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• Karen Aleujandre

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TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

PRACTICA # 2 “EVAPORACIÓN”

EQUIPO: 2 INTEGRANTES: CAMACHO VALLEJO VIANEY JUÁREZ ALEJANDRE KAREN LÓPEZ ZUCCOLI CLAUDIA JESSICA MENDOZA BUCIO MIGUEL ÁNGEL MOTA SILVA ANA MARIA PEÑA MORENO JONATHAN JOSUE SANTIAGO LÓPEZ GISELA SERRANO SEGUNDO ARELI

FECHA DE ENTREGA: 06/10/16

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Determinar los balances de masa y calor, así como realizar mediciones experimentales de temperatura, flujos y/o gastos másicos a la entrada y salida de un evaporador de simple efecto.

OBJETIVOS  Conocer el coeficiente global de transferencia de calor en un evaporador de simple efecto.  Conocer la eficiencia que tiene un evaporador de simple efecto.  Conocer cómo se desempeña el equipo y su funcionamiento óptimo para la industria.  Conocer la gama de sectores que ocupan este tipo de equipo.

HIPÓTESIS Conociendo las temperaturas y el flujo de alimentación al equipo, se puede calcular los balances de calor y masa.

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MARCO TEÓRICO En la evaporación se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la que se obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. FACTORES DE PROCESO Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso. A continuación se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento. 1. Concentración en el líquido. Por lo general, la alimentación líquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado. 2. Solubilidad. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución. 3. 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 de material. 5. Presión y temperatura.

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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. TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACION Y MÉTODOS DE OPERACIÓN Tipos generales de evaporadores La evaporación consiste en la adición de calor a una solución para evaporar el disolvente que, por lo general, es agua. Usualmente, el calor es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de agua) en contacto con una superficie metálica, con el líquido del otro lado de dicha superficie. El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido. A continuación se analizan los tipos generales de equipo. Hay tres tipos principales de equipo de evaporación utilizados en la industria: A. Calderas B. Evaporadores * Plantas de fuerza * Químicos C. Intercambiadores-Vaporizadores *Rehervidores *Vaporizadores El propósito principal de la mayoría de los evaporadores en las plantas de fuerza, es la separación de agua pura a partir de agua cruda o tratada. Las impurezas se retiran continuamente del sistema mediante la purga. Los evaporadores químicos se clasifican en dos grupos: 1) De circulación natural: Los evaporadores de circulación natural se usan unitariamente o en efecto múltiple para los requerimientos más simples de evaporación

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2) De circulación forzada: Los evaporadores de circulación forzada se usan para líquidos viscosos para los que forman sales , y las soluciones que tienden a incrustarse

1. Marmita abierta o artesa. La forma más simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el líquido. 2. Evaporador de tubos horizontales con circulación natural. El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos. En casi todos los casos, tanto este evaporador como los que se estudian después operan con régimen continuo, con alimentación a velocidad constante y salida de concentrado a velocidad constante. 3. Evaporador vertical con circulación natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido está dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el líquido se eleva en los tubos por circulación natural. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. No es útil con líquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos.

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Una variación de este modelo es el evaporador de canasta, que usa tubos verticales, pero el elemento de calentamiento se cuelga en el cuerpo, de tal manera que haya un espacio anular que sirva de bajada. El modelo de canasta difiere del evaporador vertical de circulación natural, pues éste tiene un espacio central en vez del anular como bajada. Este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azúcar, la sal y la sosa cáustica. 4. Evaporador vertical de tubos largos. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el del lado del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el líquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos como el líquido está en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el líquido pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo. En algunos casos, como cuando la relación entre la velocidad de alimentación y la velocidad de evaporación es baja, puede emplearse recirculación natural del producto a través del evaporador, añadiendo una conexión de tubería entre la salida del concentrado y la línea de alimentación. Éste es un método muy común en la producción de leche condensada. 5. Evaporador de caída de película. Una variación del modelo de tubos largos es el evaporador de caída de película, en el cual el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Por lo general, la separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentración de materiales sensibles al calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a que el tiempo de retención es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de transferencia de calor es alto. 6. Evaporador de circulación forzada. El coeficiente de transferencia de calor de la película líquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubos verticales largos teniendo una tubería conectada a una bomba entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Sin embargo, los tubos de un 6

evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los tubos largos. Además, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.

