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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Departamento de Ingeniería Química Industrial

Laboratorio: Introducción a los Procesos de Separación. Práctica 3:

“EVAPORADOR DE TRIPLE EFECTO DEL TIPO CIRCULACIÓN NATURAL”

NOMBRE DEL ALUMNO: TRINIDAD GONZÁLEZ MARTIN NICOLÁS

GRUPO: 3IV61 FECHA: 20/09/2016 DOCENTE: JOAQUINA OREA LARA

OBJETIVOS Que el alumno al término de las sesiones correspondiente al estudio de este equipo experimental sea capaz de: Explicar el funcionamiento del Evaporador de múltiple efecto de Circulación Natural del tipo de Película Ascendente. Operar el equipo realizando cambios de las variables que pueden ser controladas a voluntad del operador. Analizar los efectos del cambio de las variables y como lograr un aumento en la capacidad de producción.

INTRODUCCIÓN La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado, de hasta 0,05 atm absolutas. Al reducir la temperatura de ebullición del líquido aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido de ebullición y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisión de calor en el evaporador .El método general para aumentar la evaporación por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de evaporación en múltiple efecto. En el cual el vapor procedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentación en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se envía al condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo efecto, y la evaporación obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentación al primer efecto es aproximadamente el doble. El primer efecto de un evaporador de flujo múltiple es aquél en el que se introduce el vapor vivo y en el que la presión en el espacio de vapor es la más elevada. El ultimo efecto es el que tiene la presión mínima en el espacio de vapor. La presión en cada efecto es menor que la del efecto del cual recibe el vapor de agua y superior a la del efecto al cual suministra vapor. Cada efecto, por sí solo, actúa como un evaporador de un solo efecto, y cada uno de ellos tiene una caída de temperatura a través de su superficie de calefacción Correspondiente a la caída de presión en dicho efecto. El acoplamiento de una serie de cuerpos del evaporador en un sistema de múltiple efecto es una cuestión de tuberías de

interconexión y no de la estructura de las unidades individuales. La numeración de los efectos es independiente del orden en el que las disoluciones entren como alimentación de los mismos. En figura la alimentación diluida entra en el primer efecto, donde se concentra parcialmente, pasa al segundo efecto para una concentración adicional y, por último, en el tercer efecto alcanza la concentración final. La disolución concentrada se extrae del tercer efecto mediante una bomba. En la operación en estado estacionario las velocidades de flujo y las velocidades de evaporación son tales que tanto el disolvente como el soluto no se acumulan ni disminuyen en cada efecto. La concentración, temperatura y velocidad de flujo de la alimentación están ligadas, las presiones en la entrada del vapor vivo y el condensador están establecidas, y todos los niveles de las disoluciones se mantienen en cada efecto. Por tanto, todas las concentraciones internas, velocidades de flujo, presiones y temperaturas se mantienen automáticamente constantes por sí mismas durante la operación del proceso. La concentración de la disolución concentrada solamente se puede modificar cambiando la velocidad de flujo de la alimentación. Si la disolución concentrada es demasiado diluida, se reduce la velocidad de alimentación al primer efecto y, contrariamente, se aumenta si es demasiado concentrada. La concentración en el último efecto y de la disolución concentrada que descarga del mismo alcanzará eventualmente un nuevo estado estacionario para el nivel deseado.

TABLA DE RESULTADOS

𝑀𝐴 (kg/h) solución diluida 𝑀𝑝 (kg/h) solución concentrada 𝐸1 (kg/h) solvente evaporado 𝐸2 (kg/h) Solvente evaporado 𝐸3 (kg/h) solvente evaporado 𝑀𝑣 (kg/h) vapor de agua de caldera 𝑀𝐻2𝑂 (kg/h) agua de condensación

Diámetro Del tanque (cm)

Temperatura (°C)

59.6

68

Tiempo de operación θ (min)

3.5 34.6

5 2.5

34.6

E1 92

Ec1 92

34.6

E2 87

Ec2 86

5

34.6

E3 80

Ec3 64

5

40.2

Mv 112

Mvc 40

56

Tentrada 24

Tsalida 30

5 3.0

2.5 2.8 5 3.5 5

CÁLCULOS EVAPORADOR BALANCE DE MATERIA 𝑀𝐴 = 𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 + 𝑀𝑃2 𝑀=

𝜋 ∗𝐷 2 ∗∆𝐻∗𝑃 4

∅

Diferencias de altura de nivel (Δh) cm 5.5

= Masa de solución concentrada y masa del evaporado. 5 min∗ 1ℎ/60 min

= 0.083ℎ

𝜋 ∗ 34.62 ∗ 3.5 ∗ 0.9799 38852.04𝑔 4 𝑀𝑝3 = = 0.083 ℎ 𝜋 ∗ 34.62 ∗ 2.5 ∗ 0.9799 27751.45𝑔 𝐸3 = 4 = 0.083 ℎ EFECTO 2 𝑀𝑝2 = Mp3 + E3 = 38852.04 + 27751.45 = 𝐸2 =

