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Subsecretaria de Educación Superior Dirección General de Educación superior Tecnológica Instituto Tecnológico De Tuxtla Gutiérrez

INSTITUTO TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO, CAMPUS TUXTLA GUTIÉRREZ. MATERIA: Laboratorio Integral 3 PRACTICA NO. 3 Evaporador de Película Ascendente TITULAR: Ing. Roció Farrera Alcázar CARRERA: Ing. Química SEMESTRE: 8° INTEGRANTES: Nayeli Mendoza Navarro Edgar Morales Pérez Brenda Carina Pérez Bautista Jaime Valencia Sánchez FECHA DE REALIZACIÓN: Viernes 8 de Marzo de 2018 FECHA DE ENTREGA: Viernes 15 de Marzo de 2018

Introducción: 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, el producto principal es el disolvente evaporado, por ejemplo, en la evaporación del agua de mar para obtener agua potable. Hay tres tipos principales de equipo de evaporación utilizados en la industria: A. Calderas B. Evaporadores a. Plantas de fuerza b. Químicos C. Intercambiadores – Vaporizadores a. Rehervidores b. Vaporizadores Los procesos de evaporación en plantas de fuerza se clasifican en cuatro entidades: 1. Evaporadores de agua de compensación para alimentar a la caldera 2. Evaporadores de proceso para la producción de agua purificada 3. Evaporadores – transformadores de calor 4. Destiladores de salmuera. 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: de circulación natural y de circulación forzada. Los evaporadores de circulación natural se usan unitariamente o en efecto múltiple para los requerimientos más simples de evaporación. Los evaporadores de circulación forzada se usan para líquidos viscosos, para los que forman sales, y las soluciones que tienden a incrustarse. En el caso del laboratorio el equipo es un evaporador de tubo vertical de película ascendente, en el que el medio calefactor está separado del líquido por una superficie de vidrio consistente en un tubo vertical largo. Un evaporador puede ser operado de forma intermitente, semi-intermitente de forma continua intermitente y, finalmente, también se pueden operar en continuo, en cuyo caso la alimentación y la descarga son continuas, permaneciendo la concentración de la alimentación y del producto prácticamente constante. En los evaporadores de tubos verticales largos de película ascendente, hay por lo común una zona que no está en ebullición en la sección del fondo y una zona en ebullición en la parte superior.

Están diseñados para trabajar en forma continua y se adaptan muy bien a la operación en múltiple efecto. La recirculación de parte del producto al evaporador es recomendable cuando la relación de alimentación a evaporación o de alimentación a superficie calefactora es baja. Las principales ventajas que tienen los evaporadores de tubos verticales son: a) Costo moderado. b) Grandes superficies calefactoras en un solo cuerpo. c) Bajo tiempo y volúmenes de residencia. d) Ocupan poco espacio. e) Buenos coeficientes de transferencia de calor a diferencias de temperaturas razonables. Sus principales desventajas son: a) Tienen mucha altura (hasta 18 m). b) Por lo general, no son apropiados para soluciones precipitantes o incrustantes. c) Con diferencias de temperaturas pequeñas, sus coeficientes de transferencia de calor son pobres. d) Presentan demasiada sensibilidad hacia el cambio en las condiciones de operación.

Objetivos: • Conocer y experimentar el funcionamiento de un evaporador de película ascendente a nivel laboratorio. • Determinar el coeficiente global de transmisión de calor en el evaporador y el refrigerante recto. • Concentrar una solución diluida por medio del evaporador total de película ascendente. • Determinar los balances de materia para el evaporador y el separador flash.

