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UNIVERSIDAD AUTONOMA CHAPINGO DEPARTAMENTO' DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
"CARACTERIZACION Y PUESTA EN MARCHA DE dN EQUIPO PlLOTO DE EVAPORACION EN TRIPLE EFEí$fO"
IS.
S P R O F E S I O N A L
Que corno Requisito Parcial para Obtener el Titulo de:
ALBERTOPIMENTELBLANCAS
CHAPINGO, MEXICO, NOVIEMBRE DE 1999
____ ____
La tesis titulada "Caracterización y puesta en marcha de un equipo piloto de
evaporación en triple efecto" realizada por el C. ALBERTO PIMENTEL BLANCAS estuvo
bajo la dirección del C. M.C. SALVADOR VALLE GUADARRAMA y la asesoría del C. ING
IGNACIO COVARRUBIAS GUTIERREZ Fue revisada y aprobada por el siguiente jurado
examinador como requisito parcial para obtener el título de:
INGENIERO AGRO1 N DUSTRIAL
M.C. Salvador alle Guadarrarna
,; J ' SECRETARIO
VOCAL
Ing. Miguel Reyes Vigil
SUPLENTE:
Ing. Marco \/inicio Bañuelos Gudiño
CHAPINGO, MEXICO, NOVIEMBRE DE 1999
DEDICATORIA
A mi padre Jose Jesús Alberto Pimentel Ramírez, que a lo largo de mi vida
me ha inculcado los valores que rigen mi ser, a no vencerme en las adversidades y dar
siempre lo mejor de mí.
A mi madre Cayetana Blancas Muñoz que siempre me ha cultivado la nobleza
del corazón, quien me regala su amor y 'cariño en todo momento sin pedir nada a
cambio. A tí. a quien no tengo mas palabras que decirte, sino mas que gracias por
haberme regalado la existencia
A mi esposa Leticia Oliva Lara poi7 todo el apoyo y confianza que en mi ha
depositado, por que siempre ha estado conmigo en los logros y fracasos sin importar el
lugar o la situación en que me encuentre. A mis hijas Fatima Selene y Erika
Montserrat que en conjunto con su madre son el motor que impulsan a esforzarme 'y
superarme cada día, que con el amor que me dan, hacen de la vida algo más bello para
vivir.
A mis hermanos José Ramón (monc:ho), Jaime (prieto), Graciela (cachi) por el
entusiasmo que me contagian y la amistad y apoyo incondicional que me brindan.
A los verdaderos amigos, profesores, trabajadores y alumnos de Preparatoria
Agrícola y del Departamento de Ingeniería Agroindustrial que con su compañerismo y
amistad hicieron más amena mi estancia como estudiante, compartiendo los momentos
mas difíciles y felices de nuestra estancia en la escuela, que por temor a omitir a alguno
de ellos no los enumero pero que de cualquier forma saben a quien me refiero.
.
AGRADECIMIENTOS
A Dios y a mis padres por haberme dado la vida y brindarme la oportunidad de
realizar y culminar mis estudios corno Ingeniero.
A la Universidad Autónoma Chapingo, en especial a los Departamentos de
Preparatoria Agrícola y de Ingeniería Agrciindustrial que contribuyeron cada uno en mi
formación profesional.
AI M.C. Salvador Valle Guadarramsi por la amistad brindada y por haber dirigido
el presente trabajo de investigación hasta SLI culminación, por el apoyo brindado con sus
sugerencias y comentarios.
AI Dr. Teodoro Espinosa Solares, al Ing. Ignacio Covarrubias Gutiérrez, al Ing.
Miguel Reyes Vigil, al Ing. Marco Vinicici Baiiuelos Gudiño por la revisión de este
documento, que con sus sugerencias y opiniones enriquecieron el contenido de este trabajo
y su participación como jurado calificador.
AI Ing. Ignacio Covarrubias Gutiérrez por la amistad brindada y la orientación
recibida en la realización de este trabajo.
A todos los profesores que contribuyeron en mi formación profesional
A los administrativos y personal de mantenimiento de la Universidad y del
Departamento de Ingeniería agroindustrial que en su momento colaboraron en el presente
trabajo.
RESUMEN
CARACTERIZACI~N Y PUESTA EN MARCHA DE UN EQUIPO PILOTO
DE EVAPOFWCION EN TRIPLE EFECTO.
En este trabajo se realizó la rehabilitación, puesta en marcha y
caracterización de la operación de un equipo de evaporación en triple efecto de
nivel piloto, ubicado en las instalaciones del Departamento de Ingenieria
Agroindustrial en la Universidad Autónoma Chapingo.
Los trabajos de rehabilitación, consistieron en la aplicación de rutinas de
mantenimiento correctivo, a empaques, fluxes, calandrias instrumentos de
medición y dispositivos de flujo y generación de vacío.
Para la puesta en marcha, se sistematizó el procedimiento de arranque y
paro del sistema para lograr las condiciones de régimen estacionario en el menor
tiempo.
La caracterización fue enfocada al desarrollo de un manual de operación y
el desarrollo de una metodología para la determinación del Coeficiente global de
cada uno de los efectos.
El trabajo se encontró limitado por la dificultad de disponer de un sistema
generador de vacío, en condiciones Óptimas de funcionamiento, por lo cual los
resultados quedan restringidos a propuestas metodológicas de trabajo.
SIJMMARY
CARACTERIZATION AND STARTING UP OF A PILOT EQUIPMENT FOR
TRIPLE EFFECT EVAPORATION.
In this work the reconditioning starting up and caracterization of the operation
of a pilot equipment for triple effect evaporation were done, this equipment is located
in the facilities of the Ingeniería Agroinclustrial Departament from the Universidad
Autónoma Chapingo.
The reconditioning work was to carry out corrective maintenance activities for
gaskets, fluxes, calandrias, measurement gauges and fluid a vacuum devices.
The starting up and stopping procmedure were sistematized to acomplish the
steady state conditions in the minimum tirte.
Caracterization was directed to the development of an operration manual and
the development of a metodology for getting the global coefficient for each one of
the effects.
The work was not complete because the vacuum generation system was not
in best working conditions, and because of this results of this work are limited to
metodology work propusals.
CONTENIDO
I. Introducción ....................... ........................................................ 1
II. Antecedentes .................... ........................................................ 3
111. Objetivos ....................................................................................................................... 4
IV. Revision bibliográfica .........................................................
4.1 Introduccion ....................................................................
4.2 Tipos de evaporadores utilizados en la agroindustria ...............................
4.3 Transferencia calor en el evaporador ...........................................................
. . I
. .
4.3.1 Coeficiente de película del vapor 'condensante
4.3.2 Coeficiente del lado del liquido .....................
......
4.4 Coeficiente global de transferencia de calor U .............
4.5 Balance de entalpía en un evaporador en múltiple efecto
4.6 Análisis de la evaporación de un evaporador en
4.6.1 Elevación del punto de ebullición ..
4.6.2 Efecto de la presión hidrostática
4.7.2 Cuerpo de evaporación
..................................... .51
4.7 Sistema de evaporación industrial ..... ........ ...................... .54
V. Metodologia ............................... ................................................................. ..!58
...................................... !54
5.1 Diagnóstico mecánico y pue ............................................... ..58
5.2 Evaluación del coeficiente global de transferencia de calor ................................. 60
................................................................. 64 VI. Resultados y discusión de resultados
6.1 Descripción mecánica del evaporador ........................................................
6.1.1 Cuerpo del evaporador ..................................................
6.1.2 Equipo de medición y lectura .................................................
6.1.3 Unidad Ó equipo generador de vacío
6.1.4 Inyección de vapor ......................
6.1.5 Sistema eléctrico y de potencia ...........................................................
........ ...........
6.2 Descripción de flujos ......................................................... ....................... .76
ii
...................................... 76
................................................... 76
6.2.1 Sistema de flujo y alimentación ..............
6.2.2 Sistema de vapor y condensados ............
6.2.3 Sistema de vacío ..................................................................................
6.3 Funcionamiento del equipo
6.3.1 Arranque ..................
6.3.2 Operació
6.3.3 Paro ...... ........................................... 86
............ .a7
6.4.1 Mantenimiento correctivo ...................................... a7
................................... 87
.................................... 88
6.4.1.3 Sistema de vapor y condensados . . ................................................ 89
6.4.1.4 Sistema de medición y regisitro ............................................................... 91
6.4.1 .5 Sistema eléctrico ........
6.4 Mantenimiento de equipo __ .
6.4.1.1 Sistema de flujo
6.4.1.2 Sistema de vaci
............................................... ..Y2
6.4.2 Mantenimiento preventivo ................................................................................ 93
6.5 Coeficiente global de transferencia de calor ....................................................... Y5
6.6 Evaluación de la operación del equipo .......................................... ...... .99
VII. Conclusiones ........................................................................
VIII. Bibliografía ..........................................................................
Anexo I . Manual de operación y mantenimiento ......................
Anexo 2. Análisis de certidumbre ....................................
Anexo 3. Análisis teórico de estrategias para eficientizar la evaporación
iii
INDICE DE CUADROS Y FiÜÜWS FIGURAS
4.1 .I Izquierda, nomenclatura en un evaporador; derecha. evaporación en sjmple efecto ...
4.1.2Evaporacion en doble efecto ............................................................................. .,
., 4.1.3 Evaporacm en tnple efecto ................................................................................ ............................ a
circulación natural .. : ............................. ............................................. I 1
......................................................... 13
......................................................... 14
4.2.1 (a) Ecvaporador de tubos horizontales con circulación natural; (b) evaporador vertical con
4.2.2 Evaporador T.A.S.T.E .......... 4.2.3 Concentrador ultra-rápido L
4.2.5 Evaporador de tubos largos ........................................ 4.2.6 Equipo de Evaporación en triple efecto. ...................
4.2.4 Evaporador de película agitada Luwa .......................
4.2.7 Formas de circular la alimentación: (a) Corriente Directa, (b) Contracorriente, (c) Mixta, (d) en
Paralelo ........................... .................................................................. 20
4.3.1 Sistema de dos fluidos separados por una froritera sólida ..................................................................... 22
4.3.2 Representación gráfica de un sistema de dos fluidos a diferente temperatura
4.3.2.1 Flux de calor frente a una caida de temperatura para la ebullición de agua a 100 'C ......
4.3.2.2 Coeficiente de transferencia de calor frente ii AT para la ebullición de agua a 1 atm ...................... 31
4.4.1 Curvas temperatura-longitud en un evap
4.4.2 Referencia de las temperaturas y coefia
4.5.1 Balance de entalpía en un simple efecto
4.5.2 Balance de materia y energía en un eva
4.6.1 Lineas de Dilhnng sistema hidróxido sódico-agua ................................................................................... 50
4.6.2 Variación de la temperatura de la solución a lo largo de los tubos y caída de temperatura en un
....................... 40
....................................... .42
evaporador vertical de tubos largos .................................................................
4.7.1 . I Cuerpo de evaporación y disposición de los tiJbos .................................
4.7.1.2 Salida de condensados del cuerpo de evaporación ..... 5.2.1 Esquema en donde se ubican las variables del sistema de evaporación para la evaluación del
coeficiente global U ....... ....... ........................... 61
6.1 .I .I Columna de evaporación y distanaa entre tubos
6.1.1.2 Alimentación de la columna al separador ciclónico ....... ............................................................ 66
6.1.1.3 Mirillas del separador ciclónico
6.1.1.4 Tubo de nivel de columna y tanques de extra
6.1 .I .5 Direccionamiento del uso de las válvulas en
6.1.1.6 Columnas de condensación ............................ 6.1.3.1 Sistema generador de vacío ................................................................................................... 6.1.4.1 Inyeccion de vapor al sistema ..................................................................................................
6.2.1.1 Alimentación al sistema de evaporación ............................................................................................... 77
6.3.1 .I Numeración de válvulas ytubos de nivel en el equipo piloto de evaporación ..................................... 82
................................................
..
CUADROS
5.2.1 Plantilla para el registro de la operación de la corrida tipo en la determinación de las condiciones
alcanzadas de acuerdo a la lectura en aparatos existentes para la evaluación el Coeficiente
Global ...................... ........ ............... 63
6.5.1 Resultados en el primer efecto para corridas con agua pura y arreglo del evaporador en triple
efecto ..... ............ ................................................................ .......... ........... .96
6.5.2 Resultados en el segundo efecto para corridas con agua pura y arreglo del evaporador en
triple efecto .................................................................................................................................................. 97
6.5.3 Resultados en el tercer efecto para corrida!; con agua pura y arreglo del evaporador en triple
efecto ...............................................................................................
6.5.4 Coeficientes globales empiricos medios. ..... ............................
6.6.1 Distribución de temperaturas y presiones de eimllición
6.6.2 Vapor generado aparür del origen de la energía de evaporación
6.6.3 Implernentación teórica de estrategias para elevar la eficiencia
PIANOS DE CARACTERIZACION
Diagrama de flujo.. ............................................................................................................................................ 65a
Diagrama de tuberia e lnstrumentacion ........................................................................................................... 65b
Evaporadores ...................................................................................................................................................... ~ 5 c
Condensadores ............................................................................................................................................... .69a
..
Tanque de extracción. ...............................................................
Separador ciclónico ........ ................................
1
I. INTRODUCCION
La formación de profesionales en áreas técnico-ingenieriles requiere en la mayoría
de los casos, de la disponibilidad de equipos a escala piloto que permitan al estudiante
obtener habilidades en el manejo de sistemas industriales.
La carrera de Ingenieria que se imparte en el Departamento de Ingeniería
Agroindustrial (D.I.A.) de la Universidad Autónoma Chapingo no es la excepción.
Con objeto de atender esta necesidad el D.I.A. cuenta con algunos equipos de
carácter piloto entre los que se tienen: un evaporador en triple efecto, un evaporador
centrífugo, una torre de destilación semicontínua, un frigorífico experimental y un secador
por atomización.
El trabajo que aquí se presenta está relacionado con el Evaporador en Triple Efecto,
con su descripción, puesta en marcha, diagnbstico mecánico y operativo, su caracterización
paramétrica y su mantenimiento.
El evaporador es un equipo adquirido por el D.I.A. en el año de 1974 con la
finalidad de apoyar la parte práctica de los wrsos de operaciones unitarias. No obstante,
por sus características, puede dedicarse a actividades tanto productivas como de
investigación. AI inicio del presente trabajo el equipo en cuestión se encontraba fuera de
funcionamiento por problemas mecánicos, requería mantenimiento en varias de sus partes
y se desconocían los parametros de su operación.
Con la intención de ser habilitado, este equipo fue sometido a un proceso exhaustivo
de mantenimiento correctivo hasta donde el recurso disponible lo permitió, se definió una
secuencia de arranque para llevarlo a régimen estacionario y se determinaron los
principales parametros para la operación en diferentes corridas.
2
Asimismo, se construyó un manual de operación y mantenimiento, estructurado en el
apartado de resultados, que lleva como finalidad proporcionar la ayuda necesaria a
cualquier usuario de éste equipo.
Es necesario mencionar que el alcance del trabajo se vio limitado por la
disponibilidad de recursos económicos y en algunos casos, como ocurrió con la bomba de
vacío, solo se irnplementó una rutina de mantenimiento cuando en realidad se requiere
sustituir totalmente el accesorio. De cualquier forma, el trabajo presenta aspectos
importantes de la operación del sistema de evaporación y contribuye a una generación de
prácticas de los cursos de fenómenos de Transferencia y Operaciones Unitarias.
5
IV. REVISIÓN t31BLIOGRÁFICA
4.1 Introducción
Los procesos de transmisión de calor acompañados por un cambio de fase, son más
complejos que el simple intercambio de calor entre fluidos. Un cambio de fase implica la
adición o substracción de una cantidad considerable de energia calorífica a temperatura
constante o casi constante (McCabe y Smith, 1978). Un ejemplo muy importante de la
transferencia de calor a líquidos en ebullición que se presenta con frecuencia y se presenta
como una operación individual es la llamada evaporación.
El objetivo es concentrar una solución que consta de un soluto no volátil y un
disolvente volátil. En la inmensa mayoría de h s evaporaciones el disolvente volátil es agua.
La evaporación se lleva a cabo vaporizando una parte del disolvente con el fin de obtener
una solución concentrada. Desde un punto cle vista industrial, se entiende por evaporación
la operación consistente en reducir la proporción de agua pasando el solvente de líquido
a vapor, con el objeto de concentrarlo; en físitx, es la transformación en vapor de un líquido
sin que éste alcance su temperatura de ebullición. De acuerdo a esto, en un sistema de
evaporación (como el Triple Efecto), el fenómeno que se realiza no es el de evaporación,
sino otro fenómeno parecido: la vaporizacitjn. La evaporación es un fenómeno que se
efectúa en la superficie del líquido. La vaporización es la transformación en vapor de un
líquido que está en ebullición, produciéndose en todo el líquido que se encuentra hirviendo;
en el equipo, la evaporación se efectúa en toda la masa del líquido que se concentra
(I.C.I.A., 1979). Sin embargo, a pesar de esti? contexto, la industria y las personas que se
relacionan en el ambiente de las operaciones unitarias en un proceso industrial, denominan
evaporación a la vaporización de un fluido; por ello, en el presente trabajo se respeta tal
concepción aún cuando se ha establecido la diferencia en ambos fenómenos.
3
II . ANTECEDENTES
El Equipo Piloto de Evaporación en Triple Efecto ubicado en el ala Oriente del Area
de Plantas Piloto data del mes de Febrero de 1974, cuando la Escuela Nacional de
Agricultura, a través del Departamento de Industrias Agricolas, hoy Departamento de
Ingeniería Agroindustrial (D.I.A.), lo adquiera por diseño de la Escuela Superior de
Ingeniería Química e Industrias Extractivas (E.S.I.Q.I.E.). del Instituto Politécnico Nacional.
En este año fue puesto en marcha por profesores del D.I.A. y fue utilizado como un
apoyo fuerte de enseñanza en cursos de corte ingenieril. Sin embargo, la falta de un
mantenimiento continuo dió como resultado el paro de este equipo en 1983.
Desde este año, se realizaron diferentes intentos de ponerlo en funcionamiento, pero
debido a desmantelamientos parciales y a la nuda información sobre su funcionamiento, no
se obtuvieron resultados satisfactorios. Desde entonces, el esfuerzo que se describe en
este trabajo reviste el mayor impulso para rehabilitar el sistema y devolverlo al sistema de
prácticas de los cursos.
Una experiencia similar fué realizada en1 el aRo de 1994 cuando se caracterizó y se
puso en marcha un equipo de evaporación centrífugo propiedad de Instituto Politécnico
Nacional (I.P.N.). AI igual que en este caso, el equipo se encontraba fuera de
funcionamiento por razones de falta de mantenimiento.
111. OBJETIVOS
1. Rehabilitar y poner en funcionamiento el Equipo
Piloto de Evaporación en Triple Efecto del D.I.A. a
través de la aplicación de un programa de
mantenimiento correctivo.
2. Caracterizar los principles parámetros de operacón
del Equipo Piloto de Evaporación en Triple Efecto.
3. Desarrollar un Mariual de Operaciones y
Mantenimiento del Equipo Piloto de Evaporación en
Triple Efecto.
!
6
Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están la concentración de
soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche
y jugo de naranja. En estos casos, la solución concentrada es el producto deseado y el
agua evaporada suele desecharse; en otro, el agua que contiene pequehas cantidades de
minerales se evapora para obtener agua litire de sólidos, para alimentar calderas, para
procesos especiales, o para el consumo humano. Se han desarrollado y utilizado procesos
de evaporación a gran escala para la recuperación de agua potable a partir de agua de mar
(Geankoplis, 1986; y McCabe y Smith, 1978).
La mayoria de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa
sobre tubos metálicos. El material que se evapora, casi siempre circula por el intenor de
tubos, la mezcla líquido-vapor resultante se alimenta a un dispositivo que separa el vapor
por un lado y el llquido por el otro, este proceso se lleva a cabo a través de un cuerpo de
evaporación o efecto. Se entiende por efecto a uno o varios cuerpos de evaporación que
operan a una misma presión.
Si se suministra vapor de agua a uno o varios evaporadores, como se muestra en
la figura 4. I. 1 a una misma presión, se denomina Evaporación en Simple Efecto; por el
contrario, si el vapor se suministra a un proceso como el que se muestra en la figura 4.1.2
y el vapor producido en el primer evaporador se usará como fuente térmica en un segundo
evaporador que operará a menor presión quir el primero, se llama Evaporación en Doble
Efecto; cuando el mismo principio se aplica a tres efectos como se muestra en la figure
4.1.3 es una Evaporación en Triple Efecto. Ein la evaporación en Múltiple Efecto (más de
un cuerpo de evaporación) para la transferencia de calor entre el vapor de un efecto y el
líquido en ebullición del siguiente, la presión en cada uno de los evaporadores que se
suceden, debe ser menor que los predecesores.