66603.49g h

𝐴 ∗ 3𝑐𝑚 ∗ 𝑃 33301.75𝑔 = ∅ ℎ

EFECTO 1 Mp1 = Mp2 + E2 = 66603.49 + 33301.75 = 𝐸1 =

99905.24g h

𝐴 ∗ 2.5𝑐𝑚 ∗ 𝑃 27751.45𝑔 = ∅ ℎ

Masa de alimentación 𝑀𝐴 = 𝑀𝑃𝐼 + 𝐸1 𝑀𝐴 = 99,905.24

𝑔 𝑔 𝑔 + 27,751.45 = 127,656.64 ℎ ℎ ℎ

Masa de vapor 𝑀𝑉 =

𝜋 ∗ 𝐷 2 ∗ ∆𝐻 ∗ 𝜌 4

𝑔 𝜋 (40.2𝑐𝑚)2 (2.8𝑐𝑚) (0.9799 3 ) 𝑔 4 𝑐𝑚 𝑀𝑉 = = 41,956.93 0.083ℎ ℎ

Masa de agua 1𝑚𝑖𝑛 1ℎ𝑟 20𝑠𝑒𝑔 ( )( ) = 5.55𝑥10−3 ℎ 60𝑠𝑒𝑔 60𝑚𝑖𝑛 𝑀𝐻2𝑂

𝑔 𝜋 (56𝑐𝑚)2 (3.5𝑐𝑚) (0.9799 3 ) 4 𝑐𝑚 = 1,522,028.39 𝑔 = −3 5.55𝑥10 ℎ ℎ

BALANCEDE DECALOR CALOR BALANCE CALORABSORBIDO ABSORBIDOYYSUMINISTRADO SUMINISTRADO CALOR

EFECTO 1 𝑄𝑎 = 𝐸𝐻𝐸 + 𝑀𝑃 𝐻𝑃 − 𝑀𝐴 𝐻𝐴 𝐻𝐴 = 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 𝐻𝐴 = (1

𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 ) (68°𝑐 − 0°𝑐) = 68 𝑔 °𝑐 𝑔 𝐻𝑃 = 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇

𝐻𝑃 = (1

𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 ) (92°𝑐 − 0°𝑐) = 92 𝑔 °𝑐 𝑔

𝐻𝐸 = 𝐻𝐸@𝑇𝑎 = 643.5

𝑐𝑎𝑙 𝑔

𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑎 = (27,751.45 ) (643.5 ) + (99,905.2 ) (92 ) − (127,656.69 ) (68 ) ℎ 𝑔 ℎ 𝑔 ℎ 𝑔 𝑄𝑎 = 18,368,681.55

𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑄𝑆 = 𝑀𝑉 ∗ 𝜆𝑉@𝑇𝑎 𝑔

𝑐𝑎𝑙

𝑄𝑆 = (41,956.93 ) (531.3 ) ℎ 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑆 = 22,291,716.91 ℎ EFECTO 2 𝑄𝑎 = 𝐸𝐻𝐸 + 𝑀𝑃 𝐻𝑃 − 𝑀𝐴 𝐻𝐴 𝐻𝐴 = 𝐶𝑝 × ∆𝑇 𝐻𝐴 = 1 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔℃ × (92 − 0)℃ = 92 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 𝐻𝑃 = 𝐶𝑝 × ∆𝑇 𝐻𝑃 = 1 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔℃ × (87 − 0)℃ = 87 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 𝐻𝐸 = 𝐻𝐸 @

86℃

= 633.7 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔

𝑔 𝑔 ) (633.7 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) + (66603.49 ⁄ℎ𝑟)(87 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) ℎ𝑟 𝑐𝑎𝑙 𝑔 − (99905.24 ⁄ℎ𝑟)(92 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) = 26797917.365 ℎ𝑟

𝑄𝑎 = (33301.75

𝑀𝐴 2 = 𝑀𝑃 2 + 𝐸2 𝑔 𝑔 𝑔 𝑀𝐴 2 = 66603.49 ⁄ℎ𝑟 + 33301.75 = 999905.24 ℎ𝑟 ℎ𝑟 𝐻𝐸 = 𝐻𝐸 @

92℃

= 635.9 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔

𝑄𝑆 = 𝐸1 × 𝐻𝐸 @ 𝑄𝑆 = (33301.75

92℃

𝑔 𝑐𝑎𝑙 ) (635.9 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) = 21176582.825 ℎ𝑟 ℎ𝑟