7. Evaporador de película agitada.

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La principal resistencia a la transferencia de calor en un evaporador corresponde al líquido. Por tanto, un método para aumentar la turbulencia de la película líquida y el coeficiente de transferencia de calor, consiste en la agitación mecánica de dicha película. Esto se lleva a cabo en un evaporador de caída de película modificado, usando un solo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador interno. El líquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de película turbulenta por la acción de aspas de agitación vertical. La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior. Este tipo de evaporador es práctico para materiales muy viscosos, pues el coeficiente de transferencia de calor es mayor que en los modelos de circulación forzada. Se usa para materiales viscosos sensibles al calor como látex de caucho, gelatina, antibióticos y jugos de frutas. Sin embargo, tiene costo alto y capacidad baja. 8. Evaporador solar de artesa abierta. Un proceso muy antiguo pero que todavía se usa es la evaporación solar en artesas abiertas. El agua salina se introduce en artesas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta que cristalice. METODOS DE OPERACIÓN PARA EVAPORADORES Un evaporador puede ser operado de forma intermitente (las operaciones de llenado, evaporación y vaciado se ejecutan en pasos sucesivos), semi-intermitente (la alimentación se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga se efectúa hasta que alcanza la concentración final), de forma continua-intermitente (la alimentación es continua y, en ciertas partes del ciclo la descarga también es continua) y, finalmente también se pueden operar en continua, en cuyo caso la alimentación y la descarga son continuas, permaneciendo la concentración de la alimentación y del producto prácticamente constante. 1. Evaporadores de efecto simple. En un evaporador de simple efecto, el calor latente de condensación del evaporador es transferido a través de una superficie de calentamiento para vaporizar agua de una solución en ebullición. Se necesitan dos balances de entalpía, uno para el vapor de agua y otro para el lado del líquido.La alimentación entra a TF °K y en la sección de intercambio de calor entra vapor 8

saturado a Ts. El vapor condensado sale en forma de pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador está completamente mezclada, el producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura T, que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura del vapor también es Tl, pues está en equilibrio con la solución en ebullición. La presión es Pt, que es la presión de vapor de la solución a Tl.

2. EVAPORADORES DE EFECTO MÚLTIPLE CON ALIMENTACIÓN HACIA ADELANTE. Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante energía, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto múltiple. Si la alimentación del primer efecto está a una temperatura cercana al punto de ebullición y a la presión de operación de dicho efecto, 1 kg de vapor de agua evaporará casi 1 kg de agua. El primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto. Nuevamente, en el segundo efecto se evapora casi 1 kg de agua, que se emplea como medio de calentamiento del tercer 9

efecto. De manera aproximada, en un evaporador de efecto triple se evaporan 3 kg de agua por kilogramo de vapor de agua usado. Por consiguiente, el resultado es un aumento de la economía de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado. Esto también resulta cierto de forma aproximada para más de tres efectos. Sin embargo, este aumento de la economía del vapor de agua en un evaporador de efecto múltiple se logra a expensas de mayor inversión en el equipo. En la operación de alimentación hacia adelante que se muestra en la figura 8.2-3, la alimentación se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del vapor. Éste es el método de operación que se emplea cuando la alimentación está caliente o cuando el producto concentrado final puede dafIarse a temperaturas elevadas. Las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto, que es el más frio, y continúa hacia atrás hasta el producto concentrado sale por el primer efecto. Este método de alimentación en retroceso tiene ventajas cuando la alimentación es fría, pues la cantidad de líquido que debe calentarse a temperaturas más altas en el segundo y primer efectos es más pequeña. Sin embargo, es necesario usar bombas en cada efecto, pues el flujo va de baja a alta presión. Este método también es muy Útil cuando el producto concentrado es bastante viscoso. Las altas temperaturas de los primeros efectos reducen la viscosidad y permiten coeficientes de transferencia de calor de valor razonable. 4. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en paralelo La alimentación en paralelo en evaporadores de efecto múltiple implica la adición de alimentación nueva y la extracción de producto concentrado en cada uno de los efectos. El vapor de cada efecto se usa para calentar el siguiente. Este método de operación se utiliza principalmente cuando la alimentación está casi saturada y el producto son cristales sólidos.