Marco teórico. EVAPORACIÓN La evaporación es la operación de concentrar una solución mediante la eliminación de disolvente por ebullición. 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 agua. EVAPORADOR Un evaporador consiste básicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solución y un dispositivo para separar la fase vapor del líquido en ebullición. En su forma más simple puede ser una charola de líquido colocada sobre una placa caliente. La superficie de la placa caliente es un intercambiador de calor simple y el vapor se desprende en la gran área para flujo de vapor y su consecuente de baja velocidad de flujo. COMPONENTES BÁSICOS DE UN EVAPORADOR  Un intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente de evaporación del alimento líquido. En la industria de los alimentos normalmente se utiliza como medio de calentamiento vapor saturado.  Un separador en el que el vapor se separa de la fase líquida concentrada. En los sistemas que operan a presión atmosférica el separador puede omitirse  Un condensador para condensar el vapor y eliminar el condensado del sistema.

Este equipo permite concentrar una solución o remover el solvente de ésta mediante calentamiento con vapor. El solvente puede ser recuperado según sea su valor y el producto es una solución concentrada o licor grueso. Existen muchos tipos de evaporadores de acuerdo al tipo de aplicación que se requiera; sin embargo, la mayoría de los evaporadores de uso industrial emplean superficies de calentamiento tubulares (tubos largos, tubos cortos o de película agitada). Los evaporadores de tubos largos consisten en tubos de diámetro entre 1.0 y 2.0 pulgadas, de largos muy variados (desde 6.0 hasta 100 metros), insertos en una carcasa. Los evaporadores de película ascendente o descendente formados por tubos largos presentan una serie de ventajas como: bajo costo, gran superficie de calentamiento, ebullición a baja temperatura si se aplica vacío, etc. También presentan algunas desventajas como: ocupar un gran espacio físico debido a su elevada altura, no ser adecuados para líquidos que producen ensuciamiento y depósitos de sales, etc.

El equipo está formado por un único tubo vertical largo, concéntrico con otro de mayor diámetro, donde se evaporará agua mediante la utilización de vapor que circula por el espacio que queda entre ambos tubos. El equipo es completamente de vidrio tipo pyrex, y se opera en forma discontinua y aplicando vacío para lograr una ebullición a baja temperatura. La cámara de evaporación consiste en un tubo de 2.7 metros de longitud y 1" de diámetro, este tubo está rodeado por otro ubicado en forma concéntrica de 2" de diámetro y de la misma longitud. Por el espacio anular entre ambos tubos circula vapor saturado, el cual produce la ebullición en película, expansión y ascenso del solvente a través de las paredes de la cámara de evaporación. Está cámara en su base está conectada mediante un ducto horizontal de vidrio, él cual comunica en forma directa (mecanismo de vasos comunicantes) con un tubo graduado vertical que contiene la solución alimentada y el líquido condensado de recirculación. La solución fresca se alimenta al sistema desde un estanque mediante la acción de una bomba centrífuga que tiene un rodete de vidrio. El vapor generado condensa en un tubo vertical ubicado en posición paralela a la cámara de evaporación. La condensación del vapor se consigue enfriando a través de serpentín de vidrio, por el cual circula agua de enfriamiento proveniente de la red de agua potable. El condensado se recibe alternativamente en 2 recipientes esféricos de vidrio (balones), conectados en serie y ubicados en la parte inferior a la salida de este tubo.

Materiales, equipos y sustancias.

MATERIALES

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Evaporador de película ascendente

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Refractómetro

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1 vaso precipitado de 1 L

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2 probetas de 1L

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Balanza analítica

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1 agitador

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Termómetro infrarrojo

REACTIVOS Y SERVICIOS AUXILIARES

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Agua

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Azúcar

PROCEDIMIENTO. Planta piloto. 1. Verificar que la caldera cuente con agua suavizada antes de encenderla. 2. Prender el equipo y dejar que este llegue a una presión aproximada a 4 𝑘𝑔⁄𝑐𝑚2 .