7
Esta caída de presiones que se establece del primer efecto al Último efecto del
sistema de evaporación, obedece a que el vapor generado que se utihzara
posteriormente como medio de calefacción, y el liquido que sale de la columna de
evaporación se encuentran a una misma temperatura, el vapor está en su punto de
saturación y el líquido en su punto de ebullición, ambos a una misma temperatura y
a una cierta presión P,. Si a este liquido logramos disminuir su presión por medio de
un sistema de vacio, el punto de ebullición del líquido saturado sufrirá de igual manera
un ajuste consistente en la disminución cle su temperatura de ebullición favoreciendo
dos situaciones: a)el líquido para suprimir la diferencia de temperatura de su punto de
ebullición a la nueva presión P, presentará una evaporación 'flash" Ó súbita para
lograr nuevamente el equilibrio; b)este liquido tendrá una temperatura de ebullición
inferior a la temperatura del vapor que se separó anteriormente a la presión P, estableciéndose un gradiente de temperatura entre el vapor y el liquido, lograndose
con ello el flujo de calor del vapor al liquido y llevándose a cabo nuevamente la
evaporación,
Generalmente se utiliza vapor de agua a baja presión (< 7 kg,ícrn2), y el liquido
hierve a un valor moderado de T". AI disminuir la temperatura de ebullición del liquido
aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el liquido que
hierve y, por consiguiente, aumenta la velocidad de transferencia de calor en el
evaporador. El vapor de calefacción empl'eado en los procesos de evaporación no se
encuentra a presión elevada, aunque al ser mayor su presión es mayor también su
temperatura de condensación, aumentando así el gradiente de temperaturas entre la
cámara de condensación y la de ebullición1 y con ello la cantidad de calor. La razón de
que no se empleé a presión alta es que en el evaporador el vapor no se utiliza para
producir energía mecánica. De hecho, aunque la entalpia del vapor a presión alta es
mayor que a presión baja, su calor de condensación disminuye al aumentar la presión,
disminuyendo as¡ la cantidad de calor suministrado por kg de vapor condensado,
además, al aumentar la presión aumenta el coste del aparato (Ocon y Tojo, 1980).
__ Pi R
FIGURA 4.1.1 Izquierda, nomenclatura en uri evaporador; derecha. evaporación en simple efecto.
liquido de alimentxion condensados C C
(4 (C) -I
FIGURA 4.1.2 Evaporacióln en doble efecto
willl;;$yj: A- T
C C C
FIGURA 4.1.3 Evaporación en triple efecto.
9
4.2 Tipos de evaporadores utilizados on la industria.
Los alimentos o soluciones líquidas en las que se persigue disminuir el solvente o
medio en el que estan disueltos, se efectúa en aparatos que utilizan vapor como medio de
calentamiento y operan al vacío. En los equipos siempre se busca obtener una
concentración elevada llevando a cabo la operación en el menor tiempo posible, tales
condiciones deben cumplir un consumo de vapor moderado que permita una justificación
económica, y un punto de ebullición que no modiifique las características fisicoquimicas del
producto:
La concentración puede llevarse a cabo en varios tipos de evaporadores, sin
embargo se prefieren aquellos en los que la economía de vapor es elevada. Se entiende
por economía de vapor a los kg de vapor obtenido o separado de la solución de trabajo por
kg de vapor vivo que se ha utilizado en el primer cuerpo de evaporación de un múltiple
efecto. La evaporación en múltiple efecto busca reducir el consumo de vapor. Algunos
equipos comúnmente usados en la industria alimenticia son:
- Evaporador de tubos horizontales con circulación natural.
- Evap6rador vertical con circulación natural.
- Evaporador TASTE.
- Concentrador ultra-rápido Luwa.
- Evaporador de película agitada.
- Evaporador vertical de tubos largos.
- Evaporadores en Múltiple Efecto.
Evaporador de tubos horizontales con circulación natural.
En la figura . 4.2.1 (a) se muestra un evaporador de este tipo. El banco
horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador
de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa. El condensado sale por el
otro extremo de los tubos; la solución en ebullición está por fuera de los tubos. El
10
vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se le hace pasar por
dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte
supenor. Este equipo, relativamente econórnilro, puede utilizarse para líquidos no viscosos
con alto coeficiente de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones.
Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para
materiales viscosos. Este evaporador opera en régimen contínuo con la alimentación
entrando a velocidad constante y con el concentrado saliendo a velocidad constante.
(Geankoplis, 1986).
Evaporador vertical con circulación natural.
En este tipo se utilizan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido esta
dentro de los tubos, por lo que el vapor se c'mdensa en el exterior. Debido a la ebullición
y a la disminución de la densidad, el líquido :;e eleva en los tubos por circulación natural y
fluye hacia abajo por medio de un espacio abierto o bajada tal mmo se muestra en la figura.
4.2.1 (b). Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor, no
siendo útíl con líquidos viscosos. A este evaporador se le llama con frecuencia evaporador
de tubos cortos. (Geankoplis, 1986).
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Evaporador TASTE.
Este equipo está basado en el prirxipio de alta temperatura y tiempo breve. El
nombre del equipo son las siglas de la frase 'Thermal Accelerated Short Time
Evaporation', el cual opera con múltiples fases de calentamiento y de concentración
para alcanzar la capacidad de evaporacióii Óptima con el mayor ahorro de vapor y de
agua de condensación.
Uno de los modelos más difundidos tiene 7 fases de concentración y 5 fases
de calentamiento. En este sistema de evaporación, el jugo es precalentado antes de
entrar a la primer columna de evaporación, se busca elevar su temperatura y
aprovechar al máximo el calor sensible del vapor de caldera al encontrarse la
alimentación a una temperatura elevada. 1El aparato comprende 7 haces de tubos, 7
separadores de vapor, 5 precalentadores de tubo, un condensador barométrico y un
"flash cooler" (enfriador rápido del concentrado obtenido). Este equipo se usa con
frecuencia en el procesamiento de jugos de citricos. En el caso de jugo de naranja se
logran concentraciones de 65 "Brix (Torres e Ybarra, 1989).
Concentrador ultra-rápido Luwa.
Este equipo utiliza el principio de la centrifugación para la distribución uniforme
del jugo sobre toda la superficie de evaporación. Está constituido por una envolvente!
cilindrica mantenida al vacio, en el interisor de la cual un árbol provisto de cuatrci
paletas gira a alta velocidad (500 - 1000 rpm), repartiendo uniformemente el jugo
sobre toda la superficie de calentamiento en una capa de alrededor de 1 mm de
espesor. El jugo se introduce cerca de una estrangulación colocada alrededor de 2í3
paries de la altura total del aparato. A causa de la fuerza de gravedad, la delgada
capa de jugo formada sobre la pared interna del aparato, resbala hacia abajo y, al
mismo tiempo, se le somete a una intensa evaporación por el alto vacio presente y por
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4 C O N D M S A W R
FIGURA 4.2.3 Concentrador ultra-rápido Luwa. (Fuente: Lara y Velásquez. 1993)
15
la introducción de calor del exterior. El producto concentrado llega a la base del
evaporador en un tiempo muy breve y se extrae mediante una bomba adecuada.
Los vapores que se liberan en la evaporación suben a lo largo del tubo y llegan
al separador de gotas constituido por la parte del aparato arriba del punto de entrada
del jugo. Es en esta sección donde por medio de centrifugación se separan las gotas
del líquido arrastradas por el vapor, las cuales regresan a la cámara se evaporación
y los vapores se mandan al condensador (Lara y Velazquez, 1993).
Evaporador de película agitada.
La principal resistencia a la transferencia de calor en un evaporador,
corresponde al líquido. Un método para aumentar la turbulencia de la pelicula liquida
y, por tanto, el coeficiente de transferencia de calor, consiste en una agitación
mecánica de dicha pelicula. Esto se lleva acabo en un evaporador de caida de pelicula
modificado, usando un solo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador
interno. El líquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia
abajo se dispersa en forma de pelicula turbulenta por la acción de aspas de agitación
verticales. La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador
para salir por la parte superior. Este tipo de evaporador es muy práctico para
materiales muy viscosos, pues el coeficiente de transferencia de calor es mayor que
en los de circulación forzada, sin embargo tiene un costo alto y una capacidad baja.
(McCabe y Smith, 1978).
.c Concenoacio
FIGURA 4.2.4 Evaporador de Película Agitada. (Fuente: McCabe y Smith. 1978.)
Evaporador vertical de tubos largos.
Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy
alto en comparación con el lado del liquido que se evapora, es conveniente contar con
velocidades altas para el líquido. En un evaporador vertical de tubos largos como el
que se muestra en la figura. 5.2.5, el liquido está en el interior de los tubos. Los tubos
tienen longitudes de 3 a 10 m y la formación de burbujas en su interior produce una
17
acción de bombeo que ayuda a obtener velocidades de liquido muy altas. Por lo
general, el líquido pasa una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen
ser bastante bajos en este modelo. En algunos casos, cuando la relación velocidad de
alimentakión a velocidad de evaporación es baja, puede utilizarse una recirculación
natural del producto a traves del evaporador, aiiadiendo una conexión de tuberia entre
la salida del concentrado y la linea de alimentación. Este es un método muy común
en la producción de leche condensada. (Geankoplis, 1986).
vapor ?
I
condensados +- I
1
alinientacion
FIGURA 4.2.5 Evaporador de Tubos Largos.
(Fuente: Geankopk 1986)
Evaporadores en Múltiple Efecto.
En la figura. 4.2.6 se representa tres evaporadores de tubos cortos conectados
para formar un sistema de triple efecto. I-a configuración en múltiple efecto se puede
obtener empleando cualquiera de los tipos de evaporadores descritos anteriormente,
solo es necesario tener en cuenta que al unirlos exista un gradiente de presiones y
que el vapor formado en uno sea utilizado como medio de calefacción en el cuerpo de
evaporación siguiente. De esta manera, s,erá posible conocer la forma de alimentación
como se ilustra posteriormente. En la figura 4.2.6 las conexiones se realizan de
manera tal que el vapor procedente de un efecto sirve como medio de calentamiento
para el efecto contiguo. Mediante un condensador y un eyector se establece un vacío
en el tercer efecto de la serie y se retiran los no condensables del sistema. El primer
efecto de un evaporador de efecto múltiple es aquel en el que se introduce el vapor
vivo y en el la presión de espacio de vapor adquiere el valor más elevado. El Último
efecto es el que tiene la menor presión en el espacio de vapor, de forma que en un
sistema de Múltiple Efecto la diferencia de presión entre el vapor vivo y el condensador
se extiende a lo largo de dos o mas efectos. La presión en cada efecto es menor que
en el efecto del cual recibe el vapor y superior a la del efecto que suministra vapor.
Cada efecto actúa en si como un evaporador de efecto simple con una caída
temperatura a traves de su superficie de calentamiento correspondiente a la caída de
presión en dicho efecto. El acoplamiento de una serie de unidades de evaporación
para formar un sistema de efecto múltiple es una cuestión que afecta a una serie de
tuberías y no a la estructura de unidades individuales. (McCabe y Smith, 1978).
FIGURA 4.2.6 Equipo de evaporación #en triple efecto. (Fuente; McCabey Srnifh. 1978.)
Métudus de alimentación, La forma habitual de alimentar un evaporador de múltiple
efecto consiste en introducir, mediante una bomba, la alimentación diluida en el primer
efecto y hacerla pasar sucesivamente a traves de los demás efectos, segun se indica
en la figura. 4.2.7 (a). Este método recibe el nombre de alimentación directa. La
concentración de la solución crece al pasar del primero al último efecto, operando con
el modelo de flujo más sencillo. En una alimentación directa se obtienen evaporaciones
adicionales por el efecto "flash" que se produce por alimentar un liquido saturado a un
recinto con menor presión, lo cual ocurre apartir del segundo efecto. Se necesita una
bomba para introducir la alimentación diluida en el primer efecto, que generalmente
esta a una presión superior a la atmosférica, y una bomba para extraer la solución
concentrada del Último efecto. Sin embargo el paso de un efecto a otro se puede
realizar sin bombas, ya que el flujo tiene lugar en el sentido de presiones decrecientes,
siendo suficiente situar válvulas de control en las tuberías de conexión.
Otro método frecuentemente utilizado es la alimentación inversa, en el cual la
alimentación diluida se introduce en el último efecto y se bombea a través de los
sucesivos efectos hasta el primero, según se representa en la figura 4.2.7 (b) La
20
alimentación inversa da lugar generalmente a una mayor capacidad que la
alimentación directa cuando la solución concentrada es muy viscosa, y proporciona
una mayor economía de vapor cuando la alimentación entra fria.
FIGURA 4.2.7 Formas de circular la alimentación (a) Corriente Directa, (b) Contrawniente.
(c) Mixta. (d:i en Paralelo. [Fuente: McCabe y Smith. 7978.)
A veces se utilizan otras formas de alimentación. En la alimentación mixta, la
solución diluida entra en un efecto intermedio, circula con alimentación directa hasta
el Último efecto de la serie y después se bombea en sentido contrario en los primeros
efectos para alcanzar la concentración final, según se indica en la figura. 4.2.7 (c).
Esto elimina algunas de las bombas necesarias en la alimentación inversa y permite
realizar la evaporación final a la temperatura mas elevada. En los evaporadores de
cristalización, en los que se retira una suspensión de cristales y aguas madres, la
alimentación se puede introducir directamente en cada efecto, dando lugar a lo que
21
se llama alimentación paralela que se representa en al Figura. 4.2.7 (d). En la alimentación
paralela no hay paso de solución de un efecto a otro.
4.3 Transferencia de calor en el evaporador
La transferencia de calor puede verificarse por medio de uno o más de los tres
mecanismos de transferencia: conducción, convección y radiación. La conducción térmica
puede existir en cualquier estado de agrega'vión de la materia, sin embargo, sólo en los
sólidos es posible prácticamente realizar una conducción pura, en los fluidos la sola
presencia de un gradiente de temperaturas provoca fenómenos de convección, que pueden
ser más importantes que la conducción existente. (Holman, 1986). La transferencia de calor
por conducción se expresa como Ley de Fourier para la conducción de calor en fluidos y
sólidos:
donde qx velocidad de transferencia de calor,
A
T temperatura,
X distancia,
k Coeficiente de conductividad termica
área de sección transversal normal,
A diferencia de la conducción térmica, la convección incluye un movimiento
macroscópico de la materia, en este fenómeno se dá un cambio de fase ya que se presenta
la ebullición, evaporación o condensación.
22
La convección térmica es un fenómeno complejo cuyo conocimiento es parcial
basado en resultados experimentales y en la aplicación sistemática del análisis
dimensional. (Torres e Ybarra, 1989). Eil análisis de los problemas de evaporación se
lleva a cabo por la aplicación de conceptos referentes a la transmisión de calor, de
aqui la importancia del estudio de ellos.
Cuando un vapor se condensa sobre tubos (como en el caso del triple efecto)
pueden ocurrir dos formas de condensación, en gotas y en película. La condensación
en gotas es más eficiente pero es mas azarosa. Sin embargo, dada la dificultad para
estudiar una condensación por gotas, las relaciones existentes se refieren a una
condensación película.
La figura 4.3.1 muestra un sistema de dos fluidos a diferente temperatura
separados por una frontera sólida,
fluido 1 Pared fluico 2 ~'.-"---"--",---
.resi3hei e n a resistencb convxtim c o n a u c h convecha
FIGURA 4.3.1 Sistema de dos fluidos separados por una frontera sólida
23
El sistema representa el flujo de calor a través de tres resistencias, la Cual es
esquematizada por la figura 4.3.2
FIGURA 4.3.2 Representacion grafica de un sistema de dos fluidos a diferente temperatura.
Los flujos de calor en cada resistencia son (Holman, 1986):
a) A través del fluido 1 (Resistencia Convectiva)
4 = hi Ai(Ti- 7’:)
b) A traves de la pared sólida (Resistencia Conductiva)
c) A través del fluido 2 (Resistencia Convectiva)
4 = h2 A~!TI - ir</
Siguiendo el procedimiento de suma de resis.-ncias y .-erzas impulsoras:
Ti-T$ 4 = - , e I
(4)
24
Esta es la ILey de Fourier para el caso de una transferencia de calor por conducción
y convección como la que se presenta en un evaporador. Si tomamos como referencia una
transferencia de calor como la que se presenta en un evaporador de tubos que utiliza vapor
como medio de calentamiento, Q es la cantidad de calor que se transfiere; TI, temperatura
del vapor; T4, temperatura de la alimentación; hi, coeficiente de película del vapor
condensante; h2, cneficiente del lado del líquido; Ai, área externa; 4, área interna; Am, área
media logarítmica; e, espesor de la pared; k coeficiente de conductividad térmica de la
pared.
La resistencia global a la transmisión de calor entre el vapor condensante y el líquido
en ebullición en el equipo de evaporación es La suma de cinco resistencias individuales: la
resistencia de película del vapor condensante!; la resistencia de las incrustaciones una en
el interior y otra en el exterior de los tubos; la resistencia de la pared del tubo; y la
resistencia del líquido hirviente. En la mayor parte de los evaporadores, el factor de
ensuciamiento del vapor condensante y la resistencia de la pared del tubo son muy
pequeños, y generalmente se desprecian en los cálculos.
4.3.1 Coeficiente de película del vapor condensante.
El coeficiente de película del vapor condensante se caracteriza por tener un valor
elevado, aún para la condensación en película. A veces se añaden aditivos al vapor con
el fin de conseguir la condensación en gotas y entonces el coeficiente es todavía mayor.
Puesto que la presencia de gases incondensables reduce notablemente el coeficiente de
película del vapor condensante, es preciso eliminartos de la cámara de condensación del
vapor y, cuando el vapor de agua condensado a una presión inferior a la atmosférica,
evitar que pueda haber fugas de aire hacia el interior.
25
Nusselt (McCabe y Smith, 1978) fue el primero en deducir las ecuaciones básicas
de la velocidad de transmisión de calor para la condensación en película. Las ecuaciones
de Nusselt se basan en la suposición de que en el limite exterior de la capa del líquido
condensado el vapor y el líquido están en eqiliiibrio termodinámico, de forma que la única
resistencia al flujo de calor es la que ofrece la (capa de condensado que desciende con flujo
laminar bajo la acción de la gravedad. También se admite que la velocidad del líquido en
la pared es cero, que dicha velocidad en el exterior de la película no está influenciada por
la velocidad del vapor, y que las temperatura.s de la pared y el vapor son constantes. Se
desprecia el sobrecalentamiento del vapor, se supone que el condensado abandona el tubo
a la temperatura media de película.
Tubos verticales. La teoría de Nusselt establece que, en la condensación en
película, comienza a formarse la película de condensado en la parte superior del tubo, y
que el espesor de la misma aumenta rápidamente en los primeros centímetros de la parte
superior para hacerlo luego más lentamente en la restante longitud de tubo. Se supone
que el calor fluye a través de la película de condensado solamente por conducción, de
forma que el coeficiente local viene dado por la siguiente expresión siendo 6 el espesor de
la película (Madams, 1954).
Resulta, por consiguiente, que el coeficiente local es inversamente proporcional a
espesor de película.
Cuando un líquido fluye por gravedad en estado estacionario con flujo laminar,
formando una capa sobre una superficie vertical o inclinada, el espesor de la capa se
puede calcular. Si en la película existe un gradiente de temperatura, el espesor 6 de la
misma viene dado por la siguiente expresión,
26
(7)
donde F es el espesor de la película; r es la carga de líquido; pf es la viscosidad del fluido;
pf, es la densidad del fluido; g es la gravedad; p es el ángulo de inclinación del plano;
estando pf y pf evaluadas a la temperatura media de película.
La velocidad de transmisión de calor entre la capa de líquido y la superficie del
sólido también se puede calcular teóricamente, efectuando ciertas suposiciones
simplificantes. Las velocidades de transmisión de calor experimentales son, en general,
superiores a las que predice la teoría, debido a la aparición de ondulaciones y una suave
turbulencia en la película líquida. Con fines estimativos, McAdarns ha recomendado la
siguiente ecuación para el flujo sobre superficies verticales
C+,P l i 4r - 0.00806( -) (- )'j
h6 kf k ~-
P f
Substituyendo el valor de 6 de la ecuación (7) en la ecuación (8), resulta
27
La ecuación (9) es aplicable al flujo en capas sobre iaminas planas, así como
también sobre el interior o exterior de tubos verticales, con tal de que el espesor 6 sea
pequeño en comparación con el diámetro del tubo.
Para la condensación sobre la superficie exterior de un tubo vertical, McCabe
y Smith (1978) mencionan que el coeficiente local viene dado por la relacion
h( -) P? '13 = 1.47( -) 4 r b - 113
k/3 ~ $ 9 P f
Siendo:
h= coeficiente medio basado en todo el tubo, kcaVm'h "C
k,= conductividad calorifica del condensado a la temperatura de referencia. kcal/m h"C
p,= viscosidad del condensado a la temperatura de referencia kg/m h
p,= densidad del condensado a la temperatura de referencia, kg/m3
g= aceleración de la gravedad, 1,271 x 1 O', m/h2
rb= m/nD, = carga de condensado por unidad de perímetro del tubo, evaluación en
el fondo del tubo, kglm h
m = flujo rnasico, kg
Do = diámetro interno, m
La temperatura de referencia para la evaluación de p,,k, y p, se define por
siendo T, = temperatura de referencia
T, =
T p AT,=
temperatura del vapor condensante
temperatura de la superficie exterior de la pared del tubo
diferencia de temperatura entre el vapor condensante y la pared
del tubo
28
Con frecuencia la ecuación (1 O) se iJtiliza en una forma equivalente, en la cual se
elimina el término r b considerando un coefciente medio para todo el tubo, en donde Se
incluye la iongitiid total del tubo -L-, y siendo evaluada entre los límites desde O hasta r b
; para dar
4.3.2 Coeficiente del lado del líquido.
El coeficiente del lado del líquido depende en gran parte de la velocidad del líquido
sobre la superficie calentada. En la mayor parte de los evaporadores, y especialmente en
los que operan con materiales viscosos, la resistencia del lado del líquido controla la
velocidad de transferencia de calor al líquido que hierve. La circulación forzada en
evaporadores de tubos largos, origina elevados coeficientes del lado del líquido, aún
cuando se suprime la ebullición en el interior de los tubos debido a la elevada carga
estática. En los evaporadores de circulación natural, la velocidad aumenta enormemente
en las inmediaciones de la parte superior de los tubos, alcanzando valores mucho más
elevados que en las unidades de tubos mrto!j. Por consiguiente, el coeficiente del lado del
líquido es mayor y depende de las caracteristicas del líquido, de su velocidad, del volumeii
de vapor desprendido, y de la temperatura entre la pared del tubo y el líquido hirviente
(McCabe y Smith, 1978).
