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REPORTE EXPERIMENTAL “EVAPORADOR” Introducción: El objetivo de esta práctica es comparar las eficiencias de los dos evaporadores instalados en el LEM, así como su economía y la diferencia que existe en sus coeficientes globales de transferencia de calor experimentales. Generalidades El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es el agua. La evaporización se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada, difiere del secado en que el residuo es un líquidoa veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales. Los evaporadores se construyen en hierro colado o acero. Sin embargo, muchas soluciones atacan a los metales ferrosos o son contaminadas por ellos, siendo entonces preciso utilizar materiales especiales tales como cobre, níquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo estos materiales son caros, resulta muy conveniente obtener elevadas temperaturas de transmisión de calor con el fin de disminuir el coste inicial del aparato. 1) Evaporador de tubos horizontales con circulación natural. En la figura 8.2-la se muestra un 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. 2) Evaporador vertical con circulación natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido esta 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, tal como se muestra en la figura 8.2-lb, y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. 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. 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.

3) 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 de la figura 8.2-lc, el líquido esta 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. 4) 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 de la figura 8.2-1c añadiendo una tubería conectada a una bomba entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los tubos largos, tal como se ilustra en la figura 8.2-ld. Además, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos. 5) Evaporador de película agitada. 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. El propósito principal de la mayoría de los evaporadores en las plantas, es la separación de agua pura a partir de agua cruda o tratada. Las impurezas se retiran continuamente del sistema mediante la purga. En la industria química la manufactura de agente químicos tales como la sosa cáustica, sal de mesa y azúcar, empieza con soluciones acuosas diluidas de las que deben eliminarse grandes cantidades de agua antes de poder llegar a la cristalización en el equipo adecuado para este fin. Procedimiento experimental  Evaporador de tubos largos 1.- En el desarrollo de la practica se procedió en primer lugar a verificar que hubiera servicios, (agua helada, vapor saturado, agua a temperatura ambiente, después de esto se purgo todo el equipo, se verifico que las válvulas de salida se encontraran totalmente cerradas. 2.- Se lleno el tanque de almacenamiento de solución (agua pura al 100%). 3.- Después se procedió a abrir los servicios, en primer lugar el vacío y se puso en funcionamiento la bomba, el flujo que se bombeo se dejo constante a 1GPM.

4.- Posteriormente se procuro que la presión de vapor y la de vacío no cayeran y se mantuvieran en un valor de 0.65 kg/cm2 y 14 inHg respectivamente. 5.- Después dejamos que el equipo trabajara a estas condiciones hasta que el liquido en el tanque del concentrado empezara a observase en el vidrio de nivel, en este momento se empezó a tomar el tiempo para este tanque, para el tanque de condensado se llevo a cabo lo mismo, es decir, cuando el liquido condensado empezó a observarse en el vidrio de nivel del tanque se empezó a tomar el tiempo. 6.- Cuando el menisco del concentrado llego al final del vidrio de nivel, se detuvo la operación en el equipo y se procedió a la medición de los volúmenes obtenidos tanto del concentrado como del condensado.  Evaporador de calandria 1.- Verificamos que todas las válvulas se encuentren cerradas. 2.- Purgamos el equipo abriendo solo un poco la válvula de entrada de vapor y la de salida de vapor. 3.- Abrimos completamente las válvulas de vacío 18 y 19. y abrimos la válvula de servicio de vació. 4.- Abrimos las válvulas 27 y 28 de entrada y retorno de agua fría. Y la válvula 17 que conecta al tanque de condensado. 5.- Verificamos que el tanque 101 estuviera lleno con la solución o de agua. 6.- Abrimos la válvula 5 para que empezara a circular el agua al evaporador. 7.- Abrimos la válvula de servicio de agua fría y la válvula de servicio de vapor estableciendo una presión menor a 1,5 Kg./cm2 8.- Revisamos que la válvula 19 del tanque de concentrado permaneciera cerrada. 9.- Registramos lecturas de presión, temperaturas de entrada y salida y volumen del líquido concentrado y evaporado. Resultados Experimentales  Evaporador de tubos largos Concepto Temperatura de entrada de la mezcla Presión del vapor Temperatura de vapor

Dato original 24 ºC 0.65 kg/cm2 109°C

Flujo de entrada de la solución

1GPM

Temperatura de salida del condensado Temperatura de salida del concentrado Temperatura de evaporación

18ºC 18ºC 71ºC

Volumen del condensado

6

(lt)

Volumen del concentrado

35 (lt)

Tiempo de operación del concentrado Tiempo de operación del condensado

35min 7 min

Conversión 75.2°F 9.2451 lb/in2

228.2°F Flujo masico 499.381 (lb/hr) 64.4ºF 64.4ºF 159.8 ºF Flujo masico 113.218 (lb/hr) Flujo masico 375.268 (lb/hr)