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INTRODUCCIÓN Los términos evaporación o vaporización se aplican al paso del estado líquido al estado gaseoso. Cuando el fenómeno se produce únicamente en la superficie de la masa líquida se designa como evaporación. Si el paso a vapor tiene lugar afectando toda la masa líquida se denomina vaporización o ebullición. También se denomina evaporación a la operación de separación basada en los dos fenómenos. La vaporización y la evaporación son dos fenómenos endotérmicos. El caudal del liquido vaporizado se incrementa al aumentar la superficie libre del líquido. Generalmente no se distingue entre evaporación y vaporización, definiéndose simplemente la evaporación como el proceso mediante el cual una fase líquida se transforma en vapor. Cuando un líquido llena parcialmente un recipiente cerrado, las moléculas que abandonan el estado líquido ocupan el espacio libre hasta saturar el recinto, produciendo una presión determinada que se denomina presión de vapor. Cada líquido tiene una presión de vapor característica que depende de la temperatura. Cuando la presión de vapor, que aumenta al incrementar la temperatura, se iguala a la presión del entorno, normalmente la presión atmosférica, se produce la ebullición del líquido. Torres de Refrigeración o EVAPORACION, en la que se exponen los fundamentos teóricos de psicometría, las ecuaciones características de las torres y los procedimientos de cálculo para evaluar los rendimientos de estos equipos. Por ello, en esta guía no se abordan ni describen los fundamentos teóricos ni los procedimientos matemáticos de cálculo de los equipos o sistemas de enfriamiento evaporativo que están ampliamente tratados en publicaciones del ámbito académico y otras de rango divulgativo que recogen con mayor o menor detalle los principios y fórmulas que habilitan este tipo de cálculos. Torres y condensadores de enfriamiento evaporativo, y se han impartido incontables seminarios, conferencias y sesiones técnicas donde está dicho y explicado casi todo al respecto de estos equipos, por lo que en esta guía, el lector podrá encontrar algunas ideas o recomendaciones novedosas y la recopilación de otras muchas ya leídas o escuchadas pero que en este caso se presentan ordenadas a unos fines concretos como son: • La eficiencia energética de los sistemas que pueden incluir este tipo de equipos. • Los efectos y consecuencias de una eventual restricción en el uso de estos equipos. • La prevención contra el riesgo de difusión de la legionela desde estos equipos. • La conservación de los equipos durante un periodo rentable. • El manejo y mantenimiento de los equipos teniendo en cuenta la prevención de los riesgos laborales.

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VENTAJAS Y LIMITACIONES En muchas aplicaciones de las técnicas que requieren la extracción de calor para el confort en recintos determinados o para el desarrollo de procesos industriales, se impone la transferencia de esta forma de energía que, cuando no puede aprovecharse como tal, se ha de verter en sumideros que tradicionalmente se consideraban como inocuos e inagotables: normalmente el aire atmosférico o los caudales y reservas de agua. Asimismo, en la elección de tales sumideros se ha tenido, y todavía en algunos casos se sigue teniendo, poco en cuenta el consumo necesario de energía en función del medio y del modo en el que se realiza el vertido del calor residual. En la elección del procedimiento suele primar el coste inicial de los equipos (que tiene una repercusión inmediata en el presupuesto de las ofertas comerciales) y pocas veces se incluye en el estudio de gestión y explotación del sistema un cálculo comparativo del coste energético de funcionamiento según el medio y modo elegido, con repercusión permanente en los gastos de explotación, normalmente en constante aumento. El progresivo y rápido avance de los conocimientos medioambientales y del equilibrio térmico de la Tierra y el Universo ha ido poniendo en evidencia que la aparente sencillez y economía de utilizar los sistemas de transferencia directa de calor sensible al aire, además de las limitaciones que imponga su temperatura tiene algunos inconvenientes y elevados costes asociados al consumo energético del proceso, a las consiguientes emisiones de CO2 a la atmósfera y al posterior efecto invernadero, entre otros. La utilización de sistemas de enfriamiento evaporativo reduce significativamente estos efectos, por lo que son altamente recomendables en instalaciones idóneas por la forma y cantidad de calor a disipar. Resultan especialmente útiles en procesos de enfriamiento donde, en las épocas más cálidas, se requieran temperaturas resultantes entre 45 y 25 °C, mayormente en zonas de clima cálido y seco, pudiendo alcanzar en verano niveles inferiores a los 25 °C, en función de la temperatura húmeda disponible, y también trabajar con fluidos recibidos a mayores temperaturas, próximas a 85 °C en el caso de torres enfriando líquidos, o superiores en el caso de condensadores recibiendo vapores sobrecalentados. En los procesos de enfriamiento por aire, la extracción de calor se efectúa prácticamente en su totalidad bajo la forma de calor sensible que es función del peso especí fico del aire, de su calor específico y de la variación de temperaturas que experimenta, cambiando la temperatura del aire sin afectar a su humedad específica o contenido en vapor de agua. En cambio, en los procesos de enfriamiento evaporativo puede haber una pequeña transferencia en forma de calor sensible (hasta un 10 ó 15%) y fundamentalmente una gran transformación en calor latente (85 a 90%), merced a la evaporación de una reducida porción del agua en circulación. (IDEA, 2007) MÉTODOS DE ALIMENTACIÓN El método habitual de alimentar un evaporador de múltiple efecto consiste en introducir, mediante una bomba, la solución diluida en el primer efecto y hacerla circular después a través de los demás efectos. Este método recibe el nombre de alimentación directa. 13

