Informe De Evaporadores

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Facultad de Ingeniería De Petróleo, Gas Natural y Petroquímica

CURSO Laboratorio de Operaciones Unitarias I

DOCENTE

ALUMNOS Carlo Raul Frias Rivera

EVAPORADORES

I.- OBJETIVO

- Evaluar el coeficiente global de transferencia de calor del evaporador que tenemos, en este caso, del evaporador de tubos verticales de un sólo efecto.

- Concentrar una solución que consta de un soluto no volátil y un disolvente volátil.

- Analizar la operación unitaria conocida como evaporación tomando como muestra una solución de agua azucarada.

II.- FUNDAMENTO TEÓRICO

La evaporación es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada.

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.

PROPIEDAD CARACTERÍSTICAS

Concentración El líquido de alimentación puede ser suficientemente diluido y poseer muchas de las propiedades físicas del agua, pero a medida que aumenta la concentración, la solución adquiere un carácter más particular. La densidad y viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se satura. La ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales que es preciso retirar para evitar la obstrucción de los tubos.

Formación de espuma Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Con el vapor sale del evaporador una espuma estable que origina gran arrastre. En caso extremo, toda la masa de líquido es arrastrada por el vapor.

Sensibilidad a la temperatura Muchos productos químicos, medicamentos y alimentos se estropean cuando se calientan a temperaturas moderadas por un corto tiempo. En la concentración de estos materiales, se utilizarán técnicas especiales para reducir la temperatura del líquido y el tiempo de calentamiento.

Formación de costras Algunas soluciones depositan costras sobre la superficie de calentamiento; luego el coeficiente global disminuye paulatinamente hasta que es preciso parar el evaporador y limpiar los tubos. Si la costra es dura e insoluble, la limpieza es difícil y costosa.

Materiales de construcción Los evaporadores se construyen en hierro colado o acero. Pero, muchas soluciones atacan a los metales férreos o son contaminadas por ellos, siendo preciso utilizar materiales como cobre, níquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo. Como estos son caros, resulta conveniente obtener elevadas velocidades de transmisión de calor para disminuir el coste inicial del aparato.

Otras características a considerar Calor específico

Tipo de evaporador.

Liberación de gases durante la ebullición

Toxicidad

Peligro de explosión

Radiactividad

Condiciones estériles, etc.

TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODO DE OPERACIÓN

Tipos generales de evaporadores

En la evaporación 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.

MÉTODO DE OPERACIÓN PARA EL EVAPORADOR DE EFECTO SIMPLE

Evaporadores de efecto simple. La alimentación entra a TFK y en la sección de intercambio de calor entra vapor saturado a TS. El vapor condensado sale en forma de pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura T1, que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura del vapor también es T1, pues está en equilibrio con la solución en ebullición.

En el cálculo de la velocidad de transferencia de calor en un evaporador se emplea el concepto de un coeficiente total de transferencia de calor. Se establece entonces la ecuación.

q = U A T = U A(T5 – T1)

donde q es la velocidad de transferencia de calor en W (btu/h), U es el coeficiente total de transferencia de calor en W/m² . K (btu/h . pie² . ºF), A es e área de transferencia de calor en m² pie², TS es la temperatura del vapor que se condensa en K (ºF) y T1 es el punto de ebullición del líquido en K (ºF).

SECUENCIA DE LOS CÁLCULOS REALIZADOS.

Presión de vapor (Psi)

Temperatura del vapor (del solvente) = T3

Temperatura de la solución concentrada = T2

Temperatura de la solución diluida = T1

Flujo de solución diluida = F

Flujo de solución concentrada = P

Flujo de solvente evaporado = W

Flujo de vapor de calentamiento = S

CALOR ENTREGADO POR EL VAPOR DE CALENTAMIENTO:

Qo = So o

o = evaluado a la presión de trabajo.

CALOR TRANSFERIDO A LA SOLUCIÓN DILUIDA:

Q = PHp + (F-P)Hv – FHF

Hp = entalpía de la solución concentrada a T2

Hv = entalpía del vapor empleado a T2

HF = entalpía de la solución diluida a T1

PERDIDA DE CALOR

Qp =Qo - Q

CALCULO DE COEFICIENTE GLOBAL DE CALOR

Q = UAT T = To - T2

To = Temperatura de saturación del vapor

T2= Temperatura de la Solución Concentrada

ECONOMÍA DEL VAPOR

( F-P) / P

III.- DESCRIPCIÓN DE LOS PRINCIPALES EVAPORADORES

TIPO CARACTERÍSTICAS VENTAJAS DESVENTAJAS

Marmita abierta o artesa • Es la forma más simple de un evaporador. En la artesa 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 ciertos equipos sé usan paletas o raspadores para agitar el líquido. • Son económicos y de operación simple. • Excesivo desperdicio de calor.

Evaporador de tubos horizontales con circulación natural • Uno de los tipos de construcción clásica.

• La solución a evaporar hierve afuera de los tubos horizontales, dentro de los que se condensa el vapor. Los tubos horizontales interfieren con la circulación natural de líquido hirviendo, por lo que se disminuye al mínimo su agitación.

• 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 afuera de los tubos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después se le pasa por un deflector que impide el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior.

• El coeficiente global de transmisión de calor es inferior al de otras formas de evaporadores, especialmente si la solución es viscosa.

• No se hace nada para evitar la espuma presentada por la ebullición.

• Los coeficientes globales varían de 200 a 400 Btu/h*pie2*F, dependiendo de la diferencia global de temperatura, de la temperatura de ebullición y de las propiedades de la solución. • Los tubos horizontales son insertados en la caja de vapor, mediante embutido. Actualmente los tubos horizontales se usan en instalaciones pequeñas en donde la solución a tratar es diluida y no se presentan espumas ni sólidos depositados sobre los tubos del evaporador

• Se emplea para disoluciones no viscosas que no depositen cristales o impurezas en la cristalización.

• Es relativamente económico, para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. • El depósito procedente de la evaporación de la solución aumenta sobre la superficie externa de los tubos, de donde no puede quitarse fácilmente.

• Como la circulación de líquidos no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos.

Evaporadores verticales con circulación natural • 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, y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande o bajada. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor.

• A este equipo se le llama con frecuencia evaporador de tubos cortos.

• El evaporador 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, sal y sosa cáustica.

• En el evaporador de canasta, la caja del vapor forma una canasta colgada en el centro del evaporador. El calentamiento o hervido del líquido dentro de los tubos ocasiona un flujo hacia arriba a través de los mismos, mientras que

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