 Evaporador de calandria Concepto Temperatura de entrada de la mezcla Presión del vapor Temperatura de vapor

Dato original 30°C 1.5kg/cm2 110.56°C

Flujo de entrada de la solución

0.5GPM

Temperatura de salida del condensado Temperatura de salida del concentrado

62ºC 62ºC

Volumen del condensado

20 (lt)

Volumen del concentrado

70(lt)

Tiempo de operación

45min

Conversión 86°F 231.008°F Flujo masico 248.38 (lb/hr) 143.6ºF 143.6ºF Flujo masico 58.40 (lb/hr) Flujo masico 210.27 (lb/hr)

Memoria de cálculo  Evaporador de tubos largos Para obtener el flujo másico utilizado de la mezcla se realizaron las siguientes conversiones:

1GPM 

0.002228 ft

3

s  3600s  62.2608lb  499.3814 lb hr 1GPM 1hr ft 3

De donde 62.2608lb/ft3 es la densidad del agua a 75.4ºF que es la temperatura de la mezcla. Para obtener el flujo másico del concentrado y condensado se realizaron las siguientes consideraciones: 3 1ft Vconc 35L 3600s 62.3419lb s      375.2687lb/hr Tiempoconcn 12.32 min 1699.01LPM 1hr ft 3 3 1ft Vcond 6L 3600s 62.3419lb s      113.2186lb /hr Tiempocond 7 min 1699.01LPM 1hr ft 3

Donde 62.3419 lb/ft3 es la densidad del agua a 64.4 ºF, que es la temperatura de salida del condensado y concentrado. Para obtener las presiones absolutas: - Presión de vapor

Pab  Pmanometrica  Patmosferica Pab  (9.2451  11.3119) lb Pab  20.5570 lb -

in 2

in 2

Presión de vacío

Pab  Patmosferica  Pvacío Pab  (11.3119 - 6.8761) lb Pab  4.4358 lb

in 2

in 2

Para poder calcular el coeficiente global de transferencia de calor experimental, se aplica la siguiente formula: U 

Q  1 A  LMTD

En donde A es el área de transferencia de calor, la cual se calcula a partir de:

A  nt  af  Lt   2

En donde nt, af y Lt; son los números de tubos, superficie por pie lineal, y la longitud de los tubos respectivamente. Estos datos de obtienen a partir de las especificaciones del equipo que se encuentran en el manual de LEM y para obtener a f se recurre a la tabla 10 del Kern en donde se encuentra ese valor. Sustituyendo los valores antes mencionados en la expresión 2, encontramos: nt = 8 Lt = 2.104 m = 6.902 ft af = 0.1623 ft A  nt  af  Lt

A   8 0.1623ft  6.902ft  A  8.9615ft 2

Para calcular el LMTD se aplica la siguiente formula: T2  T1 LMTD  T2 ln T1 T2  Tvap  Tmez  T1  Tvap  Tsalcond 

LMTD 

( 228.2  75.2)  ( 228.2  64.4)  158.3386º F ( 228.2  75.2) ln ( 228.2  64.4)

Ahora bien de acuerdo al siguiente diagrama de flujo mostrado se realiza el balance de materia y energía en el sistema para poder calcular Q:

Balance de materia F  L  V   3

Sustituyendo los valores del flujo másico en la ecuación 3.

499.3814 lb hr  (375.2687  113.2186) lb hr 499.3814 lb hr  488.4873lb hr

La diferencia que se observa en la masa se debe a que existieron perdidas en la toma de volúmenes, es decir, que se perdió agua por derrame a la hora de cubicar los tanques. Balance de energía Para realizar el balance se toma en cuenta que no hay perdidas por radiación y convección, por lo tanto se dice, que el calor que entra es igual al calor que sale; por lo que nuestro balance queda: FhF  SHS  LhL  VHV  ShS   4 Pero como,   HS  hS , se tiene:

FhF  S  LhL  VHV   5 En donde: F = Volumen de la mezcla hF = Entalpía del liquido de la mezcla a la temperatura de entrada S = Flujo de vapor λ = calor latente del vapor de agua a la temperatura L = volumen del liquido concentrado hL = Entalpía del liquido concentrado a la temperatura de evaporación V = volumen del evaporado o condensado hV = Entalpía del vapor a la temperatura de evaporación. Y en donde: hF  CpF Tmez  Tvap    6

De acuerdo con la tabla de Calores específicos del Kern el Cp del agua a 75.2ºF es de 1BTU/lbºF, por lo que sustituyendo en la ecuación 6 tenemos: hF  1BTU lb º F  75.2  228.2  º F hF  153 BTU lb