Requiere de una bomba para introducir la alimentación en el primer efecto, ya que con frecuencia este efecto está a una presión atmosférica. Otro método común es el de alimentación inversa, en el que la alimentación de la solución diluida se introduce en el último efecto y se bombea después a través de los efectos sucesivos hasta el primero. Este método requiere una bomba entre cada pareja de efectos, además de la bomba de solución concentrada, ya que el flujo tiene lugar en el sentido de presiones crecientes. Otro método es el de alimentación mixta, donde la solución diluida entra en un efecto intermedio, circula con la alimentación directa hasta el extremo final de la serie, y después se bombea hacia atrás a los primero efectos para conseguir la concentración final. En los evaporadores con cristalización, donde se retira una suspensión de cristal y licor madre, la alimentación se introduce directamente en cada efecto para dar lugar a lo que se llama alimentación paralela. ECONOMÍA DE UN EVAPORADOR Mediante un diseño adecuado, la entalpia de vaporización del vapor de calentamiento que entra en el primer efecto se utiliza una o más veces dependiendo del número de efectos. También se ve afectada por la temperatura de alimentación. Si es inferior a la de ebullición, para la carga de calentamiento utiliza una parte de la entalpia de vaporización del vapor y solo una parte queda disponible para le evaporación; si la alimentación está a una temperatura superior, la vaporización súbita que se produce contribuye a generar una evaporación adicional a la producida por la entalpia.

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EQUIPO EXPERIMENTAL El equipo empleado en la práctica se muestra en la Figura 1. La solución a evaporar (en este caso una solución de azúcar), se bombea a través de un precalentador, hacia el evaporador. Esta línea cuenta con un rotámetro que mide el gasto de la solución a concentrar. El precalentador es un tubo de acero de aproximadamente 1.25 m de longitud y diámetro exterior 8 mm calibre 18 BWG. Cuenta con una chaqueta a través de la cual circula el vapor de calentamiento. A la solución precalentada se le mide su temperatura antes de entrar al evaporador. El evaporador en sí, consiste en dos tubos concéntricos de vidrio. A través del interior, que mide 2.46 m de longitud) sometida a calentamiento y 25.4 mm de diámetro nominal, circula el producto a concentrar. Por fuera de este tubo y dentro del tubo exterior circula el vapor de calentamiento. En la parte inferior del tubo interior se encuentra la conexión de entrada de la solución a concentrar, así como una conexión que permite la recirculación parcial o total del concentrado. En la parte superior, antes de la salida hacia el separador líquido-vapor, se encuentra instalado un termistor para medir la temperatura a la cual sale del evaporador la mezcla líquido-vapor. El separador de fases es del tipo ciclónico. Por la parte inferior sale la fase líquida o solución concentrada, la cual es enfriada con agua, pasando a un recipiente en el que se mide el volumen obtenido durante la evaporación. De este recipiente puede ser recirculada al evaporador. Por la parte superior del separador sale la fase gaseosa (agua evaporada) hacia un condensador de doble tubo para pasar un recipiente en donde se mide la cantidad obtenida. El vapor que se alimenta al equipo proviene de la caldera, pasa por un separador de humedad, una válvula reductora de presión y se distribuye tanto al precalentador como al evaporador.

