INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA

“LABORATORIO DE OPERACIONES DIFUSIONALES”

PRACTICA EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO DE CIRCULACION NATURAL.

TREJO TREJO CRISTEL LEONOR

GRUPO: 3PM61 Fecha de entrega: 26/05/15.

1. OBJETIVOS

Que el alumno al término de las sesiones correspondientes al estudio de este equipo experimental

sea capaz de:

a) Explicar el funcionamiento del Evaporador de Simple Efecto de Circulación Natural del

tipo de Película Ascendente-Descendente.

b) Operar el equipo realizando cambios en las variables que puedan ser controladas a

voluntad del evaporador.

c) Analizar los efectos de los cambios de las variables y como lograr un aumento en la

capacidad de producción.

2. INTRODUCCION

2.1 EVAPORACION

Operación en la cual se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la cual se

obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de

evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.

La evaporación es una importante operación unitaria comúnmente empleada para remover el agua

de productos líquidos diluidos para obtener productos líquidos concentrados

2.2 EVAPORADOR Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un

evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a

una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo

interior está el haz de tubos.

Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar

el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas para que la eficacia

sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.

Evaporadores de tubos verticales. Se denominan así porque el haz de tubos está dispuestos verticalmente dentro de la coraza.

Ilustración 1 EVAPORADOR SIMPLE EFECTO

Componentes Principales.

Los componentes principales de un evaporador son

A.- Ebullidor Tubular. Es donde ocurre el proceso de ebullición del agua o disolvente producto del calor transmitido por el vapor latente. Por lo general está constituido por un haz de tubos por donde circula la solución a concentrar y una carcasa por la cual circula el vapor latente.

B.- Separador líquido-vapor. Es donde la mezcla líquido-vapor proveniente del ebullidor es separada, obteniendo el líquido concentrado y la fase de vapor. El separador fue diseñado para evitar el arrastre de líquido concentrado en la corriente de vapor.

C.- Área de circulación del medio de calentamiento (vapor, electricidad, etc.)

Son equipos que utilizan como fuente de energía un vapor latente a una temperatura mayor a la temperatura de vaporización del agua o solución acuosa para concentrar.

2.2.1EVAPORADOR DE PELICULA DESCENDENTE

Estos tipos de evaporadores son los más difundidos en la industria alimenticia, por las ventajas operacionales y económicas que los mismos poseen.

Alta eficiencia, economía y rendimiento.

Alta flexibilidad operativa.

Altos coeficientes de transferencias térmicos.

Capacidad de trabajar con productos termo sensibles o que puedan sufrir deterioro parcial o total de sus propiedades.Limpieza rápida y sencilla (CIP)

En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo, la cual ha sido

normalmente precalentada a la temperatura de ebullición del primer efecto, mediante

intercambiadores de calor adecuados al producto

Se produce una distribución homogénea del producto dentro de los tubos en la parte superior del

evaporador, generando una película descendente de iguales características en la totalidad de los

tubos. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad de los tubos trae

aparejado posibles sitios en donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos

rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al

taponamiento de los mismos. 

Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que está siendo concentrado,

permanece en íntimo contacto con el vapor que se genera. Los dos fluidos, tanto el producto como

su vapor, tienen igual sentido de flujo, por lo que la salida de ambos es por la parte inferior de los

tubos.

En la parte inferior del evaporador se produce la separación de estas dos fases. El concentrado es

tomado por bombas y el vapor se envía al condensador (simple efecto), mientras que los sistemas

múltiefecto utilizan como medio calefactor, el vapor generado en el efecto anterior, y por lo tanto el

vapor generado en el último cuerpo es el que se envía al condensador.

2.2.2 EVAPORADOR DE PELICULA ASCENDENTE

Un evaporador de película ascendente consta de una calandria de tubos dentro de una

carcasa, la bancada de tubos es más larga que en el resto de evaporadores (10-15m).

El producto utilizado debe ser de baja viscosidad debido a que el movimiento

ascendente es natural. Los tubos se calientan con el vapor existente en el exterior de

tal forma que el líquido asciende por el interior de los tubos, debido al arrastre que

ejerce el vapor formado. El movimiento de dichos vapores genera una película que se

mueve rápidamente hacia arriba.