Para obtener el calor latente del vapor de agua, primero se tienen que obtener las entalpías tanto del líquido como del vapor saturado, estas se obtienen de la tabla 7 (Kern), utilizando las presiones absolutas obtenidas anteriormente (P ab=20.55psi; T=228.2ºF), de este modo tenemos que: HS = 1156.352 BTU/lb hS = 196.412 BTU/lb Calculando el calor latente:   H S  hS   (1156 .352  196.412) BTU lb   959.94 BTU lb

A partir de la misma tabla y con la presión absoluta de 4.43 psi y la T de 159.8 ºF, obtenemos la HV y hV así como hL, para que de este modo podamos calcular el flujo del vapor a partir de la siguiente expresión: Lh  VHV  FhF S L   7  HV = 1128.934 BTU/lb hL = 124.846 BTU/lb Sustituyendo estos valores en la ecuación 7, obtenemos:

S

 375.2687lb/hr  124.846BTU/lb   113.2186lb/hr  1128.934BTU/lb    499.3814lb/hr  153BTU 959.94BTU / lb

S  261.5501lb / hr

Una vez que ya conocemos S podemos calcular el calor del evaporador a partir de la siguiente formula: Q  ShS  VHV  FhF   8

Sustituyendo los valores correspondientes en la ecuación 8, obtenemos:

Q   261.5501lb / hr  196.412BTU / lb   113.2186lb / hr  1128.934BTU / lb    499.3814lb / hr  153B Q  595593.2594BTU / hr

Ahora bien una vez que conocemos todos los datos requeridos para la ecuación 1, se sustituyen los mismo para poder obtener de este modo el coeficiente global de transferencia de calor experimental, por lo que tenemos: Q A  LMTD 595593.2594BTU / hr U  (8.961ft 2 )(158.3386º F ) BTU U  419.7652 lb  ft 2 º F U 

Para obtener la economía del evaporador se aplica la siguiente relación: Economia 

Ge líquido evaporado  Gv vapor de calentamiento

375.2687  0.7514 499.3814 %Economía  75.14% Economía 

Para calcular la capacidad del evaporador se realiza: Capacidad de evaporador 

Ge líquido evaporado  A area de TC

Capacidad de evaporador 

375.2687lb/hr lb  43.179 2 2 8.691ft ft  hr

 Evaporador de calandria Primero calcularemos economía del evaporador con la siguiente formula Economia 

Ge líquido evaporado 210.27    0.8465 Gv vapor de calentamiento 248.38

%Economía  84.65%

Para calcular la capacidad del evaporador se realiza: Capacidad de evaporador 

líquido evaporado Ge  A area de TC

Capacidad de evaporador 

210.27lb/hr lb  182.843 2 1.15ft 2 ft  hr

Ahora para calcular el coeficiente global de calor experimental usaremos la siguiente formula U  En donde A se calcula de la siguiente manera

Q A  LMTD

A  nt * a f * Lt

De donde nt = número de tubos = 3 af = área de flujo por tubo = 0.025 ft Lt = longitud de los tubos = 2.36ft A  nt * a f * Lt  3 * 0.1623 * 2.36  1.15 ft 2 1

Ahora necesitamos calcular el LMTD T2  T1 (231.008  86)  (231.008  143.6) LMTD    113 .788 T2 (231.008  86) ln ln 231.008  143.6 T1 Ahora para calcular Q realizaremos los siguientes pasos Establecemos un balance de materia y energía con el cual podemos calcular la cantidad de vapor requerida para la evaporación

Balance de materia F = Liquido concentrado + vapor condensado F = 72 litros + 20 litros F = 92 Litros F = 12090.566 lb/hr Balance de energía F hF + S (Hs-hs) = C hc + VHV Ecuación 1 Donde

F = Flujo másico de fluido que se va a evaporar. HF = entalpía del liquido a la temperatura de entrada. S = flujo de Vapor. Hs = Entalpía vapor saturado a la temperatura de entrada. Hs = Entalpía de liquido saturado a la temperatura de entrada. C = Flujo másico de liquido concentrado. Hc = entalpía del liquido concentrado a la temperatura de evaporación. V = Flujo másico del condensado. HV = entalpía del condensado a la temperatura de evaporación. HF = CpF (TF-T1) Para empezar primero calcularemos hF 1

af se calcula de tablas, en la cuales necesitas el diámetro (3/4”) y el BWG (16). Para este caso el resultado se obtuvo del libro Kern “Procesos de Transferencia de Calor”

hF  Cp F (TF  T1 )  1

Btu Btu (86  143.6) F  57.6 lb F lb

Ahora para el vapor necesitaremos pasar la presión del vapor a presiones absolutas con la siguiente formula Pabsoluta  Pvapor  Patmosferica  1.5kg / cm 2  0.7953kg / cm 2  2.3kg / cm 2  32.71 psi