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Figura 1. Evaporador de película ascendente En el precalentador, el vapor que se alimenta a la chaqueta, se regula mediante una válvula y su presión se mide mediante un manómetro tipo Bourdon. El vapor se condensa y pasa a través de una trampa de vapor hacia un recipiente, provisto de un nivel y con el cual se mide el consumo de vapor en el precalentador. La línea de vapor que alimenta al evaporador, cuenta también con una válvula para regular la cantidad de vapor suministrado y un manómetro para registrar la presión del mismo. En adición, esta línea tiene instalada una válvula de seguridad. El vapor se alimenta al evaporador por la parte central del tubo exterior. El condensado sale por la parte inferior del mismo tubo, pasa por una trampa de vapor y se va a un recipiente que también cuenta con un nivel para medir la cantidad de vapor consumida en el evaporador. El evaporador no se encuentra aislado con el objeto de observar el fenómeno de la evaporación, y por tanto las pérdidas de calor son altas.

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PROCEDIMIENTO 1. Encender la caldera: se encendió la caldera para generar el vapor que se transmite al evaporador. 2. Purgar: se purgó el sistema para sacar todos los incondensables que estaban dentro de él. 3. Apertura de la válvula para la alimentación de vapor en el equipo, la cual permaneció abierta para que fluyera el vapor. 4. Se abrió la válvula para el paso del agua y se encendió la bomba de vacio (ambas se abrieron al mismo tiempo). 5. Se abrió y se cerró la válvula con el fin de eliminar el vacio. 6. Se ingresó tres litros de la solución de azúcar diluida a una concentración inicial. 7. Se abrió la válvula de paso a la bomba impulsora. 8. Se abrió la válvula de alimentación de producto al intercambiador. 9. Se encendió la bomba. 10. Cuando la solución ingresó al intercambiador se apagó la bomba. 11. Cuando se cerró la válvula de alimentación de inmediato se comenzó a cronometrar el tiempo. 12. Tomar los datos de temperatura y presión inicial: Se tomaron los datos de temperatura y presión inicial en la salida del vapor y de la alimentación. 13. Finalización de la evaporación: Cuando se presentó un incremento de la presión y permaneció constante indicó la finalización de la evaporación, se tomó el tiempo. 14. Se tomaron los datos de temperatura y presión final de la salida del vapor y de la alimentación. 15. Se eliminó el vacio. 16. Se tomó el producto final. 17. Se tomó la muestra en un beaker, se dejó enfriar y se determinaron los grados Brix. 18. Se hizo el mismo procedimiento varias veces hasta alcanzar una concentración adecuada de azúcar.

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RESULTADOS EXPERIMENTALES Las mediciones a tomar son las siguientes: EVAPORADOR SIN CARGA 1) Presión del vapor que se alimenta al precalentador. 2) Presión del vapor que se alimenta al evaporador. 3) Volumen de condensado acumulado en el tiempo que dura esta prueba, tanto para el precalentador como para el evaporador. 4) Tiempo que dura la prueba.

EVAPORADOR CON CARGA 1) Presión del vapor que se alimenta al precalentador 2) Presión del vapor que se alimenta al evaporador. 3) Temperatura y concentración de la solución alimentada. 4) Temperatura de la solución antes del evaporador. 5) Temperatura y concentración de la solución que sale del evaporador. 6) Concentración del vapor condensado (para observar si no existe buena separación en el ciclón). 7) Gasto de la solución alimentada al evaporador. 8) Gasto de la solución concentrada. 9) Gasto de vapor de solvente producido. 10) Cantidad de vapor condensado en el precalentador. 11) Cantidad de vapor condensado en evaporador. 12) Tiempo que dura la prueba.