En estos tipos de evaporadores la alimentación se produce por la parte inferior del

equipo y la misma asciende por los tubos.

El principio teórico que tienen estos evaporadores se asimila al 'efecto sifón', ya que

cuando la alimentación se pone en contacto con los tubos calientes, comienza a

producirse la evaporación, en donde el vapor se va generando paulatinamente hasta

que el mismo, empieza a ejercer presión hacia los tubos, determinando de esta manera,

una película ascendente. Esta presión, también genera una turbulencia en el producto

que está siendo concentrado, lo que permite mejor la transferencia térmica, y por ende,

la evaporación. 

En estos evaporadores existe alta diferencia de temperaturas entre la pared y el líquido

en ebullición. Cabe mencionar que la altura de los mismos es limitada, ya que la

capacidad del vapor en arrastrar la película formada hacia la parte superior del equipo

no es suficiente y determina la altura máxima posible para el diseño.

Son evaporadores en los cuales se puede re circular el producto concentrado, donde el

mismo es enviado nuevamente al interior del equipo, y de esta forma, asegurar un

correcto caudal de alimentación.

2.3 Aplicación.

Son utilizados para la obtención de agua desmineralizada para calderas u otros procesos, en las industrias de alimentos y farmacología.

Tipo Especificidades Utilización Industrias

Evaporador de película descendente

Tiempo de residencia

corto

Poca pérdida de carga

Sin elevación

hidráulica

Escaso contenido

líquido

Productos sensibles al

calor

Presión de trabajo baja 

sin diferencia de

temperaturas

Caudal alto

química

alimentaria

farmacéutica

petroquímica

Evaporador de circulación forzada

Alta velocidad de

circulación

Poca tendencia al

ensuciamiento

No ebullición en los

tubos

Margen de carga

máximo

Producto con tendencia a

ensuciarse

Líquido con partículas en

suspensión    

Líquido con

precipitación  de sales

química

medioambienta

l

farmacéutica

alimentaria

Evaporador de circulación forzada

Tubos cortos

Sin bomba de

circulación  

En aplicaciones sencillas 

Productos no sensibles al

calor

baja viscosidad del

producto

química

farmacéutica

petroquímica

Evaporador de película ascendente

tubos de evaporador

largos   

Pocos costes de

capital

Productos espumantes

alta viscosidad del

producto

química

3. DESARROLLO EXPERIMENTAL

3.1 PRIMERA ETAPA: Precalentamiento de la solución diluida (la temperatura de precalentamiento deberá ser de 5 a 10 ºC menor a la temperatura de ebullición de la solución concentrada, leída esta, a la presión del separador).

1. Llenar el tanque de almacenamiento de la solución diluida.2. Aflojar la válvula reductora de presión.3. Cerrar la válvula de alimentación de vapor a la calandria.4. Abrir la válvula que alimenta vapor al tanque de la solución diluida. 5. Abrir la válvula de alimentación general de vapor.6. Apretar la válvula reductora de presión, observar el burbujeo continuo. 7. Esperar hasta lograr la temperatura de precalentamiento correspondiente.

3.2 SEGUNDA ETAPA: Arranque del equipo y toma de datos.

1. Abrir la válvula del tanque de solución diluida que comunica a la bomba de alimentación.

2. Abrir parcialmente la válvula de la línea de recirculación al tanque de la solución diluida y la válvula de control de flujo del rotámetro.

3. Accionar la bomba de alimentación y cuando considere que los tubos de la calandria estén totalmente llenos con solución diluida, ajustar con la válvula de control de flujo del rotámetro el valor del porcentaje seleccionado en el mismo.

4. Abrir la válvula de alimentación de vapor a la calandria y cerrar la válvula de precalentamiento.

5. Abrir la válvula de purga de gases no condensables del vapor, cuando estos salgan (observar flujo continuo de vapor), cerrar esta casi totalmente.

6. Con la válvula reductora de presión de vapor ajustar el valor de la presión manométrica.

7. Abrir la válvula de la alimentación de agua de condensación a los condensadores y verificar que esta circule a la cisterna.