Cuando la ebullición se produce mediante una superficie caliente sumergida, la
temperatura de la masa del líquido es la misma que la temperatura de ebullición del
líquido a la presión existente en el aparato. Las burbujas de vapor se generan en la
superficie de calentamiento, ascienden a traves de la masa del líquido y se romper)
sobre la superficie del mismo. El vapor se acumula en el espacio existente sobre el
líquido y, a medida que se va formando, abandona el aparato. Este tipo de ebullición
29
se denomina ebullición de líquido saturado debido a que el vapor que se forma está en
equilibrio con el líquido a su temperatura de ebullición.
El comportamiento de la ebullición, y por consiguiente de su estudio al
determinar el coeficiente de ebullición, o coeficiente del lado del liquido, es en realidad
un fenómeno' más complejo que el esquema que se ha descrito anteriormente.
Consideremos un tubo que contiene un líquido en ebullición, supongamos que se mide
la densidad de flujo de calor (Flux), q/A, ien kilocalorías por metro cuadrado por hora,
y la diferencia entre la temperatura de pared del tubo y la del líquido hirviente AT. Se
comienza con una caída de temperatura muy pequeña, que se va incrementando por
etapas midiendo el Flux y el AT para cada etapa, hasta alcanzar valores muy grandes
de AT. Mediante una representación de coordenadas logarítmica de q/A frente a AT se
obtiene una curva como se indica en la figura 4.3.2.1. Estas curva se pude dividir en
cuatro tramos. El primero de ellos, correspondiente a pequeñas caídas de temperatura
y viene dado por la recta AB. El segundo tramo, línea BC, también es recto pero su
pendiente es mayor que la del tramo anterior. El segundo tramo termina en un punto
donde se presenta un Flux máximo, es decir donde la densidad de flujo de calor (qlA)
es máxima que corresponde al punto C en la figura anterior. La caída de temperatura
donde se presenta este Flux máximo se le conoce como caída crítica de temperatura.
30
.a/ I I J I io IOZ I o' IO4
FIGURA 4.3.2.1 flux de calor frente a caida de
temperatura para la ebullición de agua a 100 "C . (Fuen/e;
McCabe y Smith. 1978. /I
En el tercer tramo, linea CD, el Flux disminuye a medida que aumenta la
temperatura para alcanzar un minimo en el punto D, que se llama punto de
Leidenfrost. En el Último tramo, linea DE, el Flux aumenta nuevamente con AT y, para
grandes caídas de temperatura, sobrepasa el máximo alcanzado en el punto C.
Teniendo en cuenta que por definición h=(q/A)/AT, la gráfica de la figura.
4.3.2.1 se puede representar como una grafica de h frente a AT. Esta curva se
representa en la figura. 4.3.2.2 en la cual se observa que el coeficiente pasa por un
valor máximo y un valor minimo. El coeficiente máximo se presenta generalmente para
una caida de temperatura ligeramente superior al Flux máximo, y el coeficiente minimo
ocurre para una caida de temperatura mucho mayor que la del punto de Leidenfrost.
31
FIGURA 4.3.2.2 Coeficiente de Transmisión de Calor frente a AT para
la ebullición de agua a 1 atm. (fuenie: McCabe y Sm3h. 198Z)
Cada uno de los tramos de la figura 4.3.2.2 corresponde a un mecanismo de
ebullición. En la primera parte, donde SE! presentan bajas caidas de temperatura, el
mecanismo es el correspondiente a la transmisión de calor a un liquido por convección
natural. Las burbujas se forman sobre la superficie de calentamiento, se desprenden
de ella, asciende hasta la superficie del liquido y pasan al espacio de vapor, pero
como el número de burbujas es pequetic' no distorsionan las corrientes normales de
la convección libre.
Para caidas de temperaturas mas altas, comprendidas entre 5 y 25 "C para e1
caso que se presenta en la figura. 4.?.2.2 , la velocidad de formación de burbujas
aumenta, de forma que la corriente ascendente de ellas a través del liquido aumenta
la velocidad de las corrientes de circulación y el coeficiente de transmisión de calor
es mayor que para la convección natural no distorsionada. El tipo de ebullición
presentada se conoce como ebullición riucleada y siempre se presenta antes de
ocurrir el incremento critico de temperatura. En esta etapa las burbujas ocupan una
pequeña porción de la superficie de calentamiento de forma que la mayor parte de la
32
superficie está en contacto con el líquido. Lac burbujas se generan en las imperfecciones
de la superficie como hoyuelos y arañados.
A medida que transcurre el Flux de calor, la cantidad de burbujas formadas se unen
entre si para formar una capa de vapor aislante sobre la superficie de calentamiento. Dicha
capa posee una superficie muy inestable con formación de diminutas que envían chorros
de vapor desde el elemento de calefacción hacia el interior de la masa interior del líquido.
Este tipo de acción se llama ebullición de transición. AI aumentar la caída de temperatura
en esta región aumenta el espesor de la película de vapor y disminuye el número de
((explosiones)) que se producen en un determinado intervalo de tiempo. Tanto el coeficiente
de transmisión de calor como Flux disminuyen al aumentar la caída de temperatura.
Cerca del punto de Leidenfrost se produce otra variante distinta del mecanismo. La
superficie caliente se recubre con una capa estática de vapor, a través de la cual se
transmite calor por conducción. Las «exDlosiones» al azar desaparecen y son
reemplazadas por una lenta y ordenada formación de burbujas en la interfase comprendida
entre el IíqÚido y la película de vapor caliente. I-a agitación del líquido no es tan importante
ya que toda la resistencia a la transmisión de calor proviene de la envoltura de vapor que
recubre la superficie de calefacción. El tipo de ebullición correspondiente a esta región se
conoce con el nombre de ebullición de película. Generalmente no es de gran relevancia
este tipo de ebullición en los aparatos comerciales pues la transmisión de calor es pequeña
en comparación con la caída de temperatura, es decir, ésta no se utiliza eficazmente.
Debido a esto, siempre se busca diseñar y hacer funcionar los aparatos de modo
que la caída de temperatura no sobrepase la caída crítica de temperatura, es decir, donde
el Flux es máximo y la ebullición es nucleada.
33
La eficacia de la ebullición nucleada depende principalmente de la facilidad con que
se forman y liberan por sí mismas las burbujas en la superficie de calentamiento. La capa
de líquido próxima a la superficie caliente se recalienta debido al contacto con la superficie
del tubo, este líquido sobrecalentado tiende a formar espontáneamente vapor para así
suprimir el sobrecalentamiento. Esta tendencia del líquido a sufrir una vaporización súbita
o “flash” es lo que proporciona el ímpetu característico de la ebullición.
Incremento crítico de temperatura y flux máximo.
El incremento crítico de temperatura para el agua está generalmente comprendido
entre 40” y 50°C. Para fluidos orgánicos puede ser mayor o menor, dependiendo
grandemente de la proximidad entre la temperatura de operación y la temperatura crítica
termodinámica. La caída crítica de temperatura depende de la presión y es poco sensible
al tipo de superficie de calentamiento.
En los aparatos reales se puede sobrepasar el incremento critico de temperatura si
no se toman precauciones para ello. Si la fuente de calor no es un líquido en ebullición sino
otro fluido, tal como vapor de agua condensante, el único inconveniente de sobrepasar el
incremento crítico de la temperatura es la disrninución del Flux hasta un nivel comprendido
entre el máximo y la del punto de Leidenfros,t.
El flux máximo para el incremento crítico de temperatura es elevado. Para el agua
está comprendida en el intervalo de 300,OOCI a 1,000,000 kcallm’ h, dependiendo de la
pureza del agua, la presión, y el tipo y condición de la superficie de calentamiento. Para
líquidos orgánicos éste cae en el intervalo de 100.000 a 350.000 kcallm’ h (McCabe y
Smith, 1978). Estos límites corresponden a la ebullición a la presión atmosférica.
Se ha señalado que cerca del incremento crítico de temperatura las corrientes
de burbujas características de la ebullición nucleada son progresivamente
34
reemplazadas por chorros de vapor que salen de la superficie de transmisión de calor.
Como es lógico, esta acción va acompañada por corrientes de líquido que fluyen hacia la
superficie. Para el valor máximo del Flux los flujos en contracorriente de vapor y líquido
alcanzan una corldición limite, el proceso se hace inestable, y los chorros de vapor se
reúnen entre si para formar una envoltura continua. Basándose en este modelo, Zuber
(1958, citado por McCabe y Smith, 1978) obtuvo la siguiente ecuación, dimensionalmente
homogénea, para el flujo de calor (qíA) máximo
siendo (qíA)máx la densidad de flujo de calor máximo; o la tensión interfacial entre el líquido
y el vapor; pL y pv las densidades del líquido y el vapor, respectivamente.
AI aumentar la presión del sistema aumenta pv sin modificaciones grandes en los
demás términos de la ecuación (13), con lo cual aumenta en consecuencia el flujo de calor
máximo. Si se incrementa suficientemente la presión, el calor latente de vaporización
tiende hacia cero, de forma que finalmente se produce una disminución del flujo de calor
máximo.
Ebullición de película mínimo.
En la ebullición de película se forman ondulaciones de una longitud de onda
característica en la interface comprendida entre el líquido y el vapor. Estas
ondulaciones crecen para formar burbujas clue abandonan la interfase a intervalos
de tiempo regularmente espaciados. El diámetro de las burbujas es aproximadamente
igual a la mitad de la longitud de onda de las ondulaciones. Considerando la dinámica
de este proceso (McCabe y Smith, 1978) y la nomenclatura de la ecuación (13) se
35
llega a la siguiente ecuación para el flujo de calor mínimo necesario para la ebullición
de película estable en una lámina horizontal.
La ebullición de película es un proceso más regular que la ebullición nucleada
o la ebullición de transición, y ha sido sismetida a un amplio análisis teórico. Puesto
que la velocidad de transmisión de calor está regida exclusivamente por la película de
vapor, naturaleza de la superficie de calentamiento no ejerce ninguna influencia cobre
la ebullición de película. La siguiente ecuación, propuesta por Breen (1952, citado por
McCabe y Smith 1978) es aplicable, con una considerable exactitud, para la ebullición
de película en un amplio intervalo de condiciones.
/? j114= O. 59 f O. 069 2
»o
3,,p,AT
Siendo h, = coeficiente de transrnisión de calor, kcal/m2 hoc;
viscosidad del vapor, kglm h
caída de temperature a traves de la pelicula de vapor, "C;
p v =
AT =
k, = conductividad térmica del vapor, kcallm hoc; pL,pv = densidad de liquido y el vapor, respectivamente, kg/m3.
Do = diámetro exterior del tubo caliente, m.
En las ecuaciones 14 y 15, h es la variación de entalpia entre el liquido y el
vapor recalentado y viene dada por
1 0.33CpAT - n(I+
/i
36
siendo l. el calor latente de vaporización, en kcalkg, y Cp el calor especifico del vapor
a presión constante, en kcaiíkg"C.
El término Lc de la ecuación (15) es longitud de onda, en metros, de la menor
onda que puede crecer en amplitud sobre una interfase horizontal plana, y está
relacionada con las propiedades del fluido mediante la ecuación.
siendo u la tensión interfacial entre el liquido y el vapor, en kg/m. La ecuación (1 5) no
incluye el efecto de la transmisión de calor por radiación.
También se han desarrollado ecuuciones para la ebullición de películas en
tubos verticales sumergidos pero tienen una validez menos general que la ecuación
(15). El desprendimiento del vapor desde una superficie vertical es más complejo que
en una superficie horizontal, y el análisis resulta por esta razón más difícil.
Debido a la dificultad de medir los elevados coeficientes de película individuales
de un evaporador, los resultados experimentales se expresan generalmente en función
de coeficientes globales. Se pueden basar sobre la caida aparente de temperatura 6
caida neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevación del punto de
ebullición (McCabe y Smith, 1978 ).
El coeficiente global de transferencia de calor U en un evaporador, está
influenciado por los mismos factores que los coeficientes individuales. El A T es la
diferencia entre la temperatura de condensación del vapor vivo y la temperatura de
ebullición del liquido hirviente contenido en la cámara de evaporación (Ocon y Tojo,
1980), la entrada de vapor de agua entra a una temperatura similar a la del
37
condensado que sale del cuerpo de evaporación. Esto significa que el vapor de agua
sólo transfiere su calor latente puesto que el vapor está en equilibrio con el liquido
(Geankoplis, 1976).
4.4 Coeficiente global de transferencia de calor U.
En muchas situaciones prácticas, no se conocen las temperaturas superficiales
(o condiciones límite), pero se sabe que ambos lados de la superficie sólida están en
contacto con un fluido. En el evaporador el vapor que se encuentra en la carcaza se
condensa sobre tubos por los cuales circule un fluido que se calienta y se evapora.
Bajo esta perspectiva, se presenta un fenómeno de conducción, provista por la
pared del tubo; y un fenómeno de convección verificada en el líquido que se condensa y
en el líquido que se calienta. .
La velocidad de transferencia de calor en un evaporador se utiliza el concepto de un
Coeficiente Global de Transferencia de Calor. Se establece entonces la ecuación
Donde q’ es la velocidad de transferencia de calor, U es el Coeficiente Global de
Transferencia de Calor, AT diferencia de temperaturas,
La diferencia de temperaturas del fluido que se calienta respecto al fluido que cede
su calor, corresponde a una diferencia de temperaturas media logarítmica. La razón de
emplear este concepto obedece a que el fluido que se alimenta entra a una temperatura
menor a la del fluido que lo calienta. El líquido a través de su recorrido por el tubo eleva su
temperatura hasta alcanzar un valor máximo correspondiente al punto de ebullición a la
presión existente en el recinto, situación que se logra en la porción superior o final del tubo
pues ya ha recorrido toda la distancia.
Si el vapor que entra no está sobrecalentado, y el condensado no se enfría por
debajo de su temperatura de ebullición, la temperatura en el lado de la carcaza es
39
constante. 130 se debe a que la temperatura del vapor que condensa está
determinada por la presión existente en el lado de la carcasa y dicha presión es
constante. Por tanto la temperatura del fluido aumenta continuamente a medida que
avanza por los tubos tal como se ilustra en la figura 4.4.1
FIGURA 4.4.1 Curvas temperatura longitud en
Evaporador. fFuente: McCahe y Smith. lg7ü.J
un
.La elevación de su temperatura no se realiza de forma lineal y como es
necesario emplear una temperatura media, no puede emplearse el concepto de una
media aritmética. El comportamiento de la elevación de la temperatura es de tipo
exponencial, razón por la cual se utiliza una media logaritmica para obtener una
temperatura media del fluido que sea representativa.
En la figura 4.4.1 se representan las temperaturas del fluido y el vapor
condensante, frente a la longitud de los tubos. La. linea horizontal representa la
temperatura del vapor que condensa, y la curva ascendente corresponde a la
temperatura ascendente del fluido que circula por el interior de los tubos. Las
temperaturas del fluido a la entrada y salida son T, y T, respectivamente, y la
temperatura constante del vapor es T,. La diferencia de temperaturas del liquido a la
entrada con respecto a la del vapor es T,-T,, se representa con AT, y la
40 correspondiente a la salida es T,,-T,, :se representa con AT2. La temperatura media
logaritmica es entonces
U basado en el área exterior e interior del tubo es:
Y
41
Donde D, corresponde al diámetro medio logarítmico, DL=(Do-D,)/ln(D,-D,). La
densidad de flujo de calor y la capacidad del evaporador se modifican cuando varia
la caída de temperatura y el coeficiente global de transferencia de calor. La caída de
temperatura está fijada por las propiedades del vapor condensante y el liquido
hiwiente y, excepto por lo que respecta a la carga hidrostática, no depende de las
caracterkticas constructivas del evaporador. Sin embargo, el coeficiente global
depende grandemente del diseño y del método de operación del evaporador (McCabe
y Smith, 1978) .
Las superficies de transmisión de calor no permanecen indefinidamente limpias
durante el funcionamiento de los aparatos, sino que a ambos lados de los tubos se
forman costras, Iodos y otros depósitos, que proporcionan resistencias adicionales al
flujo de calor, reduciendo el coeficiente global. El efecto de estos depósitos se tiene
en cuenta adicionando un termino para cada una de las costras o depósitos. Así
suponiendo que se forman costras sobre la superficie interior y exterior de los tubos
tenemos
Y
siendo hdi y h,, los factores de ensuciamierito para los depósitos que se forman sobre
las superficies interior y exterior de los tubos. Se dispone de valores numéricos
42
recomendados para los factores de ensuciamiento correspondientes a "un funcionamiento
satisfactorio con razonables tiempos de servicio entre las operaciones de limpieza". Dichos
valores están comprendidos entre el intervalo aproximado de 500 a 10,000 kcal/m2 hac McCabe y Smith, 1978).
4.5 Balance de Entalpía en un Evaporador en Múltiple Efecto.
El principal factor que afecta a la economía de un sistema de evaporación es el
número de efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía del vapor vivo que llega al
primer efecto se puede utilizar una o más veces, dependiendo del número de efectos que
conste el evaporador. La economía también depende de la temperatura de alimentación al
evaporador como ya se ha mencionado anteriormente
Para describir el balance de materia y energía en un evaporadot de múltiple efecto,
partamos del analicis de uno de sus efectos, en este caso del efecto que recibe el vapor
vivo y la alimentación diluida.
FIGURA 4.5.1 Balance de entalpía en un simple efecto. (Fuente: McCabe y Smith. 7978)
43
En el evaporador, el calor latente de condensación del vapor de agua se
transmite a través de la superficie de calentamiento para vaporizar agua de una
solución hirviente. Se necesitan dos barances de entalpía: uno para el lado del vapor
condensante y otro para el lado del líquido hirviente. En la figura 4.5.1 se representa
la evaporación en simple efecto. Si la velocidad de flujo del vapor vivo y del
condensado es m, kgh; la de alimentación es ma kgh; y la de solución concentrada
es m kglh. La velocidad de flujo de vapor que se separa (con dirección al condensador
o al efecto siguiente) es (ma - m) k g h . Por otra parte, < es la temperatura de
condensación del vapor vivo, T, la temperatura de ebullición del liquido en el
evaporador, y T, la temperatura de alimentación, todas ellas expresadas en grados
centigrados.
Se admite que no hay fugas ni arrastre, que el flujo de no condensables es
despreciable, y que no es preciso tener en cuenta las fugas de calor desde el evaporador.
La variación de entalpía que tiene lugar durante la vaporización o condensacion
de una sustancia pura a presión constante (y por consiguiente a temperatura
constante) corresponde al calor latente de vaporización h. Así
siendo h, y h, las entalpías del vapor y del liquido respectivamente. Así, el balance de
entalpía para el lado del vapor condencante es:
qs=/T&( bC-hs) =-Ish 5
44
siendo 4s = velocidad de transmisión de calor a través de la superficie de
calentamiento, kcallh;
hs = entalpía específica del vapor de agua, kcallkg;
hc = entalpía específica del condensado, kcallkg;
hs = calor latente de condensación de agua, kcallkg;
mS = velocidad de flujo del vapor vivo, kglh.
La velocidad de transmisión de calor qS es negativa puesto que el calor adicionado
al fluido a través de la superficie de control se toma como positivo y el que se retira del
fluido como negativo.
El balance de entalpía para el lado de la solución que se concentra es:
siendo qs = velocidad de transmisión de calor a través de la superficie de calentamiento
hacia el líquido, kcallh;
hb = entalpía específica del vapor, kcstllkg;
ha = entalpía específica de la solución diluida, kcallkg;
h = entalpía específica de la solucióri concentrada, kcallkg.
Si no hay pérdidas de calor, el calor transmitido del vapor vivo hacia los tubos, es
igual al que se transmite desde los tubos hacia la solución, de forma que -qs=q. Por
consiguiente combinando las ecuaciones (25) y (26)
45
Las entalpías del lado de la solución hv, ha y h dependen de las características
de la solución que se concentra. La mayor parte de las soluciones no desarrollan un
gran efecto calorífico cuando se mezclan o (diluyen. Así ocurre con las soluciones de
substancias orgánicas y con la mayor parte de las soluciones de substancias
inorgánicas de concentración moderada. Por ejemplo, los calores de disolución o
mezcla de las disoluciones utilizadas en la fabricación de azúcar, sal común y papel son
pequeños.