EFECTO 3 𝑄𝑎 = 𝐸𝐻𝐸 + 𝑀𝑃 3 𝐻𝑃 3 − 𝑀𝐴2 𝐻𝐴 2 𝐻𝐴 = 𝐶𝑝 × ∆𝑇 𝐻𝐴 = 1 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔℃ × (87 − 0)℃ = 87 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 𝐻𝑃 = 𝐶𝑝 × ∆𝑇 𝐻𝑃 = 1 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔℃ × (80 − 0)℃ = 80 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 𝐻𝐸 = 𝐻𝐸 @

64℃

= 624.8 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔

𝑔 𝑔 ) (624.8 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) + (38852.04 ⁄ℎ𝑟)(87 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) ℎ𝑟 𝑐𝑎𝑙 𝑔 − (66603.49 ⁄ℎ𝑟)(80 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) = 15390954.24 ℎ𝑟

𝑄𝑎 = (27751.45

𝑄𝑆 = 𝐸2 × 𝐻𝐸 @ 𝑄𝑆 = (33301.75

92℃

𝑔 𝑐𝑎𝑙 ) (635.9 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) = 21176519.235 ℎ𝑟 ℎ𝑟

CALCULO DE LA EFICIENCIA TÉRMICA ŋ=

𝑄𝑎 ∗ 100 𝑄𝑠

EFECTO 1 𝑔 ℎ ŋ1 = 𝑔 ∗ 100 = 82.4% 22291716.91 ℎ 18368681.55

EFECTO 2 𝑔 ℎ ŋ2 = 𝑔 ∗ 100 = 83.6% 21176582.825 ℎ 17706540.525

EFECTO 3 𝑔 ℎ ∗ 100 = 72.68% ŋ2 = 𝑔 21176519.235 ℎ 15390954.24

FUERZA IMPULSORA EFECTO 1 ∆𝑡1 = (112°𝐶 − 92°𝐶) = 20°𝐶 EFECTO 2 ∆𝑡2 = (92°𝐶 − 87°𝐶) = 5°𝐶 EFECTO 1 ∆𝑡1 = (87°𝐶 − 80°𝐶) = 7°𝐶

CALCULO DEL AREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR CALCULO DEL AREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR L= 2.51 m Nt=4 tubos L= Nt=4 tubos m2.51 m 𝐴 𝐴= =𝜋 𝜋 ∗∗ 𝐷 𝐷 ∗∗ 𝐿𝐿 ∗∗ 𝑁𝑡 𝑁𝑡 2 𝐴 𝐴= =𝜋 𝜋 ∗∗ 0.003𝑚 0.003𝑚 ∗∗ 2.51𝑚 2.51𝑚 ∗∗ 4 4= = 0.9575𝑚 0.9575𝑚2

CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EFECTO 1 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑀𝑣 ∗ 𝜆 41956.93 ℎ ∗ 591.3 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑈1 = = = 116.4058 2 ∆𝑡1 ∗ 𝐴 20°𝐶 ∗ 9575𝑐𝑚 ℎ 𝑐𝑚2 °𝐶

D= 0.03 D= 0.03 m

EFECTO 2 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑀𝐸 ∗ 𝐻𝐸 27751.45 ℎ ∗ 643.5 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑈2 = = = 373.014 2 ∆𝑡2 ∗ 𝐴 5°𝐶 ∗ 9575𝑐𝑚 ℎ 𝑐𝑚2 °𝐶 EFECTO 3 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑀𝐸 ∗ 𝐻𝐸 33301.75 ℎ ∗ 633.7 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑈3 = = = 314.857 2 ∆𝑡3 ∗ 𝐴 7°𝐶 ∗ 9575𝑐𝑚 ℎ 𝑐𝑚2 °𝐶