Ahora con esta presión y refiriéndonos a tablas de vapor obtenemos los siguientes resultados de Hs y hs Hs = entalpía del vapor saturado a la temperatura de entrada = 1164.705 Btu/lbm hs = entalpía de liquido saturado a la temperatura de entrada.= 190.7 Btu / lbm ( H S  hs )  (1164 .705

Btu Btu Btu  190.7 )  974.005 lb lb lb

Por otro lado necesitamos obtener la presión absoluta, pero ahora de la presión de vacio esto lo obtenemos de la siguiente manera Pabsoluta  Patmosferica  Pvacio  11 .31 psi  6.76 psi  4.55 psi

Ahora con esta presión y temperatura obtenemos Hv = entalpía del condensado a la temperatura de evaporación = 1123.412 BTU /lbm Por ultimo Hc = entalpía del liquido concentrado a la temperatura de evaporación = 0 Ahora a partir de la ecuación 1 despejaremos S como se muestra a continuación. S

C  Hc  V  Hv  F  H F ( H S  hs )

 lb   Btu   lb  Btu   lb  Btu    210.27   0    58.40 1123 .412    248.38   57.6   hr   lb   hr  lb   hr  lb  lb  S  82.046 Btu hr 974.005 lb

Ahora como obtuvimos S, por consiguiente podemos calcular Q con la siguiente formula Q  C  Hc  V  Hv  S  hs  lb  210.27  hr Q

  0 Btu    58.40 lb 1123.412 Btu    82.046 lb 190.7 Btu  

lb



hr 

lb 



hr 

lb 

 81253.433

Ahora si recordamos para calcular el coeficiente global de transferencia de calor experimental usamos la siguiente formula U 

Q 81253.433Btu / hr Btu   620.93 A  LMTD 1.15 ft 2 *113 .788 F hr ft 2  F

Análisis de resultados  Evaporador de película El valor obtenido en la economía del evaporador nos muestra que existe una relación entre el gasto del vapor usado para el calentamiento y el gasto que se utiliza de la mezcla a evaporar por lo que se tiene una muy buena eficiencia que se aprecia en el

Btu hr

valor de 75.14% por lo que si es factible el uso del equipo ya que se puede decir que trabaja en optimas condiciones. Otro factor que debemos analizar es el coeficiente global de transferencia de calor, ya que en literatura se encuentra reportado un rango en el cual se debe de encontrar el coeficiente de calor que es de 400-2000 BTU/ft 2 hr ºF, y como se puede observar en el valor del coeficiente global este si se encuentra en este rango. Por lo que es otro punto por el cual se dice que el evaporador tiene un buen funcionamiento  Evaporador de calandria El valor de la economía del evaporador nos muestra que existe una buena relación entre el vapor usado para calentar y lo que se evapora; es decir el evaporador tiene una eficiencia buena, alrededor del 87% aproximadamente Los datos reportados en la literatura acerca del rango en el que se debe de encontrar el coeficiente global de transferencia de calor son entre 400- 2000 Btu/ h ft 2 ºF y el que nosotros calculamos fue de 620.93 Btu/ / h ft2 ºF así que se encuentra dentro de este rango por lo que podemos decir que tiene un buen funcionamiento Conclusiones Como se observa en la eficiencia de los evaporadores, el evaporador de calandria tiene una eficiencia mayor a la del evaporador de tubos largos, esto se puede deber a que el gasto manejado en el evaporador de calandria fue menor al gasto utilizado en el evaporador de película o bien a que el evaporador de calandria es mas eficiente y tiene menos ensuciamiento que el de película. Además como podemos observa el funcionamiento de los dos evaporadores instalados en LEM tiene un buen funcionamiento por lo que si es factible la utilización de los mismos para practicas, ya que no representan muchas perdidas económicas, este mismo criterio se aplica para la utilización de evaporadores en la industria ya que si el uso de un evaporador es deficiente o genera perdidas económicas no es factible su utilización por lo que se deben de hacer modificaciones o arreglos para que se tenga un uso optimo; este es el objetivo a seguir por un Ingeniero Químico que es la optimación de servicios y procesos en la industria con el fin de ahorrar costos y hacer mas eficiente dicho servicio u operación. Bibliografía:  C.J. Geankoplis “Procesos de transporte y operaciones unitarias” 3° edición. Editorial CECSA, México. 1998 

Kern Q. Donald. “Procesos de transferencia de calor”. Primera edición. México, 1965. Mc. Compañía Editorial Continental, S.A.