Laboratorio de Ingeniería Química. 3. Verificar que las mangueras recircula agua de enfriamiento estén bien conectadas al condensador para evitar fugas, se usaran 3 bolsas de hielo. 4. Se procede a preparar una solución de 20 lt de a 2𝑜 𝑏𝑟𝑖𝑥 . 5. Colocar la solución en el tanque de alimentación. 6. Antes de alimentar vapor se debe purgar para eliminar suciedad 7. Prender el evaporador en el botón verde y al mismo tiempo empezar a alimentar vapor, este se alimenta en un rango de 7 y 10 𝑙𝑏⁄𝑝𝑢𝑙 2 . 8. Enseguida encender la bomba (S2) y abrir la válvula de alimentación verificando que el rotámetro marque 5 y 10 L/min. 9. Encender el pre calentador(S3) 10. Enseguida se enciende la bomba de vacio (S6) abriendo la válvula al máximo (400 mmHg) y se cierran las válvulas de los tanques de almacenamiento de condensado y concentrado para que este hermético. 11. Cuando el control de nivel de reflujo (R) este a la mitad de su capacidad, verificar en el display y si se enciende C3 (foco rojo), de ser asi se debe encender la bomba (S4) y abrir la válvula de recirculación (C4).

12. Verificar que la válvula de descarga al concentrado este poco abierto, de tal forma que el flujo de almacenamiento sea pequeño y estable. 13. Mantener estable el equipo aproximadamente 1 hora. 14. Medir el condensado de vapor, para determinar la cantidad de calor que este aporta al sistema. 15. Medir las temperaturas correspondientes con un termómetro infrarrojo manteniendo una distancia de aproximadamente medio metro del área de medición. 16. Al término de la hora se procede a apagar la caldera, así como también la bomba de circulación, la de vacio y el pre calentador. 17. Apagar el evaporador en el botón verde. 18. Esperar a que se recupere la parte faltante del concentrado, medir el volumen y los grados brix. Antes de medir el volumen se abren las válvulas de vacio que se encuentran por encima de los contenedores de concentrado y condensado. 19. Medir el volumen del condensado. Limpieza del equipo Nota: antes de comenzar la limpieza, las válvulas de vacio que se encuentran por encima de los tanques de almacenamiento del condensado y concentrado deben estar abiertas. 20. Con la presión que el evaporador aun presenta se procede a limpiar. 21. Se llena el tanque de alimentación de agua. 22. Se enciende el equipo nuevamente. 23. Encender la bomba de alimentación, enseguida abrir toda la válvula de alimentación.

24. Dejar que se llene el control de nivel de reflujo (R). la llave de paso debe de estar cerrada para evitar que el fluido pase al contenedor de concentrado. 25. Colocar una manguera en la guía de la alimentación, abrir la válvula para drenar. 26. Cerrar la válvula de descarga en la guía de alimentación 27. Encender la bomba de recirculación 28. Abrir la válvula de paso, para no tener recirculación y enviar el flujo al tanque de concentrado. 29. Apagar el equipo y descargar el agua del tanque de concentrado. 30. Limpiar el área de trabajo.

Diagrama de flujo.

Resultados. Uk Resultados Datos de la solución alimentada(azúcar) Temperatura de entrada Temperatura de salida Volumen de azúcar alimentado Volumen de agua extraído Temperatura del vapor destilado Temperatura del destilado condensado Velocidad de concentración de la solución Presión de vacío del equipo Volumen concentrado de azúcar

Agua de enfriamiento Temperatura entrada Temperatura salida

25 °C 0.555 KG 5.190 L 33.78

1.63O L

Entalpia del liquido

Datos del vapor Presión de vapor alimentado Temperatura de vapor alimentado Entalpia del vapor alimentado Temperatura de vapor de salida Entalpia de vapor a la salida Volumen de vapor empleado

Balances de materia y energía. Como es una solución diluida no hay elevación en el punto de ebullición por lo tanto: Top es T7= 100 °C a la cual se buscará la presión correspondiente y esta será la de operación. En el cálculo 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 = 𝑈𝐴∆𝑇 = 𝑈𝐴(𝑇𝑆 − 𝑇1 ) Ts; Temperatura del Vapor saturado (°K). T1; Temperatura del líquido en ebullición (°K). Realizando un balance de calor en el proceso de evaporación tenemos entonces que:

𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐶𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 En otros términos; 𝑆𝜆 = 𝐿ℎ𝐿 + 𝑉𝐻𝑉 − 𝐹ℎ𝐹 = 𝑈𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇1 ) S; Cantidad de vapor de agua suministrado (Kg/s). λ; Calor latente del vapor (Kj/Kg). L; Concentrado (Kg/s). hL: Entalpia de concentrado (Kj/Kg). V; Vapor de generado de la solución acuosa (Kg/s). hV: Entalpia del vapor generado de la solución acuosa (Kj/Kg). F; Alimentación (Kg/s). hF: Entalpia de la alimentación (Kg/s).

Datos

Temperaturas del proceso.  Temperatura de la caldera (Ts): 132.222°C = 405.372°K  Temperatura del Evaporador (T1): 84.2°C = 357.35°K Dimensiones del tubo (Evaporador)  Largo: 37 cm  Diámetro externo: 1.25 cm Flujo de vapor condensado.  Flujo volumétrico: 3.969 x10-4 L/s Nota: Para simplicidad de cálculo se le considerara flujo másico, razonando, que al tomar el dato, el vapor se encontraba condensado a T ambiente.  Flujo másico: 3.969 x10-4 Kg/s Calculo del calor cedido por el vapor. Teniendo en cuenta la ecuación anterior. 𝑆𝜆 = 𝐿ℎ𝐿 + 𝑉𝐻𝑉 − 𝐹ℎ𝐹 = 𝑈𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇1 )

El calor cedido por el vapor está dado por el flujo de ella y su calor latente. La λ (100°C) = 2257.38 kj/ Kg Y S = 3.969 x10-4 Kg/s Q= (2257.38 Kj/Kg)(3.969 x10-3 Kg/s)= 0.89595 Kj/s

Calculo del coeficiente global de transferencia de calor (U). Usando la ecuación del calor cedido por el proceso, podremos determinar la U, considerando tener os datos complementario (q, Ts, T1, A) 𝑞 = 𝑈𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇1 ) El área estará dada por las dimensiones del refrigerante. 𝐴𝑟𝑒𝑎 = 𝜋𝐷𝐿 = 𝜋(0.0125𝑚)(0.37𝑚) = 0.01452 𝑚2 Complementando con los presentados anteriormente, resulta ser que U; 𝑞 𝑈= (𝐴)(𝑇𝑠 − 𝑇1) 0.89595 𝑈=

𝑘𝑗 𝑠

∗(

1𝑘𝑤 1𝑘𝑗 𝑠

)

(0.01452𝑚2 )(405.372 − 357.35)°𝐾 𝑘𝑤 𝑈 = 1.284 2 𝑚 °𝐾

Coeficiente global de transferencia de calor (U): 𝑘𝑤 𝑈 = 1.284 2 𝑚 °𝐾

Conclusiones Al utilizar un evaporador de película ascendente es posible concentrar y/o separar una mezcla o solución, mediante la ebullición y el intercambio de calor. Este proceso es eficiente y muy simple, ya que no es necesario utilizar mucha energía por unidad de masa de la solución concentrada. El coeficiente global de transferencia de calor es afectado por muchas variables como puede ser, la diferente temperatura de los fluidos, presión atmosférica, tipo de flujo, el vacío, área de transmisión de calor etc, ya que existen muchos factores que no pueden mantenerse constantes o controlados e interfieren en el intercambio de calor.

Anexos

Bibliografía.

ARCELUS, J.; ATALA, C. Y JOLLY, G. Diseños y Simulación de Sistemas de Evaporadores en Múltiple 1333. Efecto. Tesis para optar por el título de Licenciado en Ingeniería Química. Universidad Iberoamericana. México, 1978. 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., McGraw-Hill New York 1984.