción de adición de calor, es decir que existe transferencia de energía y asociada también una transferencia de masa [1]. Esta operación es utilizada en la industria para remover agua de productos líquidos y obtener productos más concentrados [2].

Balance de masa global [2] F= V+L

Balance de masa por componentes [2] F*xF = L*xL + V*yV

Balances de energía [2] F*hF + S*λ = L*hL + V*hV q = U*A*(Ts-T1) = S*(Hs-hs) = S* λ

Dónde: F= Cantidad de masa total de entrada V= Cantidad de masa total de vapor L= Cantidad de masa total de fase liquida xF, xL, yV= porcentaje en peso de soluto hF= Entalpia de alimentación λ = Hs-hs hL= Entalpia de líquido concentrado hV = Entalpia de vapor a T1 hS = Entalpia de condensado a Ts HS = entalpia del vapor saturado a Ts q= Cantidad de calor transferido U= Coeficiente global de transferencia de calor A=Área del intercambiador de calor T1= Temperatura de entrada TS= Temperatura de saturación

1.1.

Evaporador de efecto simple

Es la forma más sencilla de equipos de evaporación en la cual solo hay una etapa para la evaporación. Este tipo de evaporador es conveniente cuando la cantidad de

alimento es pequeño y no se requiere una alta concentración final, además de su bajo costo de funcionamiento y mantenimiento comparado con arreglos más complejos. [6]

Figura 1. Evaporador de efecto simple

2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1 MATERIALES Y REACTIVOS › › › › › › ›



Probeta Cronómetro Baldes Guantes Termómetros Panelas (10) Refractómetro

Recipientes y Probeta

Figura 2. Recipientes y probeta



Termómetro

Figura 5. Refractómetro



Figura 3.Termómetro



Tanque de alimentación Condensador

Figura 4.Tanque de Alimentación



Refractómetro

Fig 6.Condensador

3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y PROCEDIMIENTO 3.1 Descripción del equipo El equipo disponible en el laboratorio de la universidad es un equipo de efecto doble como el que se muestra en la figura 7, pero para efectos de la práctica se trabajara en efecto sencillo, es decir en una sola etapa que consta de un tanque de alimentación donde se deposita inicialmente la solución a concentrar; un intercambiador de calor que funciona con vapor de baja suministrado por la caldera del laboratorio; un condensador, válvula de paso de vapor válvula de paso de agua de enfriamiento, manómetro, termómetro; todo esto dispuesto como muestra la figura 7.

Figura 7. Evaporador utilizado

3.2 Procedimiento 1. Días antes de la práctica se entregaron 10 panelas a los técnicos de laboratorio, quienes se encargaron de elaborar la solución a evaporar. 2. Con la información necesaria y recomendaciones a seguir para el correcto desarrollo de la práctica suministrada por los técnicos, se encendió el evaporador. 3. Se fijaron los parámetros y variables de operación, donde en este caso la presión se mantuvo constante. 4. En varias oportunidades se tomaron tiempos y volúmenes del agua de enfriamiento, con el fin de determinar el caudal de operación. 5. Se registró la temperatura del agua de enfriamiento en cada una de las mediciones. 6. Seguido se registró el tiempo transcurrido para obtener un volumen de 6 litros de condensado en los baldes. (Se repitió este paso hasta alcanzar un nivel mínimo). 7. Se registró la temperatura de cada una de las muestras del condensado. 8. Cada 10 minutos se tomaron muestras de concentrado en frascos debidamente enumerados para después ser analizadas. 9. Las muestras de concentrado se tomaron hasta que se alcanzó el nivel de solución en el tanque indicado por el técnico. 10. Se midió el volumen total de concentrado final (melaza). 11. Se midieron los grados brix de cada una de las muestras de concentrado tomadas.

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. Cálculo del caudal de agua de enfriamiento:

Q=

[ ]

V m = t s

Donde: V= volumen t= tiempo. Muestra 1 2 3 Promedio

Volumen (ml) 3555 3550 3800 3568,3

Caudal= 223 ml/s

2. Cálculo de la energía entregada por el vapor

Tiempo (s) 15,9 15,74 16,36 16

Qv =m v∗(h ventrada−hvsalida )

mv

= masa del vapor [Kg]

h ventrada = entalpia de entrada del vapor [KJ/Kg] h vsalida = entalpia de salida del vapor [KJ/Kg] Cálculo de la masa del vapor

l∗971,60 g ∗kg l mv =54 1000 g mv =52,46 kg

Leyendo las entalpias de tablas de vapor saturado, esto debido a la suposición que el vapor va a estar saturado cuando entra al sistema y que el agua que se condensa sale como agua saturada:

h ventrada=2630 [ kJ /kg ]

h vsalida=302,72 [ kJ /kg ]

Qv =52,46 kg∗(2630 [ kJ / kg ] −302,72 [ kJ /kg ] )

Qv =122105,94 kJ Cálculo de la ganancia de energía por parte del vapor de la muestra. ��=��∗(ℎ��������−ℎ�������) Donde Qm [=] calor de la muestra; �� [=] es la masa de la muestra; ℎ�������� [=] entalpía de la muestra en la entrada; ℎ������� [=] entalpía de la muestra en la salida.