En este caso, cuando las disoluciones poseen calores de dilución despreciables, ha
y h se pueden calcular a partir de los calores específicos de la solución. Se elige una
temperatura de referencia por encima de la cual se calculan las entalpías. La solución
concentrada y el vapor están en equilibrio, y la:: temperaturas de ambas son iguales a T,
la temperatura de ebullición en el evaporador. Por consiguiente, T es la temperatura de
referencia más conveniente. Si se toma esta elección la entalpía específica h de la solución
concentrada es cero y el término mh desaparem. La entalpía específica ha de la solución
diluida se puede calcular a partir del calor específico, que se supone permanece constante
en el intervalo de temperatura desde T, hasta 'T. Por consiguiente,
siendo Cp, = calor específico de la solución diluida, kcallkg "C;
T, =temperatura de la solución diluida, "C;
T = temperatura de la solución concentrada, "C.
El calor especifico de una solución que no tiene calor de mezcla es una función
lineal de la concentración. Por tanto, si se conoce el calor específico Cp, para una solución
acuosa que contiene una fracción en peso xo de soluto, el calor específico de otra solución
cuya concentración de fracción en peso sea x, viene dado por (McCabe y Smith, 1978)
(29) 5
*o c p = I -(I -Cpo)-
46
puesto que el calor específico del disolvente puro, agua, es 1
Hugot (1963) establece que para soluciones azucaradas es muy útil usar la siguiente
fórmula para evaluar el calor específico, dando valores muy aceptados:
Cp = 1 - 0.0056(B) (30)
donde B: Brix de la solución azucarada
La entalpía específica h, que debe utilizarse en la ecuación (29) es la entalpía del
vapor menos la del agua líquida a la temperatura de referencia T. Si la elevación del
punto de ebullición del líquido concentrado es despreciable esta diferencia de entalpía
es simplemente h, el calor latente de vaporización del agua a la presión existente en el
espacio de vapor. Si la elevación del punto de ebullición de la solución concentrada es
apreciable, el vapor que sale de la solución iestá sobrecalentado en una cantidad de
grados igual a la elevación del punto de ebullición. Desde un punto de vista riguroso, la
entalpía específica h, es la diferencia entre la del vapor sobrecalentado y la del agua
líquida a ía temperatura de referencia T. Sin embargo, en la práctica resulta
suficientemente exacto, y considerablemente más sencillo , utilizar para h, el calor
latente de vaporización h del agua a la presión del espacio de vapor. Con esta suposición
se comete un error por defecto en el valor de h,, expresado en kcallkg, que es
aproximadamente igual a la mitad de la elevación del punto de ebullición en grados
centígrados. Introduciendo las anteriores suposiciones en la ecuación (27) se obtienen
las ecuaciones finales de los balances de entalpía aplicados en un simple efecto
cuando el calor de dilución es despreciable,
Si la temperatura T, de la solución diluida es mayor que la temperatura de
referencia T, el término Cpama(T-Ta) es negativo y representa la entalpía introducida
47
en el evaporador, por encima de la temperatura de referencia, por la solución diluida.
Es la llamada evaporación flash. Si la temperatura < de la disolución diluida que entra
como alimentación al evaporador es menor que 7 ; la temperatura de referencia, el
termino Cp,in,( T- T,) es positivo, y, para una evaporación dada se requiere de un
consumo adicional de vapor vivo con el fin de proporcionar ésta entalpia. el término
Cp,m,( T- 5) recibe el nombre de carga de calentamiento. La ecuación (31) establece
que el calor de vaporización del vapor de agua se utiliza (1) en vaporizar agua de la
solución y (2) en calentar la alimentación hasta la temperatura de ebullición: si la
alimentación entra a una temperatura superior a la de ebullición en el evaporador,
parte de la evaporación procede a la vaporización súbita o flash.
Bajo este contexto, es posible por lo tanto establecer el balance de materia y
energía en un sistema de evaporación en Múltiple Efecto como lo indica en la figura
4.5.2
F E C
T O
I:
h TI
J l F 2
C
T O
I1
+ 5 2
I I 9 -
E F E C
T o
111
. . >..
! 1 53
FIGURA 4.5.2 Balance de materia y energia en un evaporador en triple efecto.
4a
Con la siguiente nomenclatura, se tiene que:
m, : flujo del vapor vivo, kgíh;
T, : temperatura de alimentación, "C;
ma : flujo de alimentación, kglhr;
L: calor latente del vapor de caldera, kcallkg;
T, : temperatura del vapor de caldera, "C;
CP, : calor específico de la alimentación, kcallkg;
-1-3 s . . cantidad de agua evaporada en el sistema, kgíh;
LI, hz : calor latente en el efecto I y I I , kcallkg;
CPI, Cp2 : calor específico del fluído de alimentación al efecto I1 y Ill, kcal/kg"C;
TT, Tz, T3 : temperatura del vapor formado en el ciclón I, I I y 111, "C;
SI, S2, S3 : cantidad de vapor formado en el ciclón I, I1 y 111, Kglh.
el balance de energía:
- En el primer efecto.-
- En el segundo efecto.-
mshs + m,Cp,(T,-l<) = Sthi
slXl + (ma-Si)Cpz(Ti-T2) = S2h2
- En el tercer efecto.- S2h2 + (ma-S1-Sz)Cp3(T2-T3) = S3l3
el balance de materiales:
- En todo el sistema- s1.3 = si + SZ 't s3
49
4.6 Análisis de la Operación de un Evaporador en Múltiple Efecto.
El funcionamiento de un múltiple efecto puede verificarse anotando los brix del
jugo y las temperaturas del vapor, para calcular:
(a) Los coeficientes de transmisión de cada cuerpo. Este método no da un buen medio
de comparacih porque estos coeficientes son fijos y deberán depender de la
temperatura del vapor (Hugot, 1963).
(b) Se sugieren los Coeficientes de Evaporación Específico Real (C.E.E.R.). Es el
número de kg de vapor dado por el cuerpo por hora y por metra cuadrado de superficie
de calentamiento y por grado de diferencia de temperatura entre el vapor y el jugo. A,
veces se distingue el C.E.E. aparente (C.E.E.A.) en el cual se confunde la temperatura
del jugo con la del vapor que produce, y el C.E.E. real (C.E.E.R.) que incluye la
temperatura real de jugo en el tubo obtenida sumando a la temperatura de su vapor:
primero, la elevación del punto de ebullición debida al aumento de concentración;
segundo, la elevación debida a la presión hidrostática.
4.6.1 Elevación del Punto de Ebullición.
La presión de vapor de la mayor parte de las soluciones acuosas es menor que
la del agua pura a la misma temperatura, y, por consiguiente, a una determinada
presión, la temperatura de ebullición de la solución es mayor que la del agua. El
incremento del punto de ebullición con respecto al del agua se conoce con el nombre
de elevación del punto de ebullición de la solución. Esta elevación es pequeña para
soluciones diluídas o para coloides inorgántcos pero puede llegar a ser hasta de 80 "C
para soluciones concentradas de sales orgánicas. La elevación del punto de ebullición
hay que restarla de la caída de temperatura que se predice a partir de las tablas de
vapor de agua.
50
Para disoluciones concentradas, la elevación del punto de ebullición se obtiene
mejor a partir de una regla empírica conocida con el nombre de regla de Dühring que
establece que el punto de ebullición de una solución es una función lineal del punto de
ebullición del agua pura a la misma presión. Por si se representa la temperatura de
ebullición de la solución frente a la del agua a ia misma presión se obtiene una línea recta.
Para distintas concentraciones existen líneas diferentes. La regla no es exacta para
grandes intérvalos de presión, pero para un intervalo moderado las líneas son
prácticamente rectas, aunque no necesariamente paralelas. En la fig 4.6.1 se representa
una serie de líneas de Dühring para soluciones de hidróxido códico en agua (McCabe y
Smith, 1978). 240 x = ?Ó de NaOH en ~ e r o
220
3 180,
l o r n 40 60 80 iw Izo I 4 0 iw 180 i a m ~ e r s i u r s ae ebuilicidn del ague, ‘C
FIGURA 4.6.1 Lineas de Dühring, sistema
Hidróxido Sódico-Agua. (Fuente: McCabe y Smith.
1978. )
51
4.6.2 Efecto de la Presión Hidrostática.
Si la altura del líquido en un evaporador es considerable, la temperatura de
ebullición correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor es solamente
para las capas superficiales de líquido. Una gota de líquido situada a una distancia Z
metros por debajo de la superficie está a una presión que es la suma de la presión
existente al espacio de vapor más la carga hidrostática de Z metros de líquido y, por
consiguiente, la temperatura de ebullición es más elevada. Por otra parte, cuando la
velocidad del liquido es grande, la perdida por fricción en los tubos incrementa también
la presión media del líquido. Por esta razón, en un evaporador real a temperatura
media de ebullición del líquido en los tubos es mayor que la temperatura
correspondiente a la presión del espacio de vapor. Este aumento de la temperatura de
ebullición disminuye la caída media de temperatura entre el vapor condensante y el
líquido hirviente y reduce la capacidad de evaporador. La reducción no se puede
estimar cuantitativamente con presición, pero el efecto cualitativo de la carga de líquido,
especialmente para alturas y velocidades de liquido elevadas, no debe ignorarse (McCabe
y Smith, 1978).
La fig 4.6.2 relaciona las temperaturas en un evaporador, medidas desde el
fondo, con la distancia medida a lo largo de los tubos verticales para flujo ascendente
de líquido. El vapor entra al evaporador por la parte superior de la camisa de vapor
que rodea a los tubos y fluye hacia abajo. El vapor que llega puede estar ligeramente
sobrecalentado hasta la temperatura Th pero el sobrecalentamiento se pierde
rápidamente y el vapor pasa a la temperatura de saturación T,, de forma que la mayor
parte de la superficie de calentamiento permanece a esta temperatura. Antes de
abandonar el espacio de vapor el condensado se puede enfriar ligeramente hasta la
temperatura T,.
Las líneas ab c y ab% de la fig 4.6.2 representa el curso de la temperatura del
líquido en los tubos. La primera de ellas corresponde a bajas velocidades, hasta
52
aproximadamente 1 míseg, y la segunda a velocidades elevadas, superiores a 3
m/seg, basadas ambas sobre el flujo a la entrada por el fondo de los tubos. En este
caso, se supone que la alimentación entra en el evaporador a una temperatura
próxima a la de ebullición del liquido a la presión del espacio de vapor que se
representa por T.
Disrencca DO, encima oe is entrada al rubo
FIGURA 4.6.2 Variación de la temperatura de la solución a lo largo de los tubos y
caída de temperatura en un Evaporador de tubos largos verticales. (Fuente: McCabey
Smith. 1978. )
Por consiguiente el liquido que entra a los tubos está a una temperatura T, independientemente de que el flujo tenga lugar en un sólo paso Ó en varios. A
velocidades elevadas, el fluido permanece prácticamente en estado liquido en el
interior de los tubos y a unos pocos centímetros de la salida se escinde bruscamente
en una mezcla liquido-vapor. La temperatura máxima del liquido se alcanza en e1
punto b’casi a la salida del tubo, segun se representa en la fig. 4.6.2 (McCabe y
Smith, 1978).
Para velocidades bajas, la vaporización súbita del liquido se produce cerca del
centro del tubo y la temperatura máxima se alcanza en el punto b de la fig 4.6.2. El
punto b divide al tubo en dos secciones, una inferior al punto 6, en la que no hay
ebullición, y otra de ebullición, superior a dicho punto.
53
Tanto a velocidades altas como bajas el vapor y el líquido concentrado alcanzan
el equilibrio a la presión existente en el espacio de vapor. Si el líquido tiene una
considerable elevación en el punto de ebullición, su temperatura T es mayor que su
temperatura T' de ebullición del agua pura a la presión existente en el espacio de
vapor. La diferencia entre T y T' es la elevación del punto de ebullición (BPE).
La caída de temperatura corregida para la elevación del punto de ebullición es
T,-T. La caída de temperatura verdadera, corregida para tener en cuenta la elevación
del punto de ebullición y la carga hidrostática, está representada por la diferencia media
entre T, y la temperatura variable del líquido. Aunque existen algunas correlaciones
para determinar la verdadera caída de temperatura a partir de las condiciones de
operación, lo frecuente es que no se cuente con este dato, y por esta razón suele
utilizarse la caída neta de temperatura corregida para tener en cuenta solamente la
elevación del punto de ebullición.
Hugot (1963) menciona que se puede calcular la evaporación de un cuerpo
cualquiera, de cualquier múltiple efecto por medio de la fórmula de Dessin:
donde c = C.E.E.R. del cuerpo, en kg de vapor/hlm21grado de caída real,
B = Brix del jugo a la salida del cuerpo
T = Temperatura del vapor calentante dentro de la calandria, "C
Menciona también que esta formula integra las incrustaciones y no es necesario
afectar el coeficiente de transmisión con otro coeficiente innecesario. Si desea guardar
un margen de seguridad, es necesario reemplazar el factor 0.001 por 0.0007 o 0.0008.
El factor 0.001 corresponde a las condiciones normales y buenas de un aparato que
permanece relativamente limpio. El factor 0.0008 se emplee en los proyectos a fin de
54
procurarse un margen de seguridad y de integrar la eventualidad de ocurran fuertes
incrustaciones. El factor 0.0007 corresponde a un múltiple efecto que funciona en
condiciones mediocres o que se incrusta rápidamente.
4.7 Sistema de Evaporación Industrial
Como se ha mencionado anteriormente, los equipos piloto representan la base
teórica de equipos reales en las industrias, siendo equipos a escala o prototipos que
después de haber sido analizados pueden ser escalados. Para poder ubicar mejor el
sistema de evaporación, que en la fase de resultados se describe, se analizan las
partes de un evaporador en un Ingenio Azucarero y así comprender que papel juega
cada elemento que conforma el equipo piloto de evaporación y la semejanza que
guarda con un evaporador real.
4.7.1 Cuerpo de Evaporación
El cuerpo de evaporación de un Múltiple Efecto en un Ingenio, figura 4.7.1.1,
está formado por un cilindro vertical montado sobre la calandria tubular a través de la
cual se efectúa el cambio de temperatura. El espacio sobre la calandria representa la
mayor parte del aparato, tiene la finalidad de disminuir los riesgos de arrastre de las
gotas de líquido que se proyectan por la ebullición del jugo. La altura del cuerpo sobre
la calandria normalmente es de 1.5 a 2 veces la longitud de los tubos. Se adoptan
generalmente 3.5 a 4.0 m (Hugot, 1963)
Los tubos de la calandria son de acero o de latón, prefiriéndose estos Últimos
por su duración más prolongada. Los tubos se disponen generalmente en rombos sobre
la placa de la calandria, esta disposición permite colocar un mayor número de tubos por
unidad de superficie de la placa y para una misma distancia entre los tubos.
Vnpr del jugo
/
L
55
., Salida del 1 Condensado Jugo I
FIGURA 4.7.1.1 Cuerpo de evaporación y
disposición de los tubos. (Fuente: Hugo[ 7963)
En un Ingenio, el cuerpo de evaporación termina en su porción superior en un
separador (ver figura 4.7.1.1), el cual detiene las gotas de líquido que puede arrastrar
el vapor de jugo hacia el cuerpo siguiente o siguiendo el vacío.
56
La evacuación de los condensados se efectúa por medio de drenajes colocados en
la parte inferior de la calandria (fig. 4.7.1.2). Los drenajes se distribuyen en la placa infenor
a razón de uno cada 3 m2 aproximadamente de sección transversal del aparato. El drenaje
se conecta en la calandria en a por un pequeño cono.
FIGURA 4.7.1.2 Salida de condensados del Cuerpo de Evaporación (Fuente: Hugof, 1963)
La extracción de los condensados de la calandria se realiza de acuerdo a la presión
dentro de esta:
1 .- Calandria a presión
2.- Calandria a vacío
- trampa de vapor
- marais
El manejo de los condensados difiere totalmente, mientras que en el ingenio los
condensados se utilizan para alimentar las calderas, complementar la alimentación de
calderas, en la imbibición, lavado de tortas de los filtros, etc., los condensados que se
obtienen del equipo piloto son eliminados al drenaje.
57
La trampa de vapor se coloca en la calandria del primer cuerpo, pues está a
Presión por el vapor vivo que recibe. En éste el condensado puede fluir por gravedad.
Es un pequeño recipiente a través del cual pasa el condensado y el que está provisto
de un flotador que manda una válvula
58
V. METODOLOGIA
Para el desarrollo del presente trabajo, y lograr el cumplimiento de los objetivos
planteados, se programó dividir el trabajo en dos partes principales: la primera, relacionada
con un diagnóstico mecánico del equipo; la segunda, con la determinación del Coeficiente
Global del sistema de evaporación.
5.1 Diagnóstico Mecánico y Puesta en Marcha.
En la primera etapa, dado la ausencia de información, hubo que generar la
secuencia de arranque del sistema; para lograrlo, fué necesario implementar un
mantenimiento exhaustivo en cada una de las partes que conforman el equipo, para
detectar que elemento o elementos no cumplían con su función y proceder a su compostura
o sustitución completa, siguiendo la metodología que implica dicha acción (requisición,
cotizaciones, solicitud a mantenimiento, programación de actividades, etc).
El diagnóstico mecánico del sistema de evaporación se realizó dividiendo el equipo en
los siguienfes subsistemas para facilitar su revisión y análisis:
- Sistema eléctrico.
- Sistema de vacío.
- Sistema de flujo y alimentación de liquido.
- Sistema de vapor y condensados.
- Equipo de medición y registro.
Cada uno de estos subsistemas fué sometido a una verificación para poder reportar
su estado y decidir la acción a seguir: mantenimiento, reparación ó reposición.
De acuerdo al dictamen obtenido, se realizó la operación conveniente. Así mismo,
se describió su funcionamiento y componentes de cada uno de los subsistemas en cuestión
para poder tener un mayor conocimiento del Triple Efecto.
59
Durante el chequeo del equipo, se identificaron las líneas en el sistema así como el
elemento que manejaban o al elemento que se conectaban para ir generando un diagrama
de flujo y poder plantear la secuencia de arranque. AI inundar el equipo con agua se logró
verificar el direccionarniento de las líneas. Por Último se integraron en un plano todos los
flujos para representar al equipo y los elementos con que se controlaban, empleando la
metodología propuesta por Sandler y Luickiewicz, (1987) y Ulnch (1986).
Una vez identificadas las comentes, se realizaron rutinas con agua pura, procurando
tener un valor de vacio y presión de vapor moderados, para tener la respuesta de los
elementos a las condiciones de trabajo.
Cuando ésta condición se superó, se realizaron rutinas de operación donde se
encontró la secuencia de arranque y operación del equipo adecuadas utilizando agua pura
como fluido de trabajo. Es importante no perder de vista que, en equipos de evaporación,
el vacío y el vapor se conectan antes de introducir la alimentación dado que se tiene que
establecer la presión de operación para abatir el punto de ebullición y calentar la
alimentación para lograr la vaporización del producto. Bajo este contexto, se formularon
pruebas que siguieran las siguientes rutinas de arranque:
10. Arrancar el equipo solamente con agua.
20. Arrancar el equipo con agua y generando posteriormente vacío.
30. Arrancando el equipo con vacío y alimentando después agua.
40. Arrancar el equipo con agua y generando posteriormente vacío introduciendo al final
vapor de caldera.
50. Arrancando el equipo con vacío y alimentando después agua, introduciendo al final
vapor de caldera.
60
5.2 Evaluación de los Coeficientes Globales de Transferencia de Calor.
El coeficiente global o integral de transferencia de calor es el parametro mas
importante de cualquier intercambiador de calor, pues muestra la capacidad al
transporte de la energía del equipo, y es la base para la evaluación de las condiciones
de operación.
Como se ha comentado en secciones anteriores, la determinación del
coeficiente global se hace con base en los coeficientes individuales Ó de película,
como lo müestra la ecuación (5)
donde los subindices "i" y "e" denotan los lados interno y externo de la pared de
intercambio de calor y "p" se refiere a dicha pared.
Si bien este método conlleva un proceso de modelado del sistema, es posible
utilizar procedimientos empiricos para su determinación, con la ventaja de presentar
valores reales pues se usan variables medidas directamente en la operación del
sistema. Este es el método que se siguió en el presente trabajo lo cual se fundamentó
en la ecuación 18 que corresponde a la ecuación general de transporte de calor entre
dos fluidos:
en donde U puede ser calculado con respecto al área interna Ai y entonces se denota
como U¡; con respecto al área externa A, con lo cual se denota como U,; o bien con
respecto al área media logaritmica de la pared 4 y es denotado como U,.
61
La determinación se hizo con base en este último criterio, y asi la ecuación (1 8)
se escribe como:
Q = u#@Tmi
De donde se obtiene:
Dado que se siguió un procedimiento empirico, los parametros Q, % y AT,,,, se
midieron físicamente con los siguientes procedimientos.- flujo de calor para cada efecto
de acuerdo con la figura 5.2.1
FIGURA 5.2.1 Esquema en donde se ubican las variables del sistema de evaporación Dara la
evaluación del Coeficiente Global U.
62
Ahora bien, la determinación de la variable se realizó de la siguiente manera.-
* Flujo de vapor vivo (rn,):inicialmente se corroboró la condición de vapor saturado,
para ello una vez que se tenia regulada la presión y con la ayuda de un termómetro
a la salida de la válvula de alivio en el primer efecto se tornó la temperatura; con
tablas de vapor publicadas por Keenan et. a.! (1 969) se verificó la condición de vapor
saturado.
