Laboratorio Evaporadores Aja.docx 3re33

EVAPORACIÓN

OBJETIVOS

 Determinar los balances de calor en el evaporador para un solo efecto.  Calcular el coeficiente de transferencia de calor de cada cuerpo para las condiciones de operación especificadas.  Calcular la eficiencia del evaporador.  Calcular el porcentaje de perdida de calor por radiación.  Estabilizar el evaporador.

INTRODUCCIÓN

La evaporación es una operación unitaria, que es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución líquida para así obtener una solución concentrada. En la gran mayoría de los casos, la evaporación vista como operación unitaria se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. Este proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se produce a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. La evaporación es rara pero importante e indispensable en la vida cuando se trata del agua, que se transforma en nube y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío. La evaporación se diferencia del secado en que el residuo es un líquido(a veces muy viscoso), en vez de un sólido; de la destilación, en que el vapor es generalmente un solo componente, y aun cuando sea una mezcla, en la evaporación no se pretende separar el vapor en fracciones; la cristalización, en que el interés se centra en concentrar una solución y no en la formación y crecimiento de cristales. Generalmente, en la evaporación el líquido concentrado es el producto valioso, mientras que el vapor se condensa y desprecia. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido caliente, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturado, la cual no depende de la temperatura. Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturado, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación.

1. DATOS

En la tabla 1, 2 y 3 se muestran los datos recolectados en la experiencia trabajando con unas presiones de 5, 9 y 12 psi respectivamente.

Corrida 1 2 3

Corrida 1 2 3

Corrida 1 2 3

Flujo volumétrico hH2O (mm) calandria (m3/s) 58,6 1,39E-06 54 7,02E-06 58,8 1,66E-06 45 1,11E-05 60,5 1,69E-06 50 1,15E-05 Tabla 1. Datos medidos para una P=5 psi y T=210 °F Flujo volumétrico equipo (m3/s)

T H2O, calandria (°C)

Flujo T H2O, volumétrico hH2O (mm) (°C) calandria calandria (m3/s) 52,1 10,55E-06 62 2,56E-05 53,7 13,82E-06 53 1,71E-05 57,2 14E-06 55 1,20E-05 Tabla 2. Datos medidos para una P=9 psi y T=210 °F Flujo volumétrico equipo (m3/s)

T H2O, equipo (°C) 30 30 30

T H2O, equipo (°C) 32 32 32

Flujo hH2O T H2O, volumétrico T H2O, equipo (mm) (°C) calandria (°C) calandria (m3/s) 50,6 19,71E-06 65 8,84E-06 35 52,1 22,8E-06 77 2,70E-05 35 55,3 23E-06 82 3,74E-05 35 Tabla 3. Datos medidos para una P=12 psi y T=212 °F Flujo volumétrico equipo (m3/s)

2. MUESTRA DE CÁLCULOS Y RESULTADOS

Primero se procede a hallar los promedios de los flujos del equipo y de la calandria y la temperatura promedio de la calandria a una P=3psi: Línea vaporizada en el cuerpo (Condensado del evaporador) (Calandria): ̇ ̇

̇

̇

⁄ ̇

Liquido restante en el cuerpo (flujo de agua que sale del evaporador) (equipo): ̇

̇

̇

̇

⁄ ̇

Agua de reposición en el evaporador (agua que entra al evaporador):

Puesto que se está trabajando en estado estacionario se tiene que el flujo de reposición de agua al evaporador es igual al flujo de condensado que sale del equipo. ̇

⁄

Ahora, se procede a hallar el flujo másico de los flujos volumétricos del equipo y de la calandria para realizar el balance de masa y hallar las corrientes de salidas y entradas a evaporador: Línea vaporizada en el cuerpo (Condensado del evaporador) (Calandria): ̇

̇ ⁄ ⁄

̇

⁄

Liquido restante en el cuerpo (flujo de agua que sale del evaporador) (equipo): ̇

̇ ⁄ ⁄

̇

⁄

Agua de reposición en el evaporador (agua que entra al evaporador): ̇ A continuación en la tabla 4, 5 y 6 se muestran los resultados obtenidos de las ecuaciones (1) a la (5) con todas las presiones trabajadas en la experiencia. Los valores usados de densidad fueron sacados de la literatura. Línea vaporizada en el cuerpo (Condensado del evaporador) (Calandria):