𝑈𝑇 =

𝑈𝑇 =

1 1 1 1 𝑈1 + 𝑈2 + 𝑈3 1 1

1

1 𝑐𝑎𝑙 + 𝑐𝑎𝑙 + 𝑐𝑎𝑙 116.4058 373.014 314.857 ℎ 𝑐𝑚2 °𝐶 ℎ 𝑐𝑚2 °𝐶 ℎ 𝑐𝑚2 °𝐶

𝑈𝑇 = 69.216

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

CALCULO DEL FACTOR DE ECONOMÍA 𝜀1 =

𝐸1 27751.45 = = 0.661 𝑀𝑉 41956.93

𝜀2 =

𝜀3 =

𝐸2 33301.75 = = 1.2 𝐸1 27751.45

𝐸3 27751.45 = = 0.833 𝐸2 33301.75

CAPACIDAD EVAPORATIVA EFECTO 1 𝑔 𝐸1 27751.45 ℎ 𝑔 𝐶𝐸 = = = 2.8983 2 𝐴 9575𝑐𝑚 ℎ𝑐𝑚2

EFECTO 2 𝑔 𝐸2 33301.75 ℎ 𝑔 𝐶𝐸 = = = 3.478 2 𝐴 9575𝑐𝑚 ℎ𝑐𝑚2 EFECTO 3 𝑔 𝐸3 27751.45 ℎ 𝑔 𝐶𝐸 = = = 2.8983 2 𝐴 9575𝑐𝑚 ℎ𝑐𝑚2 CALCULO DE LA CAPACIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR EFECTO 1 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝐴1 18368681.55 ℎ 𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑇 = = = 1918.4 2 𝐴 4575𝑐𝑚 ℎ𝑐𝑚2 EFECTO 2 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝐴2 17706540.525 ℎ 𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑇 = = = 1849.25 2 𝐴 4575𝑐𝑚 ℎ𝑐𝑚2 EFECTO 3 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝐴3 18368681.55 ℎ 𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑇 = = = 1918.4 𝐴 4575𝑐𝑚2 ℎ𝑐𝑚2 CONDENSADOR Calculo del calor suministrado por el solvente evaporado Qs = (E3)(λ@87) 𝑔 𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 Qs = (27751.45 ) (547.1 ) = 15182818.295 ℎ 𝑔 ℎ Calculo del calor transferido al agua 𝑄𝐴𝐻2𝑂 = (𝑀𝐻2𝑂)(𝐶𝑝𝑚)(𝑡2 − 𝑡1) 𝑡𝑚 =

24 + 30 = 27°𝐶 2 𝑐𝑎𝑙

Cpm@27°C=0.9983𝑔°𝐶 𝑄𝐴𝐻2𝑂 = (1522028.39)(0.9983)(30 − 24) = 9116645.65

𝑐𝑎𝑙 ℎ

CALOR NO ABSORBIDO QNA = Qs − QA = 15182818.295 − 9116645.65 = 6066172.645

𝑐𝑎𝑙 ℎ

Calculo de la eficiencia térmica η=

𝑄𝐴 9116645.65 ∗ 100 = ∗ 100 = 60% 𝑄𝑠 15182818.295 Calculo de la fuerza impulsora ∆T ∆𝑻 =

∆𝑻𝟏 − ∆𝑻𝟐 (40 − 24) − (66 − 30) = = 24.663°C ∆𝑻𝟏 (𝟒𝟎 − 𝟐𝟒) 𝑰𝒏 𝑰𝒏 ∆𝑻𝟐 (𝟔𝟔. 𝟑𝟎)

ANÁLISIS DE RESULTADOS Con base a los resultados comparándolo teóricamente y experimental se puede observar que la eficiencia es aproximadamente un 50 % puesto que comparando nuestros resultados teóricos con los experimenta mentales solo estamos obteniendo cerca de la mitad de lo que se debería de obtener.

CONCLUSIONES Se logró comprender el equipo mas no pudimos operarlo al 100% ya que hubo fallas en una de las válvulas que controlaba uno de los fluidos mediante una destilación por carga de una mezcla. De acuerdo a los rendimientos calculados para cada caso, fue menor a lo esperado ya que el equipo requiere mantenimiento. A pesar de que las eficiencias en nuestros resultados no son del todo malas, no quiere decir que hayamos operado del todo bien el equipo o que este se encuentre en las mejores condiciones, esto debido a los valores muy bajos que dieron del coeficiente global de transferencia de calor lo que quiere decir que hay fallas en los calores suministrados y aprovechados, por otro lado también se puede suponer que el equipo pueda estar incrustado debido al mal uso y a la no averiguación previa de las condiciones a las cuales se debe de operar tomando en cuenta el tipo de solución que en este caso solo fue agua y también al del precalentamiento. El tiempo de residencia al ser circulación natural da bajo pues el cambio de fase se lleva a cabo dentro de la calandria notando que las velocidades de entrada y

salida son iguales pues el fluido debe tener una estancia corta ya que existe un precalentamiento. En general con los tres distintos tipos de evaporadores presentan ventajas y desventajas pero esto dependiendo del uso o de la actividad para la que vallan a ser utilizados los evaporadores. En el condensador nuestra eficiencia es más baja que en quiere decir que hay una mayor pérdida de calor dentro puede deber a que el equipo no está completamente ambiente, o a que el equipo puede estar muy viejo o puede que disminuye la transferencia de calor dentro de este.

el evaporador esto de este equipo, se aislado del medio tener incrustaciones

BIBLIOGRAFÍA

http://www.academia.edu/9473472/INSTITUTO_TECNOL%C3%93GICO _SUPERIOR_DE_COATZACOALCOS http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211612/contLinea_eXe_/le ccin_42_mtodos_de_destilacin.html http://html.rincondelvago.com/destilacion-por-carga-de-unamezcla-binaria-a-reflujo-total.html