Evaporador Triple Efecto 6u64

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Química Industrial

EVAPORADOR DE TRIPLE EFECTO DEL TIPO CIRCULACION NATURAL Laboratorio de Introducción a los Procesos de Separación

Profesora: Angélica Ortiz

Alumna:

Grupo: 3IM36

Equipo: 6

Sección: 13-15

Fecha de Entrega: 19-Enero-201

INTRODUCCION EVAPORADORES DE EFECTO MÚLTIPLE Los evaporadores múltiples están conectados de forma que el vapor procedente de un efecto sirve de medio de calefacción para el siguiente efecto y el líquido concentrado constituye la alimentación de éste. El primer efecto de un evaporador de efecto múltiple es aquél en el que se introduce vapor vivo y en el que la presión en el espacio del evaporador es la más elevada. El último efecto es el que tiene la presión mínima en el espacio interior. De esta forma, la presión se divide a lo largo de dos o más efectos en un sistema de efecto múltiple. La presión en cada efecto es menor que la del efecto del cuál recibe el vapor de agua y superior a la del efecto que suministra el vapor. Cada efecto, por si sólo, actúa como un evaporador de un solo efecto y cada uno de ellos tiene una caída de temperatura a través de su superficie de calefacción correspondiente a la caída de presión en dicho efecto. Capacidad y economía de los evaporadores de múltiple efecto Cuando la elevación del punto de ebullición es despreciable, el T efectivo global es igual a la suma de los T de cada efecto y la cantidad de agua evaporada por unidad de área de superficie en un evaporador de N efectos es aproximadamente igual (1/N) a la de un evaporador de simple efecto. La ventaja de un evaporador de efecto múltiple es la economía de vapor de calefacción que se obtiene, 1kg de vapor de calefacción en un evaporador de triple efecto producirá la misma(aprox) cantidad de agua evaporada que un evaporador de simple efecto que tenga la misma superficie de calefacción y la misma caída global de temperatura, pero éste último requerirá 3 veces más vapor de calefacción (3kg). En la operación en estado estacionario prácticamente todo el vapor consumido en crear vapor en el primer efecto será cedido cuando este mismo vapor condense en el segundo efecto y lo mismo ocurrirá para el tercer efecto por lo que se tiene: q1 = q2 = q3 = q q = A1U1T1 = A2U2T2 = A3U3T3 q = calor transferido por cada evaporador U = coeficiente de transmisión de calor A= área de transmisión de calor del evaporador T = caída de temperatura en cada evaporador qT = q1 + q2 +q3 = A1U1T1 + A2U2T2 + A3U3T3

Si suponemos que el área de cada efecto es A y que el coeficiente global de U es el mismo en cada efecto:

qT = UA(T1 + T2 + T3) =UAT Para un evaporador de simple efecto que opere con la misma caída de temperatura y tenga el mismo coeficiente global de transferencia de calor se tiene qT = UAT

CALCULOS Balance global de materiales de todo el sistema

M A=Mp 3 + E1 + E2 + E3 ¿ ρ@ 63℃ =994.76

kg m3 2

2

Mp3 =

π d ∆h ρ = 4θ

π ( 0.346 m ) (0.031 m)(994.76 4 (5 min)

Kg 60 min 1hr

Mp3= 0.58 min

(

¿ ρ@ 95℃ =961.62

2

E1=

π d ∆h ρ = 4θ

E1=0.633

)

Kg = 34.8 h r

kg 3 m π ( 0.346 m)2 (0.035 m)(961.62 4 (5 min)

Kg 60 min Kg =¿ 37.975 min 1 hr hr

(

)

π ( 0.346 m)2 (0.0345 m)(970.33 E 2= E2=0.63

kg ) 3 m

4 (5 min) Kg 60 min Kg =¿ 37.77 min 1 hr hr

(

kg ) m3

)

kg ) 3 m

2

π ( 0.346 m) (0.038 m)(978.78 E3=

kg ) m3

4 (5 min)

E2=0.7

Kg 60 min Kg =¿ 41.97 min 1 hr hr

(

)

M A=34.8+ 37.975+ 37.77+41.97 M A=152.515 kg / hr

BALANCE DE MATERIALES PARA CADA EFECTO EFECTO 1

M P1  M A  M E1 M P1  152.515  37.975  114.54kg / hr

EFECTO 2

M P 2  M P1  M E 2 M P 2  114.54  37.77  76.77 kg / hr EFECTO 3

M P3  M P 2  M E 3 M P 3  76.44  41.97  34.8kg / hr BALANCE DE CALOR PARA CADA EFECTO EFECTO 1 Calor suministrado: 2

2

Mv=

π d ∆ hρ = 4θ

π ( 0.4 m ) (0.035 m)(987.09 4 (5 min)

kg ) m3

Mv=0.8682

Kg Kg 60 min =¿ 52.097 hr min 1 hr

(

vap @ TV 102º C  537.7

)