Flujo de alimentación (ma): por medio de un aforo volumetrico y a un valor constante
en el rotámetro se obtuvo el flujo de alimentación. El rotametro registró un valor de
50% en la escala y se mantuvo constante.
Alimentación al segundo efecto (mJ: antes de empezar una corrida en el equipo se
verificó que el tanque de extracción 1 estuviera vacío para as¡ poder captar los condensados del vapor que separó en el ciclón 1. El tiempo de la corrida fue de 1 h.
Con el valor de los condensados se obtuvo la alimentación al segundo efecto, pues
m, = m,- vapor producido en efecto I = ma - condensados.
Temperaturas de ebullición (T,,T,,T,): en cada separador CiClÓniCO se localiza un
manómetro, con dicha presión y con la ayuda de tablas de vapor publicadas por
Keenan er. a,! (1969) se obtuvieron las temperaturas de ebullición.
Calores latentes y especificos (A, Cp): al igual que las temperaturas de ebullición,
fueron determinadas mediante el uso de tablas de vapor publicadas por Keenan et. al.
(1969 )
63
para evaluar el calor transferido en cada columna (91, q2, q3). Para determinar el área de
transferencia de calor se desarmó el cabezal de las columnas y obtener así las dimensiones
de los tubos. El area encontrada en una de las columnas se tomó como válida para las
demás columnas al encontrar que tenían la misma altura y mismo número de tubos.
Finalmente fué posible calcular la diferencia de temperaturas (AT) para cada efecto
y con la ecuación 35 se determinaron los coeficientes de transmisión de calor (U) para cada
efecto. Para tomar el valor de las variables en la realización de los balances de energía, se
consideró que el sistema alcanzaba el régimen estacionario en el momento que los
condensados se obtenían en cantidades. Como se recordará, un kilogramo de vapor como
medio de calentamiento producirá la misma cantidad de vapor en el efecto siguiente, más
una cantidad adicional producida por el efecto flash que se logra en un evaporador con
alimentación directa. Ahora bien, cuando se hallan logrado obtener 12 lecturas (con un
tiempo entre cada lectura de 5 minutos) que cumplan con la característica anterior, es
entonces cuando se contabilizan los condensados para realizar la evaluación del
coeficiente global y se toman las condiciones alcanzadas para la determinación de los
puntos de ebullición.
CUADRO 5.2.1 Plantilla para el registro de la operación de la corrida tipo en la determinación de las condiciones alcanzadas de acuerdo a la lectura en aparatos existentes para la evaluación del Coeficiente Global.
i i La nomenclatura, definici6n y ubicaci6n de los parArnebos ya se ha establecida previamente.
64
VI. RESULTADOS Y DISCUSION DE RESULTADOS
6.1 Descripción Mecánica del Evaporador.
6.1.1 Cuerpo del Evaporador
El Sistema de Evaporación está confomado por columnas de evaporación, que es
donde se lleva a cabo la transferencia de calor; separador de la mezcla liquido-vapor o
separador ciclónico; sistema de extracción de condensados; y condensador.
En el equipo piloto, las columnas de evaporación están construidas como un
intercambiador de coraza y tubos dispuestos verticalmente, con alimentación inferior y
entrada de vapor superior, fig. 6.1.1.1; constan de 4 tubos de acero inoxidable 304 de
diámetro interno de 3 cm, espesor de 2 mm y 2.69 m de altura con un arreglo en cuadro y
un "pitch" (distancia entre tubos) de 6.0 cm, dentro de una coraza con diámetro interno de
14.5 cm, fabricada en lámina de acero inoxidable 304 con 2 mm de espesor.
Cada columna está provista de un tubo de nivel para poder visualizar los
condensados dentro de la coraza. Para la columna I, el tubo es de borosilicato con diámetro
de 2.54 cm y una longitud de 34 cm; en las columnas II y 111 son de vidrio Pyrex de
dimensiones similares al anterior. Utilizan 2 empaques de grafito de 3 mm de espesor entre
el tubo y el prensaestopas y 1 empaque de garlock de 4 mm de espesor, de 2.54 cm de
diámetro entre el brazo de comunicación y la taparosca.
Para poder separar la fracción de vapor que se ha formado a través del recorrido del
jugo por los tubos, se utiliza un separador ciclónico (fig. 6.1.1.2 y 6.1 .I .3).Los separadores
ciclónicos se componen de un cilindro en su porción superior unido a un cono en su porción
inferior, ambos fabricados en lámina de acero inoxidable 304 de 2 rnm espesor, el cilindro
tiene un diámetro interno de 25 cm y una altura de 62 cm, provisto de una placa deflectora
en su interior lo que provoca el vórtice del flujo de alimentación; la porción cónica tiene una
altura de 30 cm y un diámetro de 6 cm en la base. El ciclón cuenta con un par de mirillas
con 10 cm de diámetro; localizadas en la parte superior y en la porción media ventral.
. .
$2 'O a L< id O
id 3
O s- a, O 4
N
1 I
a @ .-
M
xs5001.1
.
W a
66
FIGURA 6.1.1.1 Columna de Evaporación y distancia entre tubos
concentrado
FIGURA 6.1.1.2 Alimentación de la Columna al Separador Ciclónico.
i
6a
c- Tuerca tapon
4- Empaque
e- Brazo d d nivel
t- Empaques de grafito
e- Anillo de presion
t- Tuerca prensaestopas
e- Tubo de vidrio
FIGURA 6.1.1.4 Tubo de nivel de columna y tanques de extracción,
69
El cristal que utilizan tiene un diámetro de 9 cm con empaques a ambos lados
fabricados en neopreno de 9 cm de diámetro y 6 mm de espesor con un ancho de 1 cm
empalmados con un anillo de acero inoxidable del mismo diámetro.
Para poder captar los condensados y/o solución de interés, en cada columna y el
Último ciclón del equipo piloto existe un tanque de extracción el cual succiona los
condensados por medio de un gradiente de presiones, manteniendo a vacío el tanque,
provocando la fuerza de succión. Dicho tanque está fabricado en lámina de acero
inoxidable 304 de 2 mm de espesor, tienen uin diámetro de 35 cm y una altura de 63.5 cm.
Para su uso están provistos de 4 válvulas de paso (fig. 6.1 .I 3, soldadas de 1.27 cm (U2
plg): válvula de alivio, conectada al medio ambiente; válvula de succión, conectada al
equipo (columnas o ciclón); válvula de vacío, conectada a la línea de vacío y válvula de
desagüe para desalojar el líquido. En el costado derecho tienen un tubo de nivel de
con dens a do s I a vacio
. FIGURA 6.1.1.5 Direccionamiento del uso de las válvulas en el tanque de extracción
a u
z 2 a a
n r 2
a o z u>
8 2 W - 3 n z W O I- U 8
W I- U O o
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Q l N Q l d
Q l N Q l d Nil935 8-8 A Q-Q N013QA313
a
ELEVAUON
PLANTA
CCUE LONGITUDINAL FONM)
70
una longitud de 59.5 cm y un diametro externo de 1.9 cm (3/4 pig) paravisualizar el nNel
dentro del balón, estos tubos utilizan 2 empaques de grafito de 3 mm de espesor entre
el prensaestopas y el cristal, y empaques de garlock de 4 mm de espesor con un
diametro de 2.54 c m entre la tapa rosa y el brazo de comunicación.
La condensación final de los vapores se logra por medio de 2 columnas de
condensación, construídascomo un intercambiadorde corazaytubosvertical de 2 pasos
con circulación de agua por el interior de IDS tubos, ver fig. 6.1 .I .6 L a s especificaciones
de los tubos y la coraza son similares a 1.3; columnas de evaporación, al igual que las
de los tubos de nivel. Adicionalrnenie, estaii provistas de una purga de aire en lacubierta
superior corist3ente en un tubo de 1.27 cm de diametr0.
vapor T -- agua de $drp de a bomba vacio
1 i---i- enfriamiento
A
succion de Vapores r I
a vacio
e drenaje Y Fki URA 6.1.1.6 Cajlurorias de Gordensacijn.
71
Las conexiones entre los elementos descritos del equipo piloto, se logra por medio
de tubo de acero inoxidable 304 de 1.27 cm de diámetro a excepción de la alimentación
de vapor proveniente del ciclón y dirigida a la columna. Esta comunicación está
construida del mismo material que el separador ciclónico y tiene 3 articulaciones.
6.1.2 Equipo de Medición y Lectura.
a) Temperatura
En el sistema existen puntos en los cuales hay un termopar o un termopozo para
la toma de temperatura. La red de termopares está constituida por 8 terminales ubicadas
en la salida de vapor y líquido de cada ciclón (6 termopares), entrada de agua a
columnas de condensación (1 termopar) y salida de condensados de columnas de
condensación (1 termopar). Los termopozos se ubican en el costado inferior de cada
tanque de extracción (4 termopozos) y en la parte superior de cada columna de
condensación (2 termopozos).
El termopar que utiliza es de Tipo J (cable compuesto por alambre de cobre
constantan0 y hierro), la corriente que se genera por el efecto seeback se transmite al
tablero principal y se traduce a una hoja de registro accionada por un sistema eléctrico,
en la que se marca cada punto de toma de lectura; la secuencia de esta graficación se
desconoce.
b) Presion
La medida de presión se toma en cada ciclón y en la entrada de vapor vivo a la
primera columna de evaporación. En el ciclón, una derivación ubicada en el costado
superior izquierdo conecta a un diafragma tipo plato para vacío con glicerina, que
transmite la información a un manovacuómetro. Este dispositivo permite obtener lecturas
de 1 cm de presion ó 76 cm de vacio, tal instrumento es de carátula de 10.16 cm (4 plg)
72
de diámetro con conexión inferior de 0.63 CITI (1/4 plg). El diafragma con glicerina permite
que no se deteriore el Bourdon y que la manecilla no vibre al registrar la lectura.
El manómetro de la linea de vapor vivo también es de carátula de 5.04 cm (2 plg)
de diámetro de conexión posterior de 0.63cm (1/4 plg) con rango de hasta 4 kgJcm*.
c) Flujo
La medición del flujo de alimentación se lleva a cabo por medio de un rotámetro
de area variable mod 10A3600 en el que se visualiza el porcentaje de alimentación que
se regula por una válvula de compuerta roscada de 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro
ubicada en el tablero principal. Asimismo, la alimentación a cada columna de evaporación
es permitida por una derivación en forma de "T" en la que el paso al exterior está dada
por una válvula de compuerta roscada de 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro.
6.1.3 Unidad o equipo generador de vacío
La condición de vacio que se establece en el equipo piloto se logra por medio de
una bomba de anillo liquido. Esta bomba extrae el'aire del equipo utilizando agua como
medio sellador y como líquido compresor. Un rotor con aspas gira dentro del cuerpo de
la bomba, cuando se introduce el agua de sellado, el rotor transporta el liquido alrededor
de la carcasa excéntrica y forma un anillo líquido que gira casi a la misma velocidad del
rotor.
El liquido en rotación casi llena y después vacía parcialmente cada cámara del
rotor una vez en cada revolución, asemejando la acción de un pistón. A medida que el
líquido pasa a través del sector de divergencia de la carcasa, aspira aire a través del
orificio de entrada cerca del marnelón. A medida que el fluido pasa a través del sector
convergente del cuerpo de la bomba, el liquido se mueve hacia dentro, y el aire se fuerza
hacia fuera a través del orificio de descarga. Una porción del liquido fluye hacia fuera.
junto con el aire y se separa en un separador mecánico hacia el drenaje.
Dicho equipo está provisto de una válvula de alivio soldada de 1.27 cm (1/2 pig)
de diámetro y un vacuómetro de carátula de 10.1 6 cm (4 plg), con conexión inferior de
0.63 cm (1/4 plg) conectado a un diafragma tipo plato para vacío con glicerina. Es la
entrada de aire através de la válvula lo que permite tener control sobre la condición de
vacío.
vacio
aire i
A
4 7
* a drenaje a drenaje
FIGURA 6.1.3.1 Sistema generador de vacio.
El enfriamiento y funcionamiento de esta bomba se efectúa por la inyección de
agua que es regulada por 2 válvulas. La primera, localizada en el extremo superior
izquierdo del sistema de evaporación y la segunda ubicada a un costado de la bomba
de vacio; ambas son de tipo globo, roscadas de 3.81 cm (1 1/2 plg) de diámetro.
74
6.1.4 Inyección de vapor
La conducción de vapor al equipo piloto proviene de calderas a traves de una
linea de d=2 plg. Se cuenta con una derivación antes de introducir vapor al sistema; una
valvula de paso de 3.81 cm (1 1/2 plg) de diámetro funciona como purgador de la linea
de vapor, dado que las incrustaciones que arrastra son de consideración y pueden
ocasionar problemas en la válvula de presión. La válvula de Servicio o de alimentación
de vapor vivo es de tipo globo de 5.08 cm (2 plg) de diámetro con asiento de bronce,
propia para tales condiciones: la válvula reguladora de presión es de la marca
NORGREEN de 2.54 cm de diámetro (1 plg) mod. 11-018-33 con una entrada máxima.
de 21 kgJcm2 y con un rango de salida minima de 0.9 kgJcm2 hasta 7 kgJcm2. Los condensados de este vapor son desalojados a traves de una trampa para vapor tipo
flotador que soporta una presión de hasta 5 kgJcm2.
vapor 9 a columna vivo - 1 de evaporacion
a drenaje
FIGURA 6.1.4.1 inyección de vapor ai sistema
6.1.5 Sistema Eléctrico y de Potencia
El Equipo de evaporación consta de una acometida de tres fases controlado por
un interruptor de cuchillas. El cableado se distribuye hacia el sistema de iluminación y
hacia el sistema de potencia.
75
Tres focos incandescentes ubicados en la parte superior de cada ciclón
constituyen la iluminación del triple efecto, el interruptor se localiza sobre el tablero
principal.
Dos motores eléctricos de reja de ardilla que se acoplan a la bomba de
alimentación y a la bomba de vacío conforman el sistema de potencia, sus respectivos
arrancadores se ubican sobre el tablero principal.
a)Motor de la bomba de alimentación
De acuerdo a los datos de placa, las características del arrancador y motor son:
Arrancador termomagnético b)Motor eléctrico
- Marca Square D - Marca ASEA
- Elementos térmicos 82.40 - Potencia 114 H.P.
- Clase 2510 - Intensidad I .a amp
- Tipo BG-2 - Dif. de potencial 220 volts
- Serie A - Fases 3
b)Motor de la bomba de vacío
Asimismo, de acuerdo a los datos de placa, las características del arrancador y
motor son:
Arrancador Termomagnético Motor eléctrico
- Marca Square D - Marca IEM
- Elementos térmicos 812.8 - Potencia 3 H.P.
- Clase 2510 - intensidad 8.6 amp - Tipo BG-2 - Factor de servicio 1.15
- Serie A - Intensidad a F.S. 9.4 amp
- Dif. de potencial
- Fases 3
220 volts
76
6.2 Descripción de Flujos
6.2.1 Sistema de flujo y alimentación.
El líquido a concentrar se vierte sobre el recipiente de alimentación. El líquido
es bombeado regulando el flujo a un valor deseado con el rotámetro y la válvula de
alimentación (V3). Para que la alimentación llegue hasta la bomba, se tiene que abrir
primero la válvula de entrada (VI) y cerrar la válvula de desagüe (V2). La numeración
de válvulas y tubos de nivel que se emplea en ésta y las demás secciones se muestra
en la figura 6.3.1.1
La válvula de entrada al primer efecto (V4) debe estar cerrada, pues sólo se
utiliza para calibrar el rotámetro con el fluido que se está trabajando.
El líquido entra por la base de la primer columna se vaporiza parcialmente y sale
por la parte superior para entrar al primer ciclon. El líquido parcialmente concentrado
baja del ciclón y vuelve a subir por la segunda y tercer columna, para ello las válvulas
V5 y V7 deben estar cerradas.
El recorrido de la solución de interés siempre es el mismo Las concentraciones
adicionales se logran condensando el vapor generado sobre las columnas precedentes
(columnas II y ill) o dirigiéndolo al condensador.
6.2.2 Sistema de vapor y condensados.
Está entendido que el vapor de calentamiento al ceder su calor latente se
condensa formando agua. Estos fenómenos ocurren en los tres efectos y columnas de
condensación, observándose el nivel de condensados en los tubos de nivel de cada
uno (LI-I, LI-2, LI-3, LI-4 respectivamente).
columna de evap oracion
/ tubo de J
vapor \ 7
+ condensados
'+- --I
I drenaje
is
FIGURA 6.2.1.1 Alimentación al Sistema de
Evaporación.
78
El sistema de evaporación utiliza vapor de caldera como medio de
calentamiento. Antes de entrar al sistema, se "purga" la línea de vapor para eliminar el
agua condensada y las impurezas que lleva consigo. Primeramente se abre la válvula
de purga (V24) hasta que salga vapor para poder cerrarse, se abre entonces la válvula
de servicio para vapor (V28) para pemitir el paso a la primera columna. Este vapor al
condensarse sale por medio de una trampa de vapor para dirigirse al drenaje.
Simple Efecto.
En la operación del equipo en Simple Efecto se tienen que realizar algunas
modificaciones para dirigir el vapor procedente del primer separador ciclónico
directamente a las columnas de condensación. Para ello es necesario abrir las válvulas
V6 y V8.
Doble Efecto.
Par,a la concentración en doble efecto también es necesario mover las válvulas
cerrando V6 y dejando abierta V8. para dirigir el vapor del segundo separador ciclónico
a las columnas de condensación.
Triple Efecto.
Cuando el sistema de evaporación opera en triple efecto cada separador
ciclónico dirige el vapor de calentamiento a la subsecuente columna, y el vapor que se
separa del tercer ciclón se dirige a las columnas de condensación.
De esta manera los flujos de vapor van a diferir de acuerdo al grado de
concentración deseado, pero siempre ocurre la condensación final en las columnas de
condensacijn al igual que el producto condensado en el tercer tanque de extracción,
para cualquiera de las modalidades de operación
79
Los 4 tanques de extracción están diseñados para funcionar de la misma manera,
no así el producto que acumulan, pues sólo el tercer tanque de extracción recibe
producto final y los demás condensados. Cada tanque de extracción está provisto de 4
válvulas: una conectada a la línea de vacío para despresurizarios, llamémosle válvula
de vacío (Vl l ,VlS,Vl8 Y V21); otra conectada a la carcaza de la columna o ciclón
según sea el caso, llamémosle válvula de succión (VlO,V14,V9 Y V20); una que permite
la entrada de aire del ambiente para presurizarlo, llamémosle válvula de alivio
(V22,V23,V25 Y V27); y la Última para vaciar el recipiente, o válvula de desagüe
(V12,V13,V16 Y V17).
Cuando el equipo está funcionando en cualquiera de los tres casos (simple, doble
o triple efecto) primeramente se tiene que despresunzar el tanque de extracción abriendo
la válvula de vacío y cerrándola cuando se logre la condición de vacío, es entonces
cuando puede succionar el líquido en cuestión cerrando la válvula de vacío y abriendo
la válvula de succión. Para eliminar el líquido que está contenido en el tanque de
extracción, cerrada la válvula de vacío y succión cerrada se abre la válvula de alivio
para igualar su presión con la del exterior, y posteriormente se abre la válvula de
desagUe para vaciar el tanque.
Para regresar a la condición inicial, se cierran la válvula de alivio y de salida, para
poder abrir la válvula de vacío; cuando el recipiente está despresurkado se cierra y el
equipo está listo para repetir la operación cuando sea necesario.
6.2.3 Sistema de Vacío.
La generación de la condición de vacío es primordial para lograr la disminución
de la temperatura de ebullición en las columnas, as¡ como para coadyuvar al flujo de
alimentación y separación del vapor.
El elemento que lo realiza es la bomba de vacío la cual succiona aire por la
tubería que tiene en su parte superior y que está conectada al cuerpo de la segunda
columna de condensación, de ésta forma, las carcazas de ambas columnas que se
encuentran unidas por una conexión inferior, se encuentran en condiciones de vacío. Las
válvulas V11, V15, V18 y V21 conectadas a la linea de vacío, al abrirse despresurizan
los distintos tanques de extracción para extraer condensados o succionar el producto
final del tercer ciclón según corresponda. La válvula de alivio (V27) regula la presión al
permitir la entrada de aire del ambiente y suprimir parte de la succión que mantiene la
condición de vacío
Cuando no hay alimentación de la bomba 1, y la valvula V3 se encuentra cerrada,
la condición de vacío se establece en el sistema por medio de las conexiones de los
ciclones con las columnas de evaporación y condensación de la siguiente manera: el
tercer ciclón se conecta con las columnas de condensación, que están a vacío, y a su
vez con los tubos del tercer efecto el cual se comunica por su conexión inferior de
alimentación al segundo ciclón, que se conecta con el segundo efecto ... y asi
sucesivamente hasta que se logran mantener a vacío los tubos del primer efecto. El accionamiento de las válvulas V I 1, V15, V18 y V21 tienen su función cuando el equipo
de evaporación esta operando normalmente, el cual ya fue descrito.
81
6.3 Funcionamiento del Equipo.
Las alternativas de arranque planteadas permitieron identificar las corrientes de
las tuberías en el equipo y al mismo tiempo la respuesta a las distintas condiciones de
arranque.
