Transferencia de calor. Evaporador simple

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Contenido

Objetivo        3

Fundamentos teóricos        3

Equipo.        3

Hipótesis        4

Modelo matemático        4

Diseño de la práctica        6

Variables y parámetros        6

Elección del sistema        6

Hoja de datos        6

Equipo y materiales        7

Desarrollo de la práctica        7

Realización de la práctica        8

Mediciones        8

Observaciones        9

Análisis de Datos y Resultados        9

Cálculos        9

Análisis estadísticos y resultados        9

Gráficas        9

Discusión y conclusiones        9

Referencias        10

Apéndices        11

Objetivo

Comprender el funcionamiento de un evaporador simple efecto de película ascendente a nivel planta piloto, mediante:

• Obtención de balances de materia y calor,
• Cálculo de coeficiente global de transferencia de calor,
• Cálculo de la temperatura media logarítmica,
• Velocidad de evaporación y
• Evaluación de la economía del evaporador.

Fundamentos teóricos

La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea esta. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición.

La evaporación es la operación de concentrar una solución mediante la eliminación de disolvente por ebullición. Por lo general, el producto deseado es la solución concentrada, pero en algunas ocasiones, el producto principal es el disolvente evaporado, por ejemplo, en la evaporación del agua de mar para obtener agua potable.

El evaporador de película ascendente del laboratorio consiste en dos tubos verticales concéntricos: uno de vidrio y otro de acero inoxidable. El de acero se encuentra en el interior del de vidrio. El medio calefactor (vapor de agua) circula por el interior del tubo de acero y la solución de interés, por el ánulo. La alimentación entra por la parte de abajo, y de inmediato alcanza una alta velocidad de ascenso y salida hacia el separador, debido a la expansión del vapor que se genera por el calentamiento con las superficies internas del tubo (PIGNAT,

2011).

Equipo.

• Evaporador de simple efecto de película ascendente marca PIGNAT.
• Caldera.
• Balanza tipo industrial (carga máxima de 50 kg).
• Refractómetro.

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Hipótesis

Modelo matemático

Balances de masa y calor, y coeficiente global de transferencia en el evaporador.

 La ecuación para el cálculo del balance de materia global es la siguiente:

ma = me + mc

Donde:

ma: flujo másico de la solución de alimentación (kg/h).

𝑚̇𝑒: Flujo másico de la solución evaporada (kg/h).

𝑚̇𝑐: Flujo másico de la solución concentrada (kg/h). La expresión básica para determinar la capacidad de un evaporador de simple efecto es la ecuación de Fourier, que puede describirse como:

q = UAΔT

El coeficiente global de transferencia del evaporador, U, es el inverso de la resistencia global. En la mayoría de los evaporadores, el factor de ensuciamiento del vapor de agua condensante es muy pequeño, y por lo general se desprecia del cálculo de evaporadores. La resistencia global a la transferencia de calor entre el vapor de calentamiento y el líquido en ebullición es la suma de cinco resistencias individuales: la resistencia de la película de vapor (1/hi); las dos resistencias por incrustaciones, interior y exterior de los tubos; la resistencia de la pared del tubo (1/hw), y la resistencia del líquido en ebullición (1/ho). Para el caso de esta práctica, se omitirán las resistencias por incrustaciones. Entonces, la ecuación para U queda como sigue:

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Dos balances de calor que son de suma importancia en un evaporador son el del calor recibido por la solución de alimentación y el del calor cedido por el vapor. Así también pueden realizarse balances de energía para cada una de las partes en donde se lleve a cabo un intercambio de calor, como es el condensador. La ecuación que permite calcular el calor recibido por la solución de alimentación, qa, en el evaporador es la siguiente:

qa = m a Cpa (Teb − Ta)

Donde:

Cpa: Calor específico de la solución de alimentación (kJ/kg°C).

Teb : Temperatura de ebullición de la solución de alimentación (°C).

Ta : Temperatura de la solución de alimentación a la entrada del evaporador (°C).

El calor cedido por el vapor de calentamiento, qv, puede calcularse mediante la siguiente expresión:

qv = mvHv

Donde:

𝑚̇𝑣: Flujo másico del vapor (kg/h).

Hv: Calor latente de vaporización del agua a 1 atm (kJ/kg). Nota: se obtiene de Tablas de Vapor.

La energía requerida para evaporar el solvente, qs, se obtiene como sigue:

qs = meHv

La velocidad de evaporación, r, para un intercambiador de simple efecto está dada por la siguiente ecuación:

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