8. Abrir la válvula de alimentación de agua al sello de la bomba de vacío.9. Accionar la bomba de vacío y con la válvula de control de vacío ajustar el valor

que corresponda.10.Abrir la válvula de alimentación de agua al enfriador de vapor condensado.11.Esperar a que alcance el régimen permanente.12.Comprobar que las temperaturas en cada uno de los puntos del indicador

registrador de temperaturas del tablero sean constantes y cuando estén, se podrá proceder a tomar datos.

13.Toma de datos experimentales: Los valores de las condiciones de operación. Diferencias de alturas de nivel de todos los tanques de almacenamiento. Las temperaturas del tablero (temperatura de entrada de agua al condensador y

la temperatura de la solución diluida a la entrada del cabezal inferior de la calandria).

3.3 TERCERA ETAPA: Paro del equipo

1. Desconectar el indicador-registrador de temperaturas.2. Aflojar la válvula reductora de presión de vapor hasta que el nanómetro marque

cero.3. Cerrar la válvula de alimentación general de vapor.4. Desconectar la bomba de alimentación. 5. Desconectar la bomba de vacío y cerrar la válvula de sello hidráulico.6. Cerrar las válvulas de alimentación de agua al condensador y al enfriador.7. Tomar la muestra de solución concentrada y descargar los tanques de

almacenamiento.

DIAGRAMA DE FLUJO

Tabla de datos de condiciones de operación.

Presión manométrica del vapor (kg/cm2)

0.7

Temperatura de alimentación (°C) 60°C

Vacío en el condensador (mmHg)

Tabla de datos experimentales.

Diámetro del tanque (cm)

Tiempo de operación (min)

Diferencias de altura de nivel

(cm)

Ma (kg/h)Solución diluida

59.6 3 4.4

Mp (kg/h)Solución

concentrada

34.6 3 5.6

E (kg/h)Solvente

evaporado

34.6 3 13.5

Mv (kg/h)Vapor de agua de

la caldera

40.2 3 2.5

MH20 (kg/h)Agua de

condensación

56 3 11.3

Temperaturas del sistema

T1- Temperatura de vapor de caldera 102°CT2- Temperatura del producto. 74°CT3- Temperatura del evaporado. 73°CT4- Temperatura agua de enfriamiento 34°CT5- Temperatura del evaporado condensado 35°C

4. SECUENCIA DE CALCULOS EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO CIRCULACION NATURAL DEL TIPO DE PELICULA ASCENDENTE-

DESCENDENTE

-EVAPORADOR

Balance de Materia

M A ≈ MP+E

M A=π ϕ2 ΔhMA ρ

4θ=

π (0.596m )2(0.044m)(996.78 kg

m3)

4 [3min( 1h60min

)]=216.046 kg

h

MP=π ϕ2 ΔhMP ρ

4θ=

π (0.346m )2(0.056m)(996.78 kg

m3)

4 [3min ( 1h60min

)]=104.968 kg

h

E=π ϕ2 ΔhMA ρ

4θ=

π (0.346m )2(0.05)(996.78 kg

m3)

4 [3min( 1h60min

)]=93.721 kg

h

216.046≠104.96+93.721 [¿ ]kgh

Balance de Calor

o Calor Absorbido

QA=MP HP+E H E−MA H A

H A=74 .53kcalkg

H P=66.18kcalkg

H E=621 .2kcalkg

QA=(104.968 kgh

∗66.18 kcalkg )+(93.72 kg

h∗621.2 kcal

kg )−(216.046 kgh

∗74 .53 kcalkg )

QA=49063.2084kcal

h

o Calor Suministrado

Qs=MV λV

λV=532.6kcalkg

MV=π ϕ2Δ hMV ρ

4θ=

π (0.402m )2(0.044m)(981.097 kg

m3)