En todos los casos, se presentó el inundamiento de la coraza de la primer
columna, dadas las impurezas que arrastra el vapor desde la caldera, estas impurezas
obstruyen la salida de condensados a traves de la trampa de vapor, en consecuencia
la calidad de vapor vivo de calentamiento es deficiente por carecer de algún aditamento
que las elimine antes de entrar al sistema; para compensar en parte dicha carencia se
opta por "purgar" dicha línea de vapor antes de inyectarlo al sistema de evaporación.
Por otro lado, al introducir inicialmente la alimentación ocasiona un descontrol
del flujo al no poder mantenerlo constante. Cuando ya se tiene establecida la
alimentación y al conectar el vacío al sistema el flujo aumenta por la succión que
provoca la bomba de vacío, aunado a ello, al haber producto en los separadores
ciclónicos esta misma succión ocasiona que se inunden y se pierdan producto al
vertirse sobre la coraza del efecto siguiente donde sólo debe haber vapor de
calentamiento, la mezcla de producto con condensados es indeseable.
Por todo esto, se opta inicialmente purgar la línea de vapor y arrancar el sistema
de vacío e inyección de vapor cuando la alimentación comience a vertirse dentro del
primer separador ciclónico.
c :o L a
-
o O m > a, al D
- al c a,
a, D
x (o m 3 > .m > a, D
- -
c ‘O o m ._
L
E 3 z
I
83
6.3.1 Arranque.
Para el funcionamiento del sistema de evaporación la secuencia en el arranque es
la misma para las tres distintas formas de operación, es necesario sin embargo, realizar
primeramente las adecuaciones al equipo en Simple, Doble o Triple Efecto modificando
el flujo de vapor generado.
Secuencia de Arranque.
1 .- Cerrar todas las válvulas del sistema.
2.- Vertir la solución ya preparada o diluida al tanque de alimentación.
3.- Abrir la válvula V I
4.- Abrir la valvula VI9 de agua de enfriamiento a los condensadores.
5.- Abrir la valvula de purga de la línea de vapor V24 pausadamente y cerrarla hasta
que se obtenga vapor.
6.- Accionar el arrancador de la bomba de alimentación ubicado en el tablero.
7.- Cuando la alimentación este cayendo en el primer separador cilónico:
- Puesta en marcha del sistema de vacío
- Abrir las válvulas (V30 y V26) de entrada de agua a la bomba de vacío.
- Accionar el arrancador del motor de la bomba de vacío, ubicado en el tablero.
- Regular con la válvula de alivio V27 el vacío a 40 mmHg visualizados en el
vacuómetro.
- Abrir la válvula de servicio de vapor V28.
- Se puede obtener la presión de vapor deseada con la válvula V29 . hasta un
valor deseado que sea inferior a 4 kgf/cm2, visualizando la presión en el manómetro
de vapor vivo.
Hasta este punto se ha logrado arrancar el equipo, como paso posterior es
realizar las modificaciones para simple, doble o triple efecto por medio de las válvulas
V6 y V8: para simple efecto abra ambas válvulas; para doble efecto cierre válvula V6
y deje abierta V8; para triple efecto cierre ambas válvulas.
84
6.3.2 Operación.
a) Simple Efecto.
8a.- Cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-4 succionarlos al tanque
de extracción correspondiente.
- Abrir válvula V21, cerrar cuando estén despresurizados.
-Abrir valvula V20, cerrar cuando el nivel de condensados en el tubo sea mínimo.
-Abrir valvula V27 hasta nivelar presiones y posteriormente abrir válvula VI7 para
colectar o eliminar condensados al drenaje. Una vez vaciado el recipiente,
cerrar ambas válvulas y repetir la operación cuando se observen condensados
en el tubo de nivel LI-4
9a.- Para captar la solución concentrada, se realiza una operación semejante a la
anterior.
- Abrir válvula V I8 y cerrarla cuando estén despresurizados los tanques de
extracción.
- Abrir válvula V9, cerrar cuando se haya vaciado el ciclón. Para ello, hay que
observar cuando ya no suba el nivel de agua en el tubo de nivel del tanque de
extracción.
- Abrir válvula V25 hasta nivelar la presión del tanque de extracción con la
atmosférica y posteriormente abrir válvula V I6 para colectar el concentrado.
Una vez vaciado el ciclón, cerrar ambas válvulas y repetir la operación cuando
se observen concentrados en el separador ciclónico. Es importante evitar que
el nivel dentro del separador, no rebase la mirilla.
85
b) Doble Efecfo.
8b.- Cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-2 y LI-4 succionarlos al
balón de extracción correspondiente.
- Abrir valvula V11 y V21 y cerrarlas cuando estén despresurizados los tanques
de extracción.
-Abrir valvula V10 y V20, cerrar cuando el nivel de condensados en los tubos sea
mínimo.
- Abrir valvula V22 y V27 hasta nivelar la presión del tanque de extracción con la
atmosférica y posteriormente abrir válvula VI2 y V I7 para colectar o eliminar
condensados al drenaje. Una vez vaciado el recipiente, cerrar ambas válvulas
y repetir la operación cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-2
y LI-4.
9b.- Para captar los concentrados repetir el paso 9a.
1Ob.- Es posible disminuir la presión de evaporación en el primer efecto, regulando el
vacío con la valvula V6..
c) Triple Efecto. 8c.- Cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-2, LI-3 y LI4 succionarlos
al balón de extracción correspondiente.
- Abrir valvula V I 1, VI5 y V21 y cerrarlas cuando estén despresurizados los
tanques de extracción.
- Abrir valvula V10, V I4 y V20, cerrar cuando el nivel de condensados en los
tubos sea mínimo.
- Abrir valvula V22, V25 y V27 hasta nivelar la presión del tanque de extracción
con la atmosférica y posteriormente abrir válvula V12, V I3 y V17 para colectar
o eliminar condensados al drenaje. lJna vez vaciado el recipiente, cerrar ambas
válvulas y repetir la operación cuando se observen condensados en el tubo de
nivel LI-2, LI-3 y LI4.
9c.- Para captar los concentrados repetir el paso 9a
86
c.- Es posible regular la presión de vacío en los efectos primero y segundo, regulando el
vacío con las válvulas V6 y V8 respectivamente, hasta lograr una presión igual a la
existente en el tercer ciclón, que corresponde a la presión de vacío en condensadores.
6.3.3 Paro.
.- Cuando se haya terminado la alimentación, cerrar la válvula V3 y esperar hasta que se
capte en el tercer tanque de extracción
- Cerrar válvula V28 y apagar bomba de alimentación.
-Abrir totalmente la válvula de alivio V27 hasta que el vacuómetro marque ceros.
- Apagar bomba de vacío, cerrar válvulas V I 9, V26 Y V30.
- Lavar el recipiente de alimentación eliminando los sólidos al drenaje con la válvula V2
- Repetir pasos 3 a 11
- Bajar el interruptor general ubicado sobre el tablero.
87
6.4 Mantenimiento del Equipo
En cualquier unidad o equipo es de vital importancia el mantenimiento para
garantizar la seguridad y el buen funcionamiento durante su manejo u operación. El
sistema de evaporación, dado su abandono y parcial desmantelamiento, requirió de un
mantenimiento correctivo profundo, mismo que a continuación se menciona, y un
mantenimiento preventivo de manera periódica para evitar algunos desperfectos que
se encontraron al ponerlo en marcha.
6.4.1 Mantenimiento correctivo
6.4.1.1 Sistema de flujo y alimentación.
Válvulas de alimentación a Efectos I, I1 y Ill.
Las válvulas de todos los efectos presentaron incrustaciones y empaques
desgastados lo que ocasionaba fugas por el vástago y rosca, no permitiendo una
apertura o cierre total del flujo. Para corregir, se sustituyen por válvulas de compuerta
roscadas de 1.27 cm (1/2 plg).
Tanque de Alimentación.
Presentó sedimentaciones e incrustaciones de polvo y pintura, el tubo de nivel
se encontraba sucio por formación de lama; asimismo presentaba fugas en ambos
extremos. El tubo se lavó internamente con un escobillón y el recipiente con fibra
metálica, las fugas se corrigieron cambiando los empaques por tiras de grafito de 3 mm
de espesor.
Válvula de Alimentación.
Esta actúa en conjunto con el rotámetro para regular el flujo de alimentación;
presentó empaques deteriorados provocarido goteos sobre el tablero no regulando
88
eficientemente el flujo. Se substituyó por una válvula de compuerta roscada de 1.27
cm (U2 plg).
Es importante mencionar que el grado de formación de incrustaciones en todo
el sistema es considerable, producto del descuido de no haber lavado el sistema
de evaporación después de la práctica.
Para limpiarlo, se lavó el equipo con sosa caústica. Para ello, se preparó en el
tanque de alimentación NaOH al 15% y se recirculó por espacio de 3 hr.
Posteriormente, se alimenta agua y vapor para eliminar el exceso de sosa.
6.4.1.2 Sistema de Vacío.
Es quizá el sistema de vacio y particularmente la bomba de vacio lo que ha
estado frenando el incursinamiento en su mantenimiento y la puesta en marcha del
equipo, pues se carece totalmente de manuales y diagramas del accesorio.
AI pasar mucho tiempo antes de volver a operar el equipo, el grado de
desperfectos son bastantes presentando el siguiente esquema.
Bomba de vacío
La flecha de transmisión de potencia al estar pegada, causaba vibraciones en
el motor. Inicialmente se destrabó y se engrasaron las chumaceras pero sólo se logra
funcionamiento por un tiempo muy reducido. Se procedió entonces a verificar la
nivelación y a desmantelar la bomba. Como el accesorio siempre está parcialmente
lleno de agua, las incrustaciones que se formaron obstruyeron el flujo de agua y la
libre rotación del rotor. Por tanto se corrigió el buje, se fabricó el prisionero faltante del
rotor, se asentó el rotor, se destaparon las cavidades de la bomba, se cambió uno de
89
los 2 baleros con que cuenta, se hicieron las juntas con empaque para juntas de 1/32
plg de espesor, se cambio la grasa y finalmente se niveló con el motor.
De todo el sistema de vacío, sólo este accesorio requirió de mantenimiento, pues
las tuberías y válvulas estaban en buen estado. No obstante, el mantenimiento
realizado no fue suficiente y se recomienda la sustitución de la bomba.
6.4.1.3 Sistema de Vapor y Condensados.
Brazo Auxiliar para desviación de Flujo de Vapor.
Faltaron 2 discos ciegos con sus respectivos empaques para tapar la conexión
removida en el sistema. Por ello, se fabricaron en placa de acero de espesor 1.9 cm
(314 pig) y un diámetro de 18.5 cm, los empaques correspondientes se hicieron en
material de garlock de 3 mm de espesor.
Trampa de Vapor.
El Atascamiento de los conductos por donde fluyen los condensados al
drenaje, incrustaciones en el flotador y oxidación externa ocasionaba un acumulamiento
de condensados en la coraza. Se desmontó y se desarmo la trampa para destapar los
orificios de desagüe; asimismo, se eliminaron las impurezas del flotador y los óxidos
que la cubrían.
Valvula reguladora de Presión.
La válvula que el equipo tenía instalada estaba mal dirnensionada, pues al
tratar de manipular la presión no se conseguia un valor deseado. No era posible
desmontarla para su chequeo, en la parte en donde está roscada con el tubo, se
colocó pintura de aceite probablemente para evitar fugas, esta al paso del tiempo y con
las temperaturas que alcanzaba, terminó por soldarse al carbonizarse la pintura.
90
Se decidió cambiarla por una válvula reguladora para vapor roscada marca
Noureen de 2.54 crn (1 plg) con entrada de hasta 20 kgjcrn' y un rango a la salida
de 0.9 a 7 kgJcm2.
Válvula de Servicio para Vapor.
La manivela de la válvula giraba con dificultad para abrir o cerrar, al
destrabarla, no cerraba la entrada de vapor vivo al sistema; desarmándola se observó
que está en malas condiciones. Se cambió por una válvula de servicio para vapor,
roscada de 5.08 cm (2 plg) con asiento de bronce.
Válvula de Purga de la linea de vapor vivo.
Las sedimentaciones e incrustaciones en exceso provocaron que se tapara, no
eliminando el agua condensada junto con las impurezas. Se cambió por una valvula
de paso para vapor de 5.08 cm (2 plg).
Tubos de vidrio para nivel de los Balones de Extracción.
En todos los tubos se presentó ensuciamiento e incrustaciones, los tubos del
segundo y tercer balón estaban rotos en las tuercas de unión. Los empaques de
los prensaestopas de todos los tanques de extracción y algunos empaques de la
tuerca tapón estaban defectuosos causando fugas. Para eliminar las incrustaciones de
todos los tubos de vidrio, se dejaron en reposo con ácido muriático por 24 h Los empaques del prensaestopas se substituyeron por tiras de grafito de 3 mm de espesor
y los empaques de la tuerca tapón por einpaques de garlock de 4 rnm de espesor con
2.54 cm de diámetro. Los tubos rotos se repusieron por tubos de 3 mm de espesor de
1.9 cm de diámetro con una longitud de 59.5 cm.
Tubos de vidrio para nivel de los efectos y columnas de condensación.
Los tubos presentaban incrustaciones y ensuciamiento por formación de lamia;
los tubos del primero y tercer efectos estaban quebrados en su parte superior e
91
inferior. Los empaques estaban defectuosos y faltaban para los efectos primero y
segundo.
Para el segundo efecto se colocó tubo de vidrio de 3 mm de espesor, 2.54 cm
de diámetro externo y una longitud de 34 cm; para el primer efecto se colocó tubo
fabricado en borosilicato, de las mismas dimensiones de diámetro y tamaño que el
anterior. Los'empaques se cambiaron por tiras de grafito de 3 mm de espesor.
Mirillas
Presentaron un ensuciamiento considerable, y la mirilla del segundo ciclón un
rebajamiento del espesor del cristal, pero no considerable, además, fugas en las mirillas
de los tres ciclones. Los cristales se remojaron en solución de ácido muriático por 24 h.
Aci mismo, se repusieron 6 empaques de los 12 que necesitan, fabricados en neopreno
de espesor=6 rnm de 9.0 cm de diámetro exterior y ancho=l crn.
6.4.1.4 Sistema de Medición y Registro.
Vacuórnetro de la Línea de Vacío.
AI desconectarlo y ponerlo a presión ambiente no marcaba ceros. Se revisó su
mecanismo para encontrar fallas y poder calibrarlo correctamente.
Manovacuómetro de efectos I, I I , Y 111.
Estos aparatos se encontraban en mal estado, pues no marcaban ceros a la
presión atmosférica y al operar el equipo la lectura no era confiable. Se destrabaron y
limpiaron los Bourdon; para el Efecto 111 se repuso el manovacuómetro con un rango de
760 mmHg en vacío y 2 cmHg de presión, de conexión inferior de 0.63 cm (1/4 plg), y
de carátula 10.16 cm (4 plg) de diámetro.
92
Mariómetro del Vapor Vivo.
Se trato de calibrar pero la lectura no era confiable. Como es necesaria la
lectura correcta del aparato, se cambió por un manómetro de carátula de 5.08 cm (2 plg),
de conexión posterior y un rango de O a 4 kgdcm’.
Registrador de temperatura
En realidad se desconoce el funcionamiento del equipo. Desarmándolo existen
una serie de circuitos que si se analizan se invertiría un tiempo considerable debido
a la falta del diagrama eléctrico que apoye.
Sellos químicos de ciclón I, II y 111.
El diafragma de los sellos quimicos estaban atascados con Óxidos, no
permitiendo la lectura real. El diafragma tipo plato para vacío ciclón del I I presentaba una
fisura. Se dio mantenimiento y se soldó el diafragma respectivamente, se cambio la
glicerina a ambos, quedando pendiente el diafragma para el tercer ciclón.
6.4:1.5 Sistema Eléctrico.
Motor eléctrico de la bomba de vacío.
Un desnivelamiento entre la bomba y el motor ocasionaba que funcionara por
poco tiempo debido a un sobrecalentamiento. La rehabilitación de la bomba de vacío
ayudo a que el motor no trabajara forzadamente y que no botara el arrancador.
Iluminación
En el sistema de iluminación del triple efecto, los sockets de las tres lámparas
estaban inservibles, faltando los focos y la lampara 2 presentaba un corto eléctrico. Se
repusieron los sockets y focos para las lámparas y se corrigió el corto eléctrico.
93
6.4.2 Mantenimiento Preventivo
Las acciones encaminadas a prevenir fallas durante la operación son:
Sistema de Evaporación.
Es necesario alimentar agua pura al sistema por espacio de 1/2 h con la
finalidad de lavar el equipo e inundar con agua caliente el balón de extracción de
producto condensado (tanque de extracción No. 3). Una vez realizado dejar abiertas
las válvulas de los balones y las de alimentación para desalojar los remanentes de
líquidos. Dicha operación se realiza al término de cada puesta en marcha.
Bomba de Vacío. Con la operación de la bomba con la válvula de alivio totalmente abierta, por lo
menos cada dos semanas se pueden disminuir las incrustaciones ocasionada al tener
el agua estática que contiene la bomba.
Tanque de Alimentación.
S'e debe lavar el recipiente con agua y jabón el recipiente desalojando los
residuos por la válvula V2. Después de utilizar soluciones diluidas de cualquier
sustancia (azúcar, sal, etc.) y antes de operar el equipo.
Rotametro.
En este caso es necesario desmontar el tubo, por lo menos mensualmente,
lavarlo sólo con agua sin tallarlo teniendo precaución de no tirar el flotador para no
descali brarlo.
94
Tubos de nivel.
Hay que cambiar los empaques cuando se presenten goteos. Lavar el tubo
interiormente con escobillón destapando las tuercas que se ubican en los extremos.
Esto cuando se presenten goteos o suciedad en los tubos.
Trampa de Vapor.
Desmontar y destapar los conductos de salida de la trampa así como eliminar
incrustaciones en el flotador cuando se observen problemas en la salida de los
condensados.
6.5 Coeficiente Global de Transferencia de Calor.
Se trabajó a partir de un balance de energía que además de proveer el valor de
los coeficientes globales, también aportó evidencias respecto de la eficiencia de la
operación del triple efecto. Es sobre este punto que se desea abundar.
Es importante mencionar que aún después de haber sometido al equipo a un
mantenimiento exhaustivo, no se logró corregir completamente la deficiencia en su
funcionamiento en cuanto se refiere a la bomba de vacío. Incluso, se recomienda
reemplazarla totalmente seleccionando una bomba con un diseño cuidadoso que nos
permita obtener corridas con más tiempo de duración, pues la actual opera sólo por un
lapso de 1.5 a 2.0 h.
En tal contexto, aún cuando se desarrolló la metodología para evaluar los
coeficientes globales, éstos no pudieron considerarse confiables. No obstante, con
objeto de correr algunas pruebas de simulación, se evaluaron los parametros
mencionados, lo cual sugiere que los resultados generales deben tomarse con
reserva.
Así, dadas las condiciones del equipo antes mencionadas, se implementaron
algunas suposiciones que permitieran obtener dicho parámetro con objeto solo lde
confirmar las rnetodologías a emplear.
- La temperatura del fluido a alimentarse en los evaporadores (TI, T2) y la del
producto final (T3) permanece constante desde la salida del ciclón predecesor (ciclón 1,
ciclón 2 y ciclón 3 respectivamente).
- No se considera efecto de la presión hidrostatica sobre la temperatura de ebullición.
- La determinación de la temperatura de ebullición se obtiene por medio de la
presión de saturación (Pi, P2, P3) que se marca en los instrumentos de medición
de cada separador ciclónico (monovacuómetros).
96
Bajo este contexto, se generaron los datos que a continuación se señalan y que
corresponden al número de corridas que se pudieron realizar con los instrumentos
disponibles y bajo las condiciones siguientes:
Cuadro 6.5.1 Resultados en el primer efecto para corridas con agua pura y arreglo del evaporador en triple efecto.
I\ la nomenclatura y ubicación de las literales se mencionan en la metodología, figura5.2.1 2\ rna=640.8 kgih, Ta=20.0°C, vacio en condensadores de 47.3 kPa (230 mmHg)
Cuadro 6.5.2 Resultados en el segundo efecto para corridas con agua pura y arreglo del evaporador en triple efecto.
Cz. kg
3359.7 11.04
3110.0 3.61 10.52
3408.6 3.96 11.14
1205 j
97
Cuadro 6.5.2 Resultados en el segundo efecto para corridas con agua pura y arreglo del evaporador en triple efecto. (Continuación)
I \ la nomenclatura y ubicación de las literales se mencionan en la metodologia, figura5.2.1 2\ ma=640.8 kglh, Ta=20.O0C, vacio en condensadores de 47.3 kPa (230 mmHg)
Cuadro 6.5.3 Resultados en el tercer efecto para corridas con agua pura y arreglo del evaporador en triple efecto.
1 3910.7 4.54 17.47
3727.9 4.33 16.12
3944.4 4.58 17.56
4266.6 4.95 18.45
I 5 1 83.2 1 6025.4 1 7.00 1 3972.7 I 4.61 1 17.64 1
1\ la nomenclatura y ubicación de las literales se mencionan en la metodologia, figura5.2.1 2\ ma=640.8 Kgihr, Ta=20.0 oC, vacio en condensadores de 47.3 KPa (230 mmHg)
90
A partir de los datos generados experimentalmente, se determinaron las medias
y desviaciones estándar de los coeficientes globales de cada efecto. Los resultados
de este análisis se muestran en el cuadro 6.5.4
Cuadro 6.5.4 Coeficientes Globales empíricos medios.