Presión (Psi) 5 9 12

Flujo Densidad Volumétrico Temperatura (m3/Kg) (m3/s) (°C) 0,987-E5 988,24 49,6 1,82333E-05 984,91 56,6 2,44133E-05 974,98 74,6 Tabla 4. Resultados con P=3

Flujo másico (Kg/s) 0,00975 0,01795 0,02380

Liquido restante en el cuerpo (flujo de agua que sale del evaporador) (equipo):

Presión (Psi) 5 9 12

Flujo Densidad Volumétrico Temperatura (m3/Kg) (m3/s) (°C) 1,58-E6 995,71 30 1,279-E5 995,09 32 2,18367E-05 994,08 35 Tabla 5. Resultados con P=9

Flujo másico (Kg/s) 0,001158 0,012727 0,0217073

Agua de reposición en el evaporador (agua que entra al evaporador):

Presión (Psi) 5 9 12

Flujo Densidad Volumétrico Temperatura (m3/Kg) (m3/s) (°C) 1,58-E6 995,71 30 1,279-E5 995,09 32 2,18367E-05 994,08 35 Tabla 6. Resultados con P=12

Flujo másico (Kg/s) 0,001158 0,012727 0,0217073

Balance De Materia Puesto que, se tienen especificados cada uno de los flujos en términos másicos, se prosigue a realizar el balance de materia para cada uno de los dos equipos. En la figura 1 se puede observar un esquema de las corrientes de salida y entrada en cada uno de los dos equipos.

Figura 1. Esquema del balance de materia aplicado al sistema de estudio

 Calandria:

 Evaporador:

Pero

Y S=C

Dónde: : Flujo de vapor vivo proveniente de la caldera : Flujo de reposición o alimentación de agua : Flujo del líquido proveniente del vapor : Flujo de condensado en la calandria : Vapor que se alimenta al evaporador : Flujo de líquido evaporado

Presión (Psi) 5 9 12

S (Kg/s)

C (Kg/s)

Z (Kg/s)

A (Kg/s)

E (Kg/s)

R (Kg/s)

0,00975 0,00975 0,001158 0,001158 0,001158 0,001158 0,01795 0,01795 0,012727 0,012727 0,012727 0,012727 0,02380 0,02380 0,0217073 0,0217073 0,0217073 0,0217073 Tabla 7. Resultados de las corrientes del balance de materia de ambos equipos.

Ya teniendo los balances de materia realizados en el evaporador y en la calandria, junto con los resultados de los flujos, se obtiene el valor de cada una de las corrientes de salida y entrada de los balances, que se observa en la tabla 7.

Balance De Energía

Se procede a hacer el balance de energía en el primer efecto:

 Calor cedido por el vapor de la caldera:

 Calor neto en el efecto o evaporador: (

)

 Calor perdido por radiación en el efecto: (8)  Porcentaje de pérdidas de calor por radiación:

 Coeficiente total de transferencia de calor en el efecto o equipo:

Dónde: : Flujo de vapor de la caldera : Calor latente del vapor de la caldera : Flujo de alimentación del evaporador : Especifico a temperatura media : Temperatura de ebullición en el cuerpo : Temperatura del alimento : Calor de evaporación del efecto o equipo : Calor latente del agua evaporada : Temperatura del vapor de la caldera

Antes de empezar de realizar las respectivas ecuaciones de los balances de energía es necesario conocer los datos de entalpía antes mencionados, que se observa en la tabla 8 sacados de la literatura: Presión (psi) 3 5 12

(KJ/Kg*°C) (KJ/Kg) (KJ/Kg) 2458 2259.6 4.187 2438 2259.6 4.188 2270 2256.42 4.188 Tabla 8. Valores de las entalpias y

Ahora se realiza la muestra de cálculo para la presión de 3 psi: De la ecuación (6)

De la ecuación (7) (

)

( (

)

(

)

)

De la ecuación (8)

De la ecuación (9)

De la ecuación (10):

A continuación se muestran los resultados del balance de energía de las tres presiones que se trabajaron en el laboratorio:

Presión (Psi) 3 5 12

q1

q1n

R1

%

U

23,9655 2,27721858 21,68828142 90,49793002 0,013578919 43,7621 25,13348323 18,62861677 42,5679224 0,154277386 54,026 43,07162466 10,95437534 20,27611768 0,276589953 Tabla 10. Resultados del balance de energía para las tres presiones trabajadas en el laboratorio.