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RESULTADOS A REPORTAR Y DISCUTIR a) Perdida de calor en el evaporador y el precalentador. b) Coeficiente global de transferencia de calor en el precalentador y el evaporador. (Comparación con el coeficiente reportado en la literatura para un evaporador de ese tipo). c) Cálculo mediante un balance de materia, de la cantidad de solución alimentada y comparación de este dato con el medio. d) Balance de energía en el precalentador y evaporador. e) Análisis de resultados y conclusiones.

TABLA 1. De datos de condiciones de operación Masa de alimentación

799.41 kg/h

Masa de evaporado

37.0066kg/h

Masa del producto

239.38 kg/h

Calor suministrado

24914.535 kcal/h

Calor total

2253.6258 kcal/h

Eficiencia térmica

89.67 %

ΔT fuerza impulsora

47ºC

Coeficiente de transferencia de calor

53802.028 kcal/hºCm2

Velocidad de entrada

53.94 m/h

Velocidad de producto

46.938 m/h

Velocidad evaporado condensado

6.5911 m/h

Velocidad total

53.592 m/h

Tiempo de residencia

2.95 min

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TABLA 2. De datos experimentales Calor suministrado

20675.77 kcal/h

Calor total

2057605 kcal/h

Eficiencia térmica

98.55%

ΔT fuerza impulsora

7ºC

Coeficiente de transferencia de calor

257603.54 kcal/h ºCm2

Velocidad de entrada

258.31 m/h

Velocidad de salida

258.31 m/h

Tiempo de residencia

13.582 min

CÁLCULOS Balance de materiales sólidos MA = (π/4)*D2 *Δh/Ø *Pa 62°C MA = (π/4)*(0.596 m)2 *(0.091 m)/0.0833h *982.07 Kg/m3 = 299.31 Kg/h ME = (π/4)*D2 *Δh/Ø *Pa 32°C ME = (π/4)* (0.346 m)2 *(0.033 m)/0.0833 h * 995.09 Kg/m3 =37.066 Kg/h MP= (π/4)*D2 *Δh/Ø *Pa 70°C MP= (π/4)* (0.346 m)2 *(0.235 m)/0.0833h *977.63 Kg/m3 = 259.32 Kg/h MA *Xa = MP * Xp Mνλνs = HE +HC-HA Mv = (π/4)* (0.40 m)2 * (0.031 m)/0.0833h * 100 Kg/m3 = 46.935 Kg/h

Balance de calor P atm =585 mmHg =0.7952 Kg f/cm2

Pνman = 1 Kcal/Kg

Pνs = Pman + P atm

Pνs = 1Kg f/cm2 + 0.7952 Kg f/cm2 = 1.7953 Kg f/cm2

λνs = 528.7 Kcal/Kg

tvs = 116 ° C 20

Qs =Mν * λνs Qs = 46.935 Kg/h * 528.7 Kcal/Kg = 24814.535 Kcal/h

MA = MP +ME MP = MA – ME = 299.31Kg/h – 37.066 Kg/h = 262.244 Kg/h HP = Cp * ΔT HP = (1 Kcal/Kg ° K) (70° k) = 70 Kcal/Kg HA = Cp * ΔT HA = (1 Kcal/Kg ° K) (62° k) = 62 Kcal/Kg HE = 611.3 Kcal/Kg QT = Qabs = HE * ME +HP *MP- HA *MA GVe=

𝑀𝑝

37.066𝑘𝑔/ℎ

=995.09𝑘𝑔/𝑚3=0.3724kg/h

𝜌@32°C

Velocidad de salida (evaporado concentrado) GVE

VEVAP COND=

𝐴 0.03724m3/h

VEVAP COND=

0.00565𝑚2

= 6.5911m/h

Velocidad media 𝑉𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴+𝑉𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴

Vm=

2

(53.94𝑚/ℎ+53.5291𝑚/ℎ)