1\ la nomenclatura y ubicación de las literales se mencionan en la metodologia, figura5.2.1 2\ ma=640.8 Kglhr, Ta=20.0 oC, vacio en condensadores de 47.3 KPa (230 rnrnHg)
Cabría esperar que los efectos 2 y 3' presentaran mayores coeficientes globales
en virtud de que, como al paso del tiempo han sido menos usados que el primero,
seguramente están menos incrustados que el primero. No obstante esto no ocurrió, lo cual se debe, como se mostrará más adelante, a una baja capacidad de alimentación
de vapor de calefacción.
6.6 Evaluación de la operación del equipo.
Durante las diferentes pruebas, .se utilizó un nivel de vacío en los
condensadores de 47.329 kPa (230 mmHg), con el cual se lograron las presiones y las
temperaturas de evaporación que se indican en el cuadro 6.6.1
CUADRO 6.6.1 Distribución de temperaturas y presiones de ebullición
/ I . Considera que la alimentación entra a 20 "C y representa una diferencia de temperatura media logaritmica. La diferencia con respecto a Tebullición es de 18 "C
99
Si se considera que el vapor vivo se alimentó a una presión de 1.5 kgf/cm2 en
estado saturado (temperatura igual a 11 0.8OC) entonces la diferencia de temperaturas
útil (ATu) registrada fue apenas de 27.6 OC, la cual es muy inferior a cualquier
evaporador comercial de este tipo, en donde se registran ATu's del orden de los 6OoC.
La presencia de una baja ATu propició diferencias de temperatura entre vapor de
calefacción y líquido en ebullición muy pequeñas y por lo tanto bajas velocidades de
transferencia de calor. El mismo cuadro 6.6.1 muestra tales gradientes de temperatura.
En el cuadro 6.6.2 muestra los resultados de operación de cada efecto en términos de
la energía transferida y el uso de la misma, así como del vapor producido en cada
columna.
CUADRO 6.6.2 Vapor generado a partir del origen de la energía de evaporación
Como se ha indicado anteriormente, la estructura de corriente directa con la que
cuenta el evaporador, hace que el líquido en ebullición que proviene del primer efecto,
sea alimentado al segundo efecto, recinto en condiciones de menor presión total,
ocasionando que en forma momentánea la presión de vapor del líquido sea mayor a la
presión total del sistema. Para compens,ar esta aparente irregularidad, el líquido
experimenta una evaporación súbita, que caracteriza a un proceso de "flash adiabático".
Con esta evaporación el líquido se enfría y da lugar a la presencia de un gradiente de
temperatura con respecto al vapor de calefacción, lo que permite la transferencia de
calor de dicho vapor.
1
1 O0
El mismo fenómeno ocurre en la alimentación al tercer efecto. Es necesario
enfatizar que ésta característica ocurre en un evaporador arreglado en corriente directa,
pero no se produce en un arreglo en contracorriente.
El cuadro 6.6.2 muestra la energía que en cada efecto se usa para la
evaporación y su origen, es decir, la que se transfiere desde el medio de calefacción por
la presencia de un AT y la que se aprovecha por la condición de evaporación súbita. Así
mismo, el vapor generado por los dos mecanismos.
En el primer efecto, la totalidad del vapor que se produce, es generado por la
energía proveniente del vapor vivo, transferencia generada por un gradiente de
temperatura. En este caso, en virtud de que la alimentación se introduce a 20' C, se
emplea 92.8% de la energía total en la fase de precalentamiento. Es decir, solo 3597 1
kcallh se emplearon en la fase de evaporación (el 7.2%). Con objeto de tener una
referencia para esta información, recuérdese que la operación se lleva acabo al 50% de
la capacidad total del equipo respecto al flujo de alimentación, esto es, el rotametro
marcó un 50% de flujo total permisible.
El segundo efecto adoleció de una baja alimentación de vapor de calefacción,
específicamente, recibió 6.61kglh de vapor para tratar 634.19 kg/h de líquido. Esto
conduce al hecho de que se produjo casi la misma cantidad de vapor por el efecto
"flash" que por el medio de calefacción. En este caso, se produjo el 42.3% de
evaporación por flash. En el tercer efecto, se invirtió relativamente el
comportamiento: la mayor parte de la evaporación se produce por el medio de
calefacción y solo el 37.6% por el efecto flash. No obstante, permanece la característica
de ineficiencia por la escasa alimentación de vapor de calefacción a este tercer efecto
(10.75 kglh de vapor de calefacción para calentar a 623.44 kglh de líquido).
I O1
Con estos resultados podemos afirmar que la operación es ineficiente pues
siendo un evaporador de múltiple efecto presenta una economía de evaporación de
apenas de 0.365 si se considera que se produce 34.51 kglh de vapor a través del uso
de 94.44 kgih de vapor vivo. Esto contrasta Con evaporadores en múltiple efecto
comerciales que presentan economías superiores a la unidad.
Esta problemática está reflejada en los valores de los coeficientes globales
obtenidos, pues aún cuando el sistema puede registrar mayores niveles de
transferencia de calor, está limitado a la alimentación de vapor Como medio de
calefacciór: en los efectos 2 y 3. Resulta evidente que se requiere de la formulación de
una estrategia que conduzca a la obtención de niveles de operación más eficientes
pues si el equipo se utilizara con tines distintos a la enseñanza, se requeriría de
disponer de un sistema versátil para lograr buenos niveles de evaporación.
En este contexto se propone incrementar la eficiencia del sistema, representada
por la economía de evaporación a traves de las dos acciones siguientes:
a)Proporcionar a la alimentación un precalentamiento con objeto de aprovechar la
estructura de la primera columna como un evaporador y no como un precalentador
como ahora se emplea.
b)lncrementar el grado de vacío con el fin de aumentar los gradientes de temperatura
en cada efecto y aprovecha en forma más evidente el fenómeno de las evaporaciones
súbitas.
Con el objeto de mostrar las ventajas de estas dos alternativas, se presentan a
implementación de continuación los resultados más sobresalientes de la posible
ambos, que fueron obtenidos por predicción teórica.
Cuadro 6.6.3 Implementación teórica de estrategias para elevar la eficiencia del evaporador.
I T. de ebullición TI, "C I 92.83 I 92.83 I I T. de ebullición T2, "C I 87.88 ~~ I ~~~ ~ 7:: ~-i T. de ebullición T3, 'C 81.99
Vapor producido en efecto I, kgíh
Vapor producido en efecto 11, kgh
96.77 40.58
277.32 74.19
Vapor producido en efecto 111, kglh
Economia de Vapor
(a) Considera un precalentamiento de la alimentación. (b) Considera incrementar una diferencia Útil de temperaturas disminuyendo la presión de vacio
en condensadores.
VIL CONCLUSIONES
I . La disponibilidad de equipo a escala piloto es fundamental en el desarrollo de las
habilidades de los estudiantes de carreras de Ingeniería, como lo es para los del
Departamento de Ingeniería Agroindustrial de la Universidad Autónoma Chapingo.
En tal contexto, la rehabilitación de equipo de evaporación en triple efecto, significa
la recuperación de la infraestructura básica de prácticas de los cursos de
Fenómenos de Transferencia y Operaciones Unitarias, Io cual se considera una
aportación del presente trabajo.
2. Es necesario el cambio completo del sistema generador de vacío, ya que el actual
no permite el desarrollo de corridas de proceso en condiciones de regimen
estacionario, por los constantes paros ocasionados por el calentamiento de los
elementos termomagnéticos al encontrarse la bomba en alto grado de corrosión.
3. Es necesario proveer de un sistema de precalentamiento de la alimentación, para
incrementar el valor de la economía de evaporación.
En el,sistema actual, la mayor parte de la energía aportada por el vapor de
calefacción, se utiliza en el calentamiento hasta ebullición de la alimentación.
Si bien se realiza una evaporación de los efectos segundo y tercero, se debe más a
la condición imperante de vacío, con la inducción de una evaporación "flash", que a
la calefacción con el vapor de calandria, ya que en el primer efecto hay una pobre
generación de vapor.
4. Es necesario realizar rutinas periódicas, de mantenimiento preventivo ylo correctivo
a cada una de las partes del equipo, con el fin de evitar su deterioro.
5. Es necesario complementar la habilitación de equipo y asimismo complementar la
evaluación de los coeficientes globales de cada efecto, ya que, aún cuando se
desarrollaron valores, éstos deben considerarse sólo preliminares por las
circunstancias en que se desarrolló el trabajo.
104
VIII. BlBLlOGRAFlA
Geankoplis, Christie J. 1986. Procesos de transporte y Operaciones Unitarias. 2a
Edición. Editorial C.E.C.S.A. México.
Hugot E. 1963. Manual para Ingenieros Azucareros. Editorial Continental. México
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Keenan, Joseph A,; Keyes, Frederick G.; Hill, Phillip G.; Moore , Joan G. 1969.
Thermodynamic Properties of Water including Vapor, Liquid and Soil Phases. Jhon
Wiley & Sons Inc. U.S.A.
Lara García, José Ornar y Velázques Castillo, Alejandra. 1993. Proceso Evaporativo
de jugo de naranja: Desarrollo y Simulación del Modelo Matemático. Tesis
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McAdams. W.H. 1954. Heat transmission. Editorial McGraw Hill. Third Edition. U.S.A
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Edición en español. Editorial Reverte. España. Tomo I.
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Sandler, H.J. y Luckiewicz, C.T. 1987. Practical Process Enginnering. A working
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105
Torres H. H. E Ybarra M.M.C. 1989. El procesamiento industrial del limón mexicano
(Citrus aurantifolia, Swingle) en Cítricos de Colima, S.A. de C.V. ; Tecoman, Col. :
Bases para su modelación y optimización parcial. Tesis Profesional. Departamento de
Ingeniería Agroindustrial. Unoversidad Autónoma Chapingo. Chapingo. México.
Valle G., S. 1995. Evaluación de Películas Plásticas para el almacenamiento de
productos hortofrutícolas mediante atmósferas modificadas. Tesis de Grado de
Maestro en Ciencias. Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas.
Instituto Politécnico Nacional. Mexico.
Ulrich, G.D. 1986. Diseño y Economía de los procesos de ingeniería química. Nueva
Editorial Interamericana. l a , ed. en español de la l a . ed. en ingles. Mexico.
106
ANEXO I. MANUAL DE OPERACION Y MANTENIMIENTO
El reto de cualquier industria alimentaria, e incluso de otro tipo, es elevar su
productividad y poder competir ante las demás empresas del mismo ramo. Para lograrlo,
se debe tener un mayor conocimiento de la problemática a la que se enfrentan, asimismo,
implica un conocimiento a fondo de las principales operaciones involucradas en el
Proceso Agroindustrial pues son ellas la principal fuente de información y control que
determinan la optimización de recursos.
Muchas veces, el logro de estas metas implican un avance en el nivel tecnológico
de los procesos y su eventual modernización para lo cual es necesario llevar acabo un
estudio más amplio de dichas operaciones. Una técnica muy apropiada, es el estudio del
comportamiento de un proceso a nivel piloto.
En ,instituciones de enseñanza superior, los equipos piloto al igual que otras
herramientas prácticas representan los elementos para una formación amplia al estudiar
operaciones sobre equipos similares a los que se emplean en la industria
Inicialmente se describe el equipo de evaporación partiendo de los diagramas de
flujo y de tubería e instrumentación para asimilar y comprender la información que se
vierte al respecto.
La descripción se encuentra organizada en los subsistemas que conforman el
equipo de evaporación: descripción de flujos, descripción mecánica, funcionamiento del
equipo y mantenimiento. Así mismo, cada una de estas fases se divide en los apartados
necesarios que hacen posible mejorar y presentar la información relacionada con dicho
tema.
m W 0
c
.- v> W L a
I h I
4 1 N Y 1.Y i
I
1
u
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1 *
o z
Y, Y D
I : ! u 4 C c
f
i a W > v) z
b- 2
W b- K O o
1
107
Descripción Mecánica del Evaporador.
La Evaporación se logra por medio de un calentamiento del fluido a concentrar
utilizando vapor y generando una caída de temperatura siendo mayor en el primer efecto
y menor en el tercer efecto.
Cuerpo del Evaporador
El Sistema de Evaporación esta conformado por columnas de evaporación, que
es donde se lleva acabo la transferencia de calor; separador de la mezcla liquido-vapor
o separador ciclónico; sistema de extracción de condensados; y condensador.
En el equipo piloto, las columnas de evaporación están construidas como un
intercambiador de coraza y tubos dispuestos verticalmente, con alimentación inferior y
entrada de vapor superior, figura 1; constan de 4 tubos de acero inoxidable 304 de
diámetro interno de 3 cm, espesor de 2 mrn y 2.69 rn de altura con un arreglo en cuadro
y un "pitch" (distancia entre tubos) de 6.0 cm, dentro de una coraza con diámetro interno
de 14.5 cm, fabricada en lamina de acero iiioxidable 304 con 2 mm de espesor.
Cada columna esta provista de u n tubo de nivel para poder visualizar los
condensados dentro de la coraza. Para la columna I, el tubo es de borosilicato con
diámetro de 2.54 cm y una longitud de 34 cm; en las columnas II y 111 son de vidrio Pyrex
de dimensiones similares al anterior. Utilizan 2 empaques de grafito de 3 mm de espesor
entre el tubo y el prensaestopas y 1 empaque de garlock de 4 rnrn de espesor y 2.54 cm
de diámetro entre el brazo de comunicacióri y la taparosca.
La caracterización y dirnensionarnierito de los evaporadores se visualiza en el
siguiente plano (plano 1).
108
i i i i I 1 II I 1 II I 1 II II II II II II II II I! II I I II II II II I1 II II I 1 II II I I II I1 II II I I I I II II II II II
-I L J L,
yy 5.5 an
alimt&iioa
FIGURA 1 . Columna de Evaporación y distancia entre tubos.
FIGURA 2. Alimentación de la Columna al Separador Ciclónico.
1 o9
Mil la
+\\I I
\ \
FIGURA 3. Mirillas tiel Separador Ciclónico
110
c- Tuerca tapon CIm P e- Empaque m
c- Brazo del nivel
t- Empaques de grafito
i -- Anillo de ?resion
Tuerca prensaestopas aI.l-- I
e- Tubo de vidrio
¡
FIGURA 4. Tubo de nivel de columna y tanques de extracción.
Para poder separar la fracción de vapor que se ha formado através del recorridl3
del jugo por los tubos, se utiliza un separador ciclónico (figuras 2 y 3). Los separadores
ciclónicos se componen de un cilindro en :;u porción superior unido a un cono en SIJ
porción inferior, ambos fabricados en lámina de acero inoxidable 304 de 2 mm espesor,
el cilindro tiene un diámetro interno de 25 icm y una altura de 62 crn, provisto de una
111
placa deflectora en su interior lo que provoca el vórtice del flujo de alimentación; la
porción cónica tiene una altura de 30 cm y un diámetro de 6 cm en la base. El ciclón
cuenta con un par de mirillas con 1 O cm de cliámetro; localizadas en la parte superior y en
la porción media ventral. El dimensionamieinto se muestra en el plano 4.
El cristal que utilizan tiene un diámetro de 9 cm con empaques a ambos lados
fabricados en neopreno de 9 cm de diámetro y 6 mm de espesor con un ancho de 1 cm
empalmados con un anillo de acero inoxidable del mismo diámetro.
Para poder captar los condensados )!/o solución de interés, en cada columna y el
Último ciclón del equipo piloto existe un tanque de extracción el cual succiona los
condensados por medio de un gradiente de presiones, manteniendo a vacío el tanque,
provocando la fuerza de succión. Dicho tanque está fabricado en lámina de acero
inoxidable 304 de 2 mm de espesor, tienen un diámetro de 35 cm y una altura de 63.5 un (plano3). Para su uso están provistos de 4 válvulas de paso (figura 5), soldadas de 1.27
cm (1/2 plg): válvula de alivio, conectada al medio ambiente; válvula de succióri,
conectada al equipo (columnas o ciclón); válvula de vacío, conectada a la línea de vacío
y válvula de desagüe para desalojar el líquido. En el costado derecho tienen un tubo de
nivel de una longitud de 59.5 cm y un diámetro externo de 1.9 cm (3/4 plg) para visualizar
el nivel dentro del tanque de extracción, estos tubos utilizan 2 empaques de grafito de
3 mm de espesor entre el prensaestopas y el cristal, y empaques de garlock de 4 mm de
espesor con un diámetro de 2.54 crn entre la tapa rosca y el brazo de comunicación
(figura 4).
a vacio condeinsados
I
__
112
FIGURA 5. Direccionamiento del uso de las válvulas en el Tanque de Extracción.
La condensación final de los vapores se logra por medio de 2 columnas de
condensación, construidas como un intercambiador de coraza y tubos vertical de 2 pasos
con circulación de agua por el interior de los tubos, ver figura 6. Las especificaciones de
los tubos y la coraza son similares a las columnas de evaporación, al igual que las de
los tubos de nivel. Adicionalmente, están provistas de una purga de aire en la cubierta
superior consistente en un tubo de 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro (plano 2).
VdDU1' 113
FIGURA 6. Columnas de Condensación.
Las conexiones entre los elementos descritos del equipo piloto, se logra por medio
de tubo de acero inoxidable 304 de 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro a excepción de la tubería
de salida de vapor proveniente de los separadores ciclónicos. Está construida del mismo
material que el separador ciclónico, provista de 3 bridas roscadas.
Equipo de Medición y Lectura.
a) Temperatura
En el sistema existen puntos en los cuales hay un termopar con un termopozo para
la toma de temperatura. La red de termopares está constituida por 8 terminales ubicadas
en la salida de vapor y liquido de cada ciclón (6 termopares), entrada de agua a columnas
de condensación (1 termopar) y en la salida de condensados de columnas de
condensación (I termopar). Se cuenta con termopozos adicionales los cuales se
w
B
ELEVACION A-A Y B-B SEGUN
- P L A N T A
A
t-7
PLANTA
/Tanque de extraccionM
114
ubican en el costado inferior de cada tanque de extracción (4 termopozos) y en la parte
superior de cada columna de condensación (2 termopozos).
El termopar que utiliza es de Tipo J (cable compuesto por alambre de cobre
constantan0 y hierro), la corriente que se genera por el efecto seeback se transmite al
tablero principal y se traduce a una hoja de registro accionada por un sistema eléctrico,
en la que se marca cada punto de toma de lectura; la secuencia de esta graficación se
desconoce.
b) Presión
La medida de presión se toma en cada ciclón y en la entrada de vapor vivo a la
primera columna de evaporación. En el c,iclón, una derivación ubicada en el costado
superior izquie-rdo conecta a un diafragnia tipo plato para vacio con glicerina, que
transmite la información a un rnanovacuómetro. Este dispositivo permite obtener lecturas
de 1 cm de presion Ó 76 cm de vacío, tal iristrumento es de carátula de 10.16 cm (4 plg)
de diámetro con conexión inferior de 0.63 cm (1/4 plg). El diafragma con glicerina permite
que no se deteriore el Bourdon y que la manecilla no vibre al registrar la lectura.
El rnanómetro de la línea de vapor vivo también es de carátula de 5.04 cm (2 plg)
de diámetro de conexión posterior de 0.6:lcm (1/4 plg) con rango de hasta 4 kg,/cm'.
c) Flujo
La medición del flujo de alimentación se lleva a cabo por medio de un rotámetro
de area variable mod 10A3600 en el que se visualiza el porcentaje de alimentación que
se regula por una válvula de compuerta roscada de 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro
ubicada en el tablero principal. Asimismo, la alimentación a cada columna de evaporación
es permitida por una derivación en forma de "T" en la que el paso al exterior está dada
por una válvula de compuerta roscada de 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro.
115
Unidad o equipo generador de vacío
La condición de vacío que se establece en el equipo piloto se logra por medio de
.una bomba de anillo líquido. Esta bomba extrae el aire del equipo utilizando agua como
medio sellador y como líquido compresor. IJn rotor con aspas gira dentro del cuerpo de
la bomba, cuando se introduce el agua de s:ellado, el rotor transporta el liquido alrededor
de la carcasa excéntrica y forma un anillo líquido que gira. El liquido en rotación llena y
vacía parcialmente cada cámara del rotor una vez en cada revolución, asemejando la
acción de un pistón. A medida que el liquiclo pasa a través del sector de divergencia de
la carcasa, aspira aire a través del orificio cle entrada cerca del mamelón. A medida que
el fluido pasa a través del sector convergente del cuerpo de la bomba, el líquido :se
mueve hacia dentro, y el aire se fuerza hacia fuera a través del orificio de descarga. Una
porción del líquido fluye hacia fuera junto con el aire y se separa en un separador
mecánico hacia el drenaje.
vacio ?
sA aire
FIGURA 7. Sistema generador de vacio.
116
Dicho equipo está provisto de una válvula de alivio soldada de 1.27 cm (1/2 plg)
de diámetro y un vacuómetro de carátula de 10.16 cm (4 plg), con conexión inferior de
0.63 cm (1/4 plg) conectado a un diafragma tipo plato para vacío con glicerina. Es la
entrada de aire a través de la válvula lo que permite tener control sobre la condición de
vacío.