Masa de la muestra:

mm=976

[]

g 1 kg ∗36 l∗ l 1000 g

(

)

mm=35,15 kg Leyendo las entalpias de tablas de vapor saturado: ℎ��������= 2533,78 kJ/kg ℎ������� =121,565 kJ/kg ��= 35,15 kg

∗ (2533,78 kJ/kg −2533,78 kJ/kg) ��= 85492,4 kJ

3. Calculo de las pérdidas de calor del tanque de almacenamiento con el ambiente:

Qamb=Qv −Qm Donde:

Qamb=Calor transferido al ambiente Qamb=122105,94 kJ −85492,4 kJ Qamb=36612,5 kJ

5

En el condensador el calor cedido por la muestra es el aprovechado por el agua de enfriamiento.

magua=Qagua∗t∗ρagua Donde:

magua [=] masa de agua en el condensador Qagua [=] Caudal del agua t [=] tiempo de operación del condensado

ρagua [=] densidad del agua.

magua=223 [ ml / s ]∗35,316

min∗60 s ∗980,45 [ g /l ] min

magua=465,204 kg

Energía entregada por el condensador ����=�����∗������∗(��−��) Donde ���� [=] Energía entregada en el condensador ����� [=] Masa de agua en el evaporador ������ [=] Capacidad calorífica del agua �� [=] Temperatura final �� [=] Temperatura inicial. �� = 70 °C �� = 25°c De tablas ������= 4,18

J /° c

Qcon=465,204 kg∗4,18 J /° c∗(70 ° c−20 ° c)

Qcon=87504,9 kJ Por medio de un balance de energía se puede calcular las pérdidas del condensador con el ambiente:

Qamb 2=(Qcon−Qm)

Qamb 2=87504,9 kJ −85492,4 kJ Qamb 2=2012,5 kJ Calculo de las pérdidas de energía totales se dan por:

Qperdidas=Qamb+ Qamb2

Donde: ��������� [=] Pérdidas totales ���b [=] Pérdidas del tanque de almacenamiento con el ambiente ����2 [=] Pérdidas del condensador con el ambiente

Qperdidas=36612,5 kJ +2012,5 kJ

Qperdidas=−3625 kJ Eficiencia del proceso:

ƞ=

calor de la muestra ∗100 Energia entregada por el vapor

ƞ=

85492,4 ∗100 122104,94

ƞ=70

Grafica 1. Concentración de la solución vs tiempo Se observa en la gráfica anterior que la concentración de la solución, aumenta a medida que aumenta el tiempo, esto debido a que las muestras se tomaron a intervalos de tiempo de diez minutos. Por otro lado se concluye que el gradiente de concentración entre cada intervalo de muestreo varió (también es evidente en la tabla 6), ese fenómeno se presenta porque en los primeros minutos de operación el equipo está logrando llegar a la temperatura de ebullición del agua a la condición de presión especificada, ese primer intervalo es poca la cantidad de agua que se va a evaporar, seguidamente se observa que el gradiente aumenta y finalmente se vuelve pequeño debido a que la solución ya presenta una mayor concentración y se torna más difícil el proceso de concentración.

29.2 29 28.8 28.6 28.4

Temperatura [°C] 28.2 28 27.8 27.6 27.4

5

10

15

20

25

30

35

40

tiempo [min]

Grafico 2. Temperatura del agua de enfriamiento Vs tiempo En el grafico anterior se evidencia que la temperatura del agua de enfriamiento que se utilizó para intercambiar energía en el condensador, no reporto grandes variaciones en su valor con respecto al tiempo. 90 80 70

Temperatura [°C] 60 50 40 30

0

5

10

15

20

25

30

35

Tiempo [min]

Gráfico 3. Temperatura del condensado del vapor gastado Vs tiempo El condensado del vapor que se utilizó para calentar el contenedor de la solución a concentrar, como se muestra en el gráfico anterior, comenzó el proceso con una temperatura de 39°C y rápidamente en los siguientes 4 minutos aproximadamente, el valor de la temperatura de esa corriente de condensado tendió a estabilizarse en 80°C.

Conclusiones

  

  

La concentración de la solución aumento al pasar el tiempo. El gradiente de concentración varía con el tiempo. Se generan pérdidas, en el condensador y en el tanque de almacenamiento, las perdidas es casi imposible evitarlas por completo, pero si se podrían reducir implementando un enchaquetado eficiente tanto para el condensador como para el tanque de almacenamiento de la solución a concentrar. Se generaron 30% de pérdidas energéticas en el equipo. La temperatura del agua de enfriamiento, no presenta cambios considerables con el tiempo. La temperatura del condensado del vapor gastado, tiende a estabilizarse rápidamente.

BIBLIOGRAFÍA