Vm=

2

= 53.7346m/h

Tiempo de resistencia 2.54𝑚

𝜃 = 53.7346𝑚/ℎ =0.04726h= 2.83min En el condensador 21

*Calor suministrado Qs=37.066Kg/h*557.9kcal/h *gasto masa del agua 𝜋

MH2O=𝜌𝛼34°C* 4 *D2*

∆𝐻2𝑂 𝜃

𝜃 = 30𝑠𝑒𝑔 = 0.00833ℎ MH2O=994.43kg/m3* 𝜋/4(0.56)2*

0.099𝑚

0.00833ℎ

= 2910.92kg/h

Calor total QT=2910.92kg/h*1 kcal/kg°C*(32-25) °C= 20376.44 Kcal/h Eficiencia térmica 𝑄𝑇

n=𝑄𝑆

20376.44𝑘𝑐𝑎𝑙/ℎ

n=20675.77𝑘𝑐𝑎𝑙/ℎ*100= 98.55% Fuerza impulsora ∆𝑇𝑋 = 𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∆𝑇𝑋 = 32 − 25 = 7°C Coeficiente global de transferencia de calor A= (4tubos)*(0.03m)2* 𝜋= 0.0113m2

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U=

20376.44 𝑘𝑐𝑎𝑙/ℎ 0.0113𝑚2∗7°C

= 257603.54 kcal/hm2°C

Gasto volumétrico de entrada de agua enfriamiento 𝜌@25°C= 997.13kg/m3 Velocidad de entrada 𝐺𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

V entrada=

𝐴

2.919 𝑚3/ℎ

Vg= 0.0113 𝑚2 = 258.31 𝑚/ℎ

Gasto volumétrico de salida de agua de enfriamiento 𝐺𝑣 =

𝑀𝐻2𝑂 2910.92 𝑘𝑔/ℎ = = 2.9252 𝑘𝑔/ℎ 𝑝@32°𝐶 995.09 𝑘𝑔/𝑚3

Velocidad media 𝑚 𝑚 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝑉 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 258.31 ℎ + 258.86 ℎ 𝑚 𝑉𝑚 = = = 258.585 2 2 ℎ

Tiempo de residencia 𝐿

Ɵ=𝑉𝑚 =

2.54 𝑚 𝑚 ℎ

258.585

= 0.00982 ℎ = 0.589 𝑚𝑖𝑛

TABLA 3. De resultados de balance en evaporador Masa de alimentación Masa de evaporación Masa del producto Calor suministrado Calor total Eficiencia térmica ^T fuerza impulsora Coeficiente de transferencia de calor Factor de economía Capacidad de evaporación Capacidad de transferencia de calor

299.31 kg/h 37.0066 kg/h 259.32 Kg/h 24814.555 kcal/h 2255.6258 Kcal/h 89.67% 47°C 83802.028 Kcal/h°Cm2 0.7897 36560.35 Kg/hm2 3935695.31 Kcal/hm2 23

Velocidad de entrada Velocidad de producto Velocidad evaporado condensado Velocidad total Tiempo de resistencia.

53.94 m/h 46.936 m/h 5.5911 m/h 53.592 m/h 2.85 min

TABLA 4.De resultados de balance en condensador Calor suministrado Calor total Eficiencia térmica ^T fuerza impulsora Coeficiente de transferencia de calor Velocidad de entrada Velocidad de salida Tiempo de resistencia

2.675.77 Kcal/h 2037603.44 Kcal/h 98.55 % 7°C 257603.54 Kcal/h°Cm2 258.31 m/h 258.31 m/h 0.589 min

CUESTIONARIO

1. ¿Qué datos son necesarios para determinar el área de transferencia de calor de un Evaporador? El número total de tubos que contienen la calandria y las dimensiones de los mismos. 2. ¿Defina que es un solvente evaporado? Es el solvente en fase gas de la solución que se va a concentrar 3. ¿Escriba las partes fundamentales de un sistema de evaporación? Unidad de calentamiento, separador, sistema de condensación, sistema de vacío 4. ¿Cuál es la función de un separador ciclónico? En él se separa la solución concentrada y el solvente evaporado 5. Escriba las ecuaciones de: factor de economía, capacidad evaporativa , capacidad De transferencia de calor y la eficiencia térmica, con sus unidades correspondientes =E/Mv, C

E=E/A Kg/hm2

CQ=Q/A

=

Kcal/ hm2, =Q

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6. ¿qué tipo de soluciones se concentran por evaporación? Soluciones orgánicas e inorgánicas 7. ¿Cuál es el origen de las de las soluciones que se concentran en un evaporador de Circulación forzada? Soluciones de origen inorgánico 8. ¿en qué tipo de evaporadores la solución no alcanza su temperatura de ebullición Dentro de los tubos? En los evaporadores de circulación forzada 9. ¿Cómo se evalúa en forma aproximada el coeficiente global de transferencia de Calor? Despejando el coeficiente global de la ecuación de Fourier 10. ¿Cuál es la resistencia controlante a la transferencia de calor? La del espesor de película que forma la solución a concentrada