Eficiencia

La eficiencia de un evaporador se calcula mediante la ecuación (11)

Donde: : Valor de la fracción de sequedad de vapor de calefacción

Se asumen que los flujos volumétricos son las masas de agua puesto que se encuentran en las mismas unidades

Presión (Psi) Eficiencia 5 13.97 9 83.41 12 107.3 Tabla 11. Eficiencia del evaporador a las distintas presiones del trabajo experimental

3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN

Como era de esperarse por los resultados obtenidos en la tabla 7 al aumentar la presión del vapor se necesitó y se aumentó la rapidez de evaporación, puesto que al aumentar la presión del flujo de vapor que viene de la caldera estará a una mayor temperatura de saturación e intercambiara una mayor cantidad de calor en la calandria y a su vez en el evaporador. Si se observa en la tabla 7, a medida que se aumenta la presión, es decir, se aumenta la temperatura de saturación disminuye las pérdidas de calor por radiación puesto que al entrar el vapor en dichas condiciones al evaporador ocurrirá una evaporación más rápida puesto que la fuerza impulsora en este caso la diferencia de temperatura tendrá una mayor fuerza al transferirse, es decir habrá un flujo de calor más rápido que evitara que el calor se pierda por las paredes del tanque. Al ver la eficiencia de la corrida con 12 Psi de presión en la tabla 11, nos podemos dar cuenta que hubo una mala medición en esta última corrida, aunque obedezca a los patrones esperados en la tabla 10 que son aumento de resultados a medida que se aumenta la temperatura, en el resultado de la eficiencia da un valor ilógico; En primer lugar si nos enfocamos en la realidad de las cosas, un equipo sea de cualquier clase o área (Fluidos, Calor, termodinámica no puede tener una eficiencia mayor del 100%, incluso ni podría llegar a su 100%, y segundo por la antigüedad que contribuye a su desgaste no se esperaría una eficiencia tan alta por parte del equipo. Al observar la tabla 10 en los resultados de los coeficientes de calor U se confirma lo aprendido en la literatura, a una mayor presión se alcanza un mayor coeficiente de calor U. Como es en el caso del tren de evaporadores en serie a medida que aumenta el número de efectos va disminuyendo la presión y su coeficiente de transferencia de calor U, para que se obtenga el producto deseado a de forma concentrada.

CONCLUSIÓN

En los equipos de efectos simples, en este caso especifico evaporadores; la variable determinante es la presión. Cuando la presión es mayor se da como resultado un aumento en la temperatura de ebullición del líquido; esto varia la diferencia entre las temperaturas del vapor condensante y el líquido de ebullición lo que quiere decir que se aumenta también este delta , lo que repercute directamente en el aumento de intercambio de calor dado en el evaporador. Esta conclusión también es evidente al aumentar la temperatura de saturación por acción del aumento de la presión, dando como resultado una disminución de la perdida de calor por la rápida evaporación ocurrida en consecuencia de este proceso. Para obtener una medición más acertada y precisa de los flujos de condensado es recomendable hacer uso correcto de las mangueras de salida de estos flujos; condensado y agua respectivamente puesto que el flujo es muy débil y deben estar en una correcta posición para poder obtener la medida adecuada. A medida que aumenta el número de efectos va disminuyendo la presión y a la vez disminuye el coeficiente de transferencia de calor U, como es en el caso del tren de evaporadores en serie. Finalmente, para evitar la menor perdida de calor posible suministrado por el vapor vivo, es recomendable realizar rondas periódicas de revisión en los equipos.

BIBLIOGRAFÍA



   

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL, catedra III tablas de vapor de agua, citado el 15 de mayo de 2014 de : http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/ Tablas_de_vapor_de_agua.pdf Donald Q. Kern. Procesos de transferencia de calor. Compañía editorial continental, S.A de C.V., 1965. Evaporación y evaporadores de múltiple efecto, pdf en línea, http://es.idoub.com/doc/3169438/EVAPORACION-Y-EVAPORADORESDE-MULTIPLE-EFECTO. http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/caloresph2o.pdf pdf en línea.