4 [3min ( 1h60min

)]=108.482 kg

h

Qs=MV λV=108.42kgh

∗532.6 kcalkg

Qs=57799.7kcalh

o Calor NO Absorbido

QNA=QS−QA=57799.7kcal

h−49063.2084 kcal

h

QNA=8736.5149kcalh

Eficiencia Térmica

η=QA

Q S

∗100=49063.2084

kcalh

57799.72kcalh

∗100=84.88%

Fuerza Impulsora

ΔTx=Tsat−tx=102ºC−60 ºC=42ºC

Coeficiente Global de Transferencia de Calor

Q=UA ΔTx

A=2πϕL NT=2π (0.015m ) (2.54m ) (4 )=0.9576m2

U=Q

A Δ Tx=57799.72

kcalh

0.9576m2∗42ºC=1437.1176

kcal

hm2ºC

Determinación de Parámetros

o Economía

ε=E

MV

=93.72

kgh

108.48kgh

=0.8639

o Capacidad Evaporativa

C ϵ=EA

=93.72

kgh

0.9576m2=97.8696kg

hm2

o Capacidad de Transferencia de Calor

CO=QA

=57799.72

kcalh

0.9576m2 =60358.93kcal

hm2

Cálculo de Velocidades

o Velocidad de Salida

V S=MA

A flujo ρ

V S=1065.2

kgh

0.00283m2∗978.66kg

m3

=376737mh=104.64

ms

VE=216.046

kgh

0.00283m2∗978.66kg

m3

=78.84mh

=0.02190

o Velocidad Media

V M=V E+V S

2=0.02190

ms+104.64 m

s2

=52.33ms

Tiempo de Residencia

θ= LV M

= 2.54m

52.33ms

=0.0485 s

-CONDENSADOR

Calor Suministrado de Solvente Evaporado

QS=λE=532.5 kcalkg

∗93.72 kgh

=50468.22 kcalh

Calor Transferido al Agua de Condensación

QA=WCp(T 2−T 1)

W=π ϕ2 Δhρ4θ

=π (0.564m )2(0.113m)(996.8 kg

m3)

4 [3min( 1h60min

)]=547.8 kg

h

QA=547.5kgh

∗1 kcalkg ºC

(60ºC−35 ºC )=3287.29 kcalh

Calor NO Absorbido en el Condensador

QNA=QS−QA=50468.22kcalh

−3287.29 kcalh

=17630.70 kcalh

Eficiencia Térmica

η=QA

QS

∗100=32837.29

kcalh

50468.22kcalh

∗100=65.06%

Coeficiente de Transferencia de Calor

U=Q

A Δ T=

50468kcal

h

0.9576m2∗42ºC=1254.82

kcal

hm2ºC

Velocidad de Entrada

A=π4

(0.03m)2 (4 )=0.002827m2

2=0.001414m2

V E=WAρ

=1165.47

kgh

0.001414m2∗996.8kg

m3

=826.882mh

=0.22969ms

Velocidad de Salida

V S=WAρ

=547.8

kgh

0.001414m2∗987.12kg

m3

=392.46mh=0.10902

ms

TABLA DE RESULTADOS.

EVAPORADOR

QA (kcalh

) 49063.2084

Ma (kg/h)

216.046 Qs(kcal

h) 57799.7

Me (kg/h)

93.721 U (kcal

hm2ºC) 1437.1176

Mp (kg/h)

104.968kgh

η84.8%

Mv (kg/h)

108.42 CE (kg/m2h)

97.8696

Mw (kg/h)

547.8ε

0.8639

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Este tipo de evaporación nos sirve para concentración de jugo de frutas, y para la concentración de productos viscosos.

En la experimentación se utilizó agua, ya que era ilustrativo, pero esto podemos aplicarlo a nuevos procesos y para obtener productos de nuestro interés.

Los evaporadores de un solo pasó y de circulación en la operación la alimentación pasa una sola vez a través de los tubos, desprenden el vapor y sale como líquido concentrado. Son especialmente útiles para el tratamiento de materiales sensibles al calor pues operando a vacío elevado se puede mantener el líquido a baja temperatura durante poco tiempo de contacto.

Los balances no fueron los correctos por que alguna medición tuvimos mal asi que hubo que ajustar los valores la práctica se llevo acabo y en el transcurso purgamos y pudo haber estado ahí el error

http://es.slideshare.net/leo100/evaporacin-f

http://www.sms-vt.com/es/tecnologias/evaporadores.html

http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/Tablas_de_vapor_de_agua.pdf