Kcal Kg

QS 1  M V V QS 1  (52.097

Kg Kcal Kcal ) * (537.097 )  28012.76 hr kg hr

Calor absorbido

Q A1  M P1 H P1  E1 H E1  M A H A Kcal Kcal (95  0)º C  95 Kg º C Kg Kcal  60  0 º C  60 Kcal * H A1 @ 60º C  TA  1 Kg º C Kg Kcal * H E  H E @ 95º C  637.2 Kg * H P1 @ 95º C  Tp  1

Kg Kcal Kg Kcal Kg Kcal )(95 )  (37.975 )(637.2 )  (152.515 )(60 ) h Kg h Kg h Kg Kcal QA1  25928.07 h Kcal QNA1  QS 1  QA1  28012.76  25928.07 h Kcal QNA1  2084.69 h QA1  (114.54

EFECTO 2 Calor suministrado

 E1 @ 95º C  542.1

Kcal Kg

QS 2  M E1E1 QS 2  (37.975

Kg Kcal Kcal )(542.1 )  20586.2475 hr kg hr

Calor absorbido

Q A 2  M P 2 H P 2  E 2 H E 2  M P1 H P1 Kcal Kg Kcal * H E 2 @ 82º C  632.1 Kg Kcal * H P1 @ 95º C  95 Kg * H P2

@ 82º C

 82

Kg Kcal Kg Kcal Kg Kcal )(82 )  (37.77 )( 632.1 )  (114.54 )(95 ) h Kg h Kg h Kg Kcal QA 2  19288.257 h Kcal QNA 2  QS 2  QA 2  20586.2475  19288.257 h Kcal QNA 2  1297.9905 h QA 2  (76.77

EFECTO 3 Calor suministrado

 E 2 @ 82º C  550.1

Kcal Kg

QS 3  M E 2E 2 QS 3  (37.77

Kg Kcal Kcal )(550.1 )  20777.277 hr kg hr

Calor absorbido

Q A3  M P 3 H P 3  E3 H E 3  M P 2 H P 2 Kcal Kg Kcal H E 3 @ 68C  626.5 Kg Kcal H P 2 @ 82º C  82 Kg H P 3 @ 68º C  68

Kg Kcal Kg Kcal Kg Kcal )(68 )  (41.97 )(626.5 )  (76.77 )(82 ) h Kg h Kg h Kg Kcal QA3  22365.465 h Kcal QNA 3  QS 3  QA3  20777.277  22365.465 h Kcal QNA 3  1588.188 h QA3  (34.8

Calor total QA TOTAL  QA1  QA 2  QA3  25928.07  19288.257  22365.465 Kcal h  QS 1  QS 2  QS 3  28012.76  20586.2475  20777.277

QA TOTAL  67581.792 QS TOTAL

Kcal hr  QNA1  QNA 2  QNA 3  2084.69  1297.9905  1588.188

QS TOTAL  69653.0075 QNA TOTAL

QNA TOTAL  1794.4925

Kcal h

Calculo de la eficiencia térmica

1 

QA1 25928.07  100   100  92.55% QS1 28012.76

2 

QA 2 19288.257  100   100  93.69% QS 2 20586.2475

3 

QA 3 22365.465  100   100  107.64% QS 3 20777.277

T 

QAT 67581.792  100   100  97.02% QST 69653.0075

Cálculo de “u” para cada efecto y total del proceso

A   D L nt     0.03 2.54  4  0.9575m 2 L  2.54 m D  3 cm  0.03 m nt  Número de tubos  4 tubos Kcal 25928.07 QA1 kcal h U1    3870.43 2 2 A T1 (0.9575m )(102  95C ) hm C Kcal 19288.257 QA 2 kcal h U2    1550.38 2 2 A T2 (0.9575m )(95  82C ) hm C Kcal 22365.465 QA 3 kcal h U3    1669.32 2 2 A T3 (0.9575m )(82  68C ) hm C

UT 

1 1 1 1   U1 U 2 U 3

1 1 1 1   3870.43 1550.38 1669.32 kcal U T  665.6 2 hm C U T 

Cálculo el factor de economía.

1



E1 Kg. de evaporado  M V Kg. vapor utilizado

Kg h  0.72 Kg. de evaporado 1  kg Kg. vapor utilizado 52.097 h 37.975

2



E 2 Kg. de evaporado  E1 Kg. vapor utilizado

Kg h  0.99 Kg. de evaporado 2  kg Kg. vapor utilizado 37.975 h 37.77

3



E3 Kg. de evaporado  E 2 Kg. vapor utilizado

Kg h  1.11 Kg. de evaporado 3  kg Kg. vapor utilizado 37.77 h 41.97

T



ET Kg. de evaporado  M V Kg. vapor utilizado

Kg h  2.25 Kg. de evaporado T  kg Kg. vapor utilizado 52.097 h 117.715

Cálculo de la capacidad de evaporación.

Kg h  39.6812 Kg. de evaporado C E1   Atransf. de calor 0.957m 2 hr. m 2 E1

37.975

Kg E2 h  39.4670 Kg. de evaporado CE 2   Atransf . de calor 0.957m 2 hr. m 2 37.77

Kg E3 h  43.8557 Kg. de evaporado CE 3   Atransf . de calor 0.957m 2 hr. m2 41.97

Kg h  41.00 Kg. de evaporado CET   Atransf . de calor 3 * (0.957m2 ) hr. m 2 ET

117.715

Cálculo de la capacidad de transferencia de calor.