11. ¿Cómo se determina la fuerza impulsora a la transferencia de calor en un Evaporador de circulación natural? Se determina como diferencia entre la temperatura de vapor menos la temperatura de Ebullición de la solución 12. ¿Cuál es el estado físico de los componentes de una solución que se separa por Evaporación? El solvente es líquido y el soluto solido 13. ¿Cuál es el comportamiento del soluto en relación con el solvente en una Evaporación? El soluto es no volátil en comparación al solvente que tiene comportamiento volátil 14. ¿Cuál es la clasificación más importante de los evaporadores de calentamiento Indirecto? Evaporadores de circulación forzada, evaporadores de circulación natural y evaporadores de Película agitada 25

15. en general ¿Cómo se clasifican los evaporadores de acuerdo al medio de Calentamiento utilizado? En evaporadores de calentamiento directo o de mezcla y en evaporadores de calentamiento Indirecto o de superficie

CONCLUSIONES El evaporador de simple efecto, en la industria, es la manera más simple de llevar a cabo una evaporación, el evaporador de efecto simple, tiene como característica diferente al evaporador de circulación forzada el hecho de que la evaporación no se lleva a cabo en el separado, si no en los tubos. La alimentación del agua ya es caliente, y para la práctica se llevó un precalentamiento, lo que ayuda a reducir el tamaño del evaporador. Así como el área de transferencia de calor que se requiere

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ANEXOS

1.

Evaporación. Es el proceso a través del cual un líquido pasa a estado gaseoso, es decir, cuando una sustancia se separa de otra, cuando se produce lo que se conoce como punto de ebullición.

2.

Coeficiente de transmisión de calor. Flujo de calor por grado de temperatura entre dos ambientes isotermos y por unidad de superficie de una de las caras isotermas de un cerramiento, dado, que separa ambos ambientes. También llamado coeficiente de transmisión térmica, transmitancia térmica.

3.

Superficie de Evaporación. Todo tipo de agua en la superficie terrestre está expuesta a la evaporación. El fenómeno será tanto más difícil cuanto menor sea la agitación de las moléculas y tanto más intenso cuanto mayor sea la cantidad de agua con posibilidad de evaporarse. Además, será necesario que el aire que envuelve la superficie evaporante tenga capacidad para admitir el vapor de agua. Es lo que se conoce como poder evaporante de la atmósfera.

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4.

Solución diluida. Aquellas que poseen menor cantidad de soluto que la que el solvente puede disolver a una temperatura y presión dadas.

5.

Solución concentrada. Aquellas soluciones que poseen prácticamente la totalidad de soluto que el solvente puede disolver a una presión y temperatura dadas.

6.

Disolvente evaporado. El solvente o disolvente aparece en mayor cantidad y permite que el soluto se disuelva. En otras palabras, el solvente permite la dispersión del soluto en su seno. Lo más usual es que el solvente sea la sustancia que establece el estado físico de la solución.

7.

Evaporación múltiples efectos. En un sistema que cuenta con un solo evaporador, el vapor generado por el producto se desecha, es lo que se conoce como evaporación de simple efecto. Cuando el número de efectos es mayor de 1 se conoce como sistema de evaporación de múltiple efecto o evaporación multiefecto. En cada efecto, la presión es menor que la del efecto del cuál recibe el vapor y superior a la del efecto al que suministra el vapor, por lo que la temperatura disminuye en relación a la disminución de presión en dicho efecto.

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BIBLIOGRAFÍA

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ARCELUS, J.; ATALA, C. Y JOLLY, G. Diseños de Simulación de Sistemas de Evaporadores en Múltiple Efecto. Tesis para optar por el título de licenciado en Ingeniería Química. Universidad Iberoamericana. México, 1978.

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KERN, Donald Q. Procesos de Transferencia de Calor. Compañía Editorial continental, S.A. de C.V. México, 1965.



PERRY, R. H Y D. GREEN. Perry´s Chemical Engineers´ Handbook. 6th. Ed., Mc GrawHill New York 1984.

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