CQ1 

CQ1 

CQ 2 

Q A1 Atransf . de calor

 U T

Kcal h  27093.0721 kcal 2 0.957 m hm 2

25925.07

Kcal h  20154.9185 kcal 2 0.957m hm 2

19288.257

CQ 3 

Kcal h  23370.3918 kcal 2 0.957 m hm 2

22365.465

Kcal h  23539.4608 kcal CQT  2 3 * (0.957 m ) hm 2 67581.792

Cálculo de la velocidad de la solución a la entrada

vE 1 

MA Aflujo  P

 (0.03m) * 2 (4)  0.0028m2 4 Kg 152.515 m 1h  m h   0.0157 vE 1   56.64  Kg h  3600seg  s (0.0028m 2 )(961.6 3 ) m Aflujo 

vE 2 

vE 2 

vE 3 

vE 3 

M P1 A flujo  P 114.54

Kg h

(0.0028m 2 )(960.91

Kg ) m3

 42.57

m 1h  m    0.0118 h  3600seg  s

M P2 Aflujo  P 76.77

Kg h

(0.0028m 2 )(978.73

Kg ) m3

 28.013

m 1h  m    0.0077 h  3600seg  s

Cálculo de la velocidad de la solución a la salida

vS 1 

M E1 Vesp. E @ TE A flujo. Kg m3 )(1.982 ) m 1h  m h kg   7.466  26880.875  2 0.0028m h  3600seg  s

(37.975 vS 1 

Vesp. E @ TE  Volumen especifico del solvente evaporadoleído a TE 95º C  1.982

vS 2 

m3 kg

M E 2 Vesp. E @ TE A flujo.

Kg m3 (37.77 )( 2.3474 ) m 1h  m h kg   8.795 vS 2   31664.75  2 0.0028m h  3600 seg  s Vesp. E @ TE  Volumen especifico del solvente evaporadoleído a TE 82º C  2.3474

vS 3 

M E 3 Vesp. E @ TE Aflujo. (41.97

vS 3 

m3 kg

Kg m3 )(6.4830 ) m 1h  m h kg   27  97175.54  2 0.0028m h  3600 seg  s

Vesp. E @ TE  Volumen especifico del solvente evaporadoleído a TE  68º C

m3  6.4830 kg

Tiempo de residencia

Ve  Vs 2

Vmedia1  tR 

l.t Vmedia

Vmedia1 

Vmedia1 

Vmedia1 

tR1 

tR 2 

tR3 

0.0157

0.0118

0.0077

m m  7.466 s s  3.74085 m 2 s m m  8.795 s s  4.4034 m 2 s m m  27 s s  13.50 m 2 s

2.54m m 3.74085 seg

 0.68seg

2.54m  0.58seg m 4.4034 seg 2.54m  0.19 seg m 13.50 seg

“CONDENSADOR”

Cálculo del consumo de agua.

M H 2O 

 (0.56) 2 (0.2m) (993.75 Kg / m3 )  1463.54 Kg / h 1hr 4(2 min)( ) 60 min

Cálculo del calor suministrado al condensador por el solvente evaporado.

QC  E3 E 3 QC  (41.97

Kg kcal kcal )(558.5 )  23440.245 h kg h

E  Calor latente del evaporado @ TEvaporado 68º C .  558.5 E  Gasto masa de evaporado  41.97

kcal kg

Kg h

Cálculo del calor aceptado por el agua de condensación

QA H 2O  M H 2O H 2O (TSalida  TEntrada) H 2O QA H 2O  (1463.54 H 2O 1

Kg Kcal kcal ) (1 )(77 - 30)º C  68786.38 h Kg hr

Kcal Kg

Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor.

U

QA Atc T

Kcal kcal h U  671.39 2 2 (1.915m )(53.5º C ) hm C 68786.38

Atc  2 x A de la calandria .  2  0.957  1.915m 2 T  Diferencia de temperatu ra en el condensado r.(77  30)/2  53.5C

Cálculo de la velocidad de circulación del agua en los tubos del condensador.

vH 2 O 

M H 2O

Aflujo  H 2 O

Kg h vH 2 O  3 2 ( 1.413 *10 m )( 997.045 Kg. 1463.54

m3

)

Aflujo  0.785 D 2 nt Aflujo   0.785  0.03  2  1.413 *103 m 2 2

D  3 cm  0.03 m nt  2 tubos

 0.28

m seg

CONCLUSION Al finalizar esta práctica pudimos conocer el funcionamiento del evaporador de múltiple efecto de circulación natural y así poder operarlo correctamente cambiando las variables de control para una buena experimentación. En los valores obtenidos nos podemos dar cuenta que pudimos tener errores por factores como fugas de vapor, perdidas de calor por convección debido a que el equipo no está completamente aislado. Sin embargo analizando los datos de las eficiencias obtenidas concluimos que el equipo trabajo correctamente.