El enfriamiento y funcionamiento de esta bomba se efectúa por la inyección de
agua que es regulada por 2 válvulas. La primera, localizada en el extremo superior
izquierdo del sistema de evaporación y la segunda ubicada a un costado de la bomba de
vacío; ambas son de tipo globo, roscadas de 3.81 crn (1 1/2 plg) de diámetro.
Inyección de vapor
La conducción de vapor al equipo piloto proviene de calderas a través de una línea
de 5.08 cm (2 plg) de diámetro. Se cuenta icon una derivación antes de introducir vapor
al sistema; una válvula de paso de 3.81 i:m (1 112 plg) de diámetro funciona como
purgador de la línea de vapor, dado que las incrustaciones que arrastra son de
consideración y pueden ocasionar problernas en la válvula de presión. La válvula de
servicio o de alimentación de vapor vivo es de tipo globo de 5 08 cm (2 plg) de diámetro
con asiento de bronce, propia para tales condiciones; la válvula reguladora de presitjn
es de la marca NORGREEN de 2.54 cm de diámetro (1 plg) mod. 11-018-33 con una
entrada máxima de 21 kgf/cm2 y con un raiigo de salida mínima de 0.9 kg$cm2 hasta 7
kgt/cm2. Los condensados de este vapor sim desalojados a través de una trampa para
vapor tipo flotador que soporta una presión de hasta 5 kg&rnz.
117
a columna de evaporacion
a drenaje
FIGURA 8. Inyección tie vapor ai sistema.
1
118
Sistema Eléctrico y de Potencia
El Equipo de evaporación consta de una acometida de tres fases controlado por
un interruptor de cuchillas. El cableado se distribuye hacia el sistema de iluminación y
hacia el sistema de potencia.
Tres focos incandecentes ubicados en la parte superior de cada ciclón constituyen
la iluminación del triple efecto, el interruptor se localiza sobre el tablero principal.
Dos motores eléctricos de reja de ardilla que se acoplan a la bomba de
alimentación y a la bomba de vacío conforman el sistema de potencia, sus respectivos
arrancadores se ubican sobre el tablero prilncipal.
a)Motor de la bomba de alimentación
De acuerdo a los datos de placa, las características del arrancador y motor son:
Arrancador termomagnético b)Motor eléctrico
- Marca Square D - Marca ASEA
- Elementos térmicos 62.40 - Potencia 114 H.P.
- Clase 251 O - Intensidad 1.8 amp
- Tipo BG-2 - Dif. de potencial 220 volts
- Serie A - Fases 3
1
119
b)Motor de la bomba de vacío
Asimismo, de acuerdo a los datos cle placa, las características del arrancador y
motor son:
Arrancador Termomagnético Motor eléctrico
- Marca Square D - Marca IEM
- Elementos térmicos 812.8 - Potencia 3 H.P.
- Clase 2510 - Intensidad 8.6 amp
- Tipo BG-2 - Factor de servicio 1.15
- Serie A - Intensidad a F.S. 9.4 amp
220 volts - Dif. de potencial
- Fases 3
120
Deccripció'n de flujos.
En el diagrama de flujo se ubican las líneas involucradas en el sistema y las
condiciones en las cuales se puso en funcionamiento, las corrientes y sus respectivas
características.
Sistema de flujo y alimentación.
El liquido a concentrar se vierte sobre el recipiente de alimentación. El líquido es
bombeado regulando el flujo a un valor deseado con el rotámetro y la válvula de
alimentación (V3). Para que la alimentación llegue hasta la bomba, se tiene que abrir
primero la válvula de entrada (VI) y cerrar 1 8 válvula de desagüe (V2). La numeración de
válvulas y tubos de nivel que se emplea en ésta y las demás secciones se muestra en la
figura 9
La válvula de entrada al primer efecto (V4) debe estar cerrada, pués solo se utiliza
para calibrar el rotámetro con el fluido que se está trabajando.
El líquido entra por la base de la primera columna se vaporiza parcialmente y sale
por la parte superior para entrar al primer ciclón. El liquido parcialmente concentrado baja
del ciclón y vuelve a subir por la segunda y tercer columnas, para ello las válvulas V5 y
V7 deben estar cerradas.
El recorrido de la solución de interés siempre es el mismo. Las concentraciones
adicionales se logran condensando el vapcir generado sobre las columnas precedentes
(columnas II y ill) o dirigiéndolo al condensador.
- W > C W U u) O .Q 3
h u) m 3 > 'm > W U C
o
._
I
- -
:o 2 E 3 c m - 2 m Q
2 a, 3 Kr u) W
m Q: z u:
122
Sistema de vapor y condensados.
El vapor de calentamiento al ceder su calor latente se condensa formando agua.
Estos fenómenos ocurren en los tres efectos y columnas de condensación, Observándose
el nivel de condensados en los tubos de nivel de cada uno (Ll-1, LI-2, LI-3, LI-.4
respectivamente).
columna de evaporation /
condensados
alimentation
FIGURA 1 O. Alimentacióri al Sistema de Evaporación.
123
El sistema de evaporación utiliza vapor de caldera corno medio de calentamiento.
Antes de entrar al sistema, se "purga" la línea de vapor para eliminar el agua condensada
y las impurezas que lleva consigo. Primeramente se abre la válvula de purga (V24) hasta
que salga vapor para poder cerrarse, se abre entonces la válvula de servicio para vapor
(V28) para permitir el paso a la primera collumna. Este vapor al condensarse sale por
medio de una trampa de vapor para dirigirse al drenaje.
Simple Efecto.
En la operación del equipo en Simple Efecto se tienen que realizar algunas
modificaciones: la válvula V6 y V8 se abren totalmente para dirigir el vapor directamente
a las columnas de condensación. De esta manera los vapores generados en el primer
ciclón se condensan en las columnas de ccindensación.
Doble Efecto.
Para la concentración en doble efecto también es necesario mover las válvulas de
la siguiente manera: se cierra la válvula V6 y permanece abierta la válvula V8 para dirigir
el vapor del segundo separador ciclónico a los condensadores.
Triple Efecto.
Cuando el sistema de evaporacióri opera en triple efecto, se cierran ambas
válvulas (V6 y V8) el vapor que se separa del tercer ciclón se dirige a las columnas de
condensación.
De esta manera los flujos de vapor van a diferir de acuerdo al grado de
concentración deseado, pero siempre ocurre la condensación final en las columnas de
condensación ai igual que el producto condensado en el tercer tanque de extracción, para
cualquiera de las modalidades de operación.
124
Los 4 tanques de extracción están diseñados para funcionar de la misma manera,
no así el producto que acumulan, pues sólo el tercer balón recibe producto final y los
demás condensados. Cada tanque de extiracción está provisto de 4 válvulas: una
conectada a la línea de vacío para despresurizarlos, llamémosle válvula de vacío
(VI 1 ,VI 5,VlE Y V21); otra conectada a la carcaza de la columna o ciclón según sea el
caso, llamémosle válvula de succión (VIO,V14,V9 Y V20); una que permite la entrada de
aire del ambiente para presunzarlo, llamémosle valvula de alivio (V22,V23,V25 Y V27); y
la última para vaciar el recipiente, Ó válvula cle desagüe (V12,V13,V16 Y V17).
Cuando el equipo está funcionando en cualquiera de los tres casos (simple, doble
o triple efecto) primeramente se tiene que despresurizar el tanque de extracción abriendo
la válvula de vacío y cerrándola cuando se logre la condición de vacío, esta condición es
perceptible al no oirse succión de aire (esto ocurre en un lapso de 2 a 4 segundos), es
entonces cuando puede succionar el líquido en cuestión cerrando la válvula de vacío y
abriendo la válvula de succión visualizando el tubo de nivel de la alumna o del tanque de
extrac'ción en el cual ya no sube el nivel de lícluido. Para eliminar el contenido del tanque
de extracción, con la válvula de vacío y válvula de succión cerradas se abre la válvula
de alivio para igualar su presión con la del exterior, posteriormente se abre la válvula de
desagüe para vaciar el tanque.
Para regresar a la condición inicial, se cierran la válvula de alivio y de salida para
poder abrir la válvula de vacío; cuando el recipiente está despresurizado se cierra y el
equipo está listo para repetir la operación cuando sea necesario.
Sistema de Vacío.
La generación de la condición de vacío es primordial para lograr la disminución de
la temperatura de ebullición en las columnas, as¡ como para coadyuvar al flujo de
alimentación y separación del vapor.
125
El elemento que lo realiza es la bornba de vacio la cual succiona mezcla de aire
con trazas de vapor por la tuberia que tiene en su parte superior y que está conectada
al cuerpo de la segunda columna de condensación, de esta forma, las carcasas de
ambas columnas que se encuentran unidas por una conexión inferior, se encuentran en
condiciones de vacio. Las válvulas V11, V'15, VI8 y V21 conectadas a la linea de vacío,
al abrirse despresurizan los distintos tanques de extracción para extraer condensados
Ó succionar el producto final del tercer ciclón según corresponda. La valvula de alivio
(V27) regula la presión al permitir la entrada de aire del ambiente y suprimir parte de la
succión que mantiene la condición de vacío.
Cuando no hay alimentación de la bomba 1, y la valvula V3 se encuentra cerrada,
la condición de vacio se establece en el sistema por medio de las conexiones de los
ciclones con las columnas de evaporación y columnas de condensación de la siguiente
manera: el tercer ciclón se conecta con las columnas de condensación, que están a
vacío. y a su vez con los tubos del tercer efecto el cual se comunica por su conexión
inferior de alimentación al segundo ciclón, que se conecta con el segundo efecto ... y así
sucesivamente hasta que se logran mantener a vacío los tubos del primer efecto. El
accionamiento de las válvulas VI 1, V15, V l 8 y V21 tienen su función cuando el equipo
de evaporación está operando normalmente, el cual ya fue descrito.
126
Funcionamiento del Equipo
Arranque.
Para el funcionamiento del sistema de evaporación la secuencia en el arranque es
la misma para las tres distintas formas de operación.
Secuencia de Arranque.
1 .- Cerrar todas las válvulas del sistema.
2.- Vertir la solución ya preparada o diluída al tanque de alimentación.
3.- Abrir la válvula VI.
4.- Abrir la válvula V I 9 de agua de enfriamiento a los condensadores.
5.- Abrir la válvula de purga de la línea de vapor V24 pausadamente y cerrarla hasta
que se obtenga vapor.
6.- Accionar el arrancador de la bomba de alimentación ubicado en el tablero.
7.- Cuando la alimentación este cayendo en el primer separador cilónico:
- Puesta en marcha del sistema de vacío
- Abrir las válvulas (V30 y V26) de entrada de agua a la bomba de vacío.
-Accionar el arrancador del motor de la bomba de vacío, ubicado en el tablero.
- Regular con la válvula de alivio Ví17 el vacío a 40 mmHg visualizados en el
vacuómetro.
-Abrir la válvula de servicio de vapor V28.
- Se puede obtener la presión de vapor deseada con la válvula V29 . hasta un
valor deseado que sea inferior a 4 kgJcm2, visualizando la presión en el manómetro
de vapor vivo.
Hasta este punto se ha logrado arrancar el equipo, como paso posterior es
realizar las modificaciones para simple, doble o triple efecto por medio de las válvulas
V6 y V8: para simple efecto abra ambas viilvulas; para doble efecto cierre válvula V6
y deje abierta V8; para triple efecto cierre ambas válvulas.
127
Operación.
a) Simple Efecto.
8a.- Cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-4 succionarlos al tanque
de extracción correspondiente.
-Abrir válvula V21, cerrar cuando estén despresurizados.
- Abrir válvula V20, cerrar cuando el nivel de condensados en el tubo sea minimo.
-Abrir válvula V27 hasta nivelar presiones y posteriormente abrir válvula VI7 para
colectar Ó eliminar condensados al drenaje. Una vez vaciado el recipiente,
cerrar ambas válvulas y repetir la operación cuando se observen condensados
en el tubo de nivel LI-4.
9a.- Para captar la solución concentrada, se realiza una operación semejante a la
anterior.
- Abrir válvula V I 8 y cerrarla cuando estén despresurizados los tanques de
extracción.
- Abrir válvula V9, cerrar cuando se haya vaciado el ciclón. Para ello, hay que
observar cuando ya no suba el nivel de agua en el tubo de nivel del tanque de
extracción.
- Abrir válvula V25 hasta nivelar la presión del tanque de extracción con la
atmosférica y posteriormente abrir válvula VI 6 para colectar el concentrado.
Una vez vaciado el ciclón, cerrar ambas válvulas y repetir la operación cuanjdo
se observen concentrados en el separador ciclónico. Es importante evitar qiJe
el nivel dentro del separador, nci rebase la mirilla.
b) Doble Efecto.
8b.- Cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-2 y LI-4 succionarlos al
balón de extracción correspondiente.
- Abrir válvula V I I y V21 y cerrarlas cuando estén despresurizados los tanques
de extracción.
128
- Abrir válvula V10 y V20, cerrar cuansdo el nivel de condensados en los tubos sea
mínimo.
- Abrir válvula V22 y V27 hasta nivelar la presión del tanque de extracción con la
atmosférica y posteriormente abrir válvula VI2 y VI7 para colectar o eliminar
condensados al drenaje. Una vez vaciado el recipiente, cerrar ambas válvulas y
repetir la operación cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-2 y
Ll4.
9b.- Para captar los concentrados repetir el paso 9a.
1Ob.- Es posible disminuir la presión de evaporación en el primer efecto, regulando el
vacío can la válvula V6..
c) Triple Efecto.
8c.- Cuando se observen condensados en el tubo de nivel LI-2, LI-3 y LI-4 succionarlos
al balón de extracción correspondiente.
- Abrir válvula VI 1 , VI5 y V21 y cerrarhs cuando estén despresurizados los tanques
de extracción.
- Abrir válvula VI O, VI4 y V20, cerrar [cuando el nivel de condensados en los tubos
sea mínimo.
- Abrir válvula V22, V25 y V27 hasta nivelar la presión del tanque de extracción con
la atmosférica y posteriormente abrir válvula V12, VI3 y VI7 para colectar o
eliminar condensados al drenaje. Una vez vaciado el recipiente, cerrar ambas
válvulas y repetir la operación cuando se observen condensados en el tubo dle
nivel LI-2, Li-3 y Ll4.
9c.- Para captar los concentrados repetir el paso 9a.
1Oc.- Es posible regular la presión de vacío en los efectos primero y segundo,
regulando el vacío con las vpalvulas V6 y V8 respectivamente, hasta lograr una
presión igual a la existente en el teircer ciclón, que corresponde a la presión die
vacío en condensadores.
129
Paro.
11 _- Cuando se haya terminado la alimentación, cerrar la válvula V3 y esperar hasta que
se capte en el tercer tanque de extracción.
- Cerrar válvula V28 y apagar bomba de alimentación.
12.- Abrir totalmente la válvula de alivio V27 hasta que el vacuometro marque ceros.
-Apagar bomba de vacío, cerrar válvulas V19, V26 Y V30.
13.- Lavar el recipiente de alimentación eliminando los sólidos al drenaje con la válvula
v2
14.- Repetir pasos 3 a 11.
15.- Bajar el interruptor general ubicado sobre el tablero.
130
Mantenirnieiito del Equipo
En cualquier unidad o equipo es de vital importancia el mantenimiento para
garantizar la seguridad y el buen funcionamiento durante su manejo u operación. El
mantenimiento preventivo tiene que programarse de manera periódica para evitar
desperfectos y problemas al operar el equipo cotidianamente.
Sistema de Evaporación.
Es necesario alimentar agua pura al sistema por espacio de 112 h con la finalidad
de lavar el equipo e inundar con agua caliente el tanque de extracción de produc:to
condensado (tanque de extracción No. 3). Una vez realizada dejar abiertas las válvulns
de los balones y las de alimentación para desalojar los remanentes de líquidos. Dicha
operación se realiza al término de cada puesta en marcha.
Bomba de Vacío.
Con la operación de la bomba con la valvula de alivio (V27) totalmente abierta
cada semana, se pueden disminuir las incrustaciones ocasionadas mantener el agua que
contiene la bomba sin movimiento, y evitar que la flecha del rotor se pegue.
Tanque de Alimentación.
Se debe lavar el recipiente con agua y jabón desalojando los residuos por la
valvula V2 después de utilizar soluciones diluidas de cualquier sustancia (azúcar, sal, etc)
y antes de operar el equipo.
Rotámetro.
En este caso es necesario desmontar el tubo, por lo menos mensualmente, lavarlo
sólo con agua sin tallarlo teniendo precaucihn de no tirar el flotador para no descalibrarlo.
131
Tubos de nivel.
Hay que cambiar los empaques cuando se presenten goteos. Lavar el tubo
interiormente con escobillón destapando las tuercas que se ubican en los extremos. Esto
cuando se presenten goteos o suciedad en los tubos.
Trampa de Vapor.
Desmontar y destapar los conductos de salida de la trampa de vapor así como
eliminar incrustaciones en el flotador cuando se observen problemas en la salida de los
condensados. Esta situación se presenta cuando el tubo de nivel está totalmente
inundado por períodos mayores a 10 minutos.
132
EVALUACION DE PARÁMETROS
El coeficiente global o integral de transferencia de cal0 es el parámetro mas
importante de cualquier intercambiador de calor, pues muestra la capacidad al transporte
de la energía del equipo, y es la base para la evaluación de las condiciones de
operación.
La determinación del coeficiente global se hace con base en los coeficientes
individuales o de película, como lo muestra la ecuación
donde los subíndices "i" y "e" denotan los lados interno y externo de la pared ide
intercambio de calor y "p" se refiere a dicha pared.
Si bien este método conlleva un proceso de modelado del sistema, es posible
utilizar procedimientos empiricos para su determinación, con la ventaja de presentar
valores reales pues se usan variables mediiJas directamente en la operación del sistema.
En este sentido, podemos aplicar este Último criterio basándonos en la ecuación general
de transporte de calor entre dos fluidos:
Q = UAT,,
en donde U puede ser calculado con respecto al area interna A, y entonces se denota
como U¡; con respecto al área externa A,con lo cual se denota como U,; o bien con
respecto al área media logarítmica de la pared A, y es denotado como U,.
133
La determinación se hizo con base en este Último criterio, y asi la ecuación (2) se
escribe como
De donde se obtiene:
Dado que se aplica un procedimiento empírico, los parametros Q, A, y ATm, se
midieron físicamente con los siguientes procedimientos.- flujo de calor para cada efecto
de acuerdo con la figura 1.1
A l f 1
FIGURA 1.1 Esquema en donde se ubican las variables del sistema de evaporación para la evaluación del Coeficiente Global U.
134
Los balances de energía que se generan para cada efecto son:
ql = m& = (m,-ml)h, + m,Cp,(T1-T,)
q2 = (ma-ml)hl = (ml-m2)h2 + mlCpt(T2-Tl)
q3 = (ml-m2)h2 = (m2-m3)h3 + m2Cp2(T3-Tz)
Ahora bien, la determinación de la variable se realiza de la siguiente manera.-
. Flujo de vapor vivo (mJ: es necesario corroborar la condición de vapor saturado, para
ello una vez que se tiene regulada la presión y con la ayuda de un termómetro a la salida
de la válvula de alivio en el primer efecto se toma la temperatura; con tablas de vapor se
verifica la condición de vapor saturado.
. Flujo de alimentación (ma): por medio de un aforo volurnétrico y a un valor constante en
el rotámetro se obtiene el flujo de alimentación.
Evaporaciones (c,, ca): para contabillizar las evaporaciones logradas, se capturan los
condensados en los tanques de extracci6n de cada evaporador, para que por pesada
directa en la balanza granataria sean cuantificados. El tiempo que se sugiere enltre
mediciohes es de 5 min.
. Alimentación al segundo efecto (m,): antes de empezar una corrida en el equipo se
verifica que el tanque de extracción 1 esté vacío para así poder captar los condensados
del vapor que separó en el ciclón 1. Se sugiere que el tiempo de la corrida sea de I h. Con
el valor de los condensados se obtiene la alimentación al segundo efecto, pues m, = ma - vapor producido en efecto I = ma- condensados.
. Temperaturas de ebullición (Tl,TZ,TJ): en cada separador ciclónico se localiza ,un
manómetro, con dicha presión y con la ayuda de tablas de vapor publicadas por Keenan
et. al, (1969) se obtienen las temperaturas de ebullición.
135
. Calores latentes y específicos (h, Cp): al igual que las temperaturas de ebullición, se
determinan mediante el uso de tablas de vapor
Medición ”
Durante la resolución de las ecuaciones del balance de energía, se calculan las
variables mi, mz, m3, m,. Finalmente se sustituyen los valores encontrados para evaluar
el calor transferido en cada columna (q,, q2, q3). El area de transferencia de calor se toma
del diagrama de flujo.
ma T.3 P, C , pi c2 p2 P3
(W) (“c) (kgdcm’) (mi) (mmHg) (mi) (mmHg) (mmHg)
Finalmente es posible calcular la diferencia de temperaturas (AT) para cada efecto
y con la ecuación 3 se determinan los coeficientes de transmisión de calor (U) para cada
efecto. Para tomar el valor de las variables en la realización de los balances de energía,
se considera que el sistema alcanza el regimen estacionario en el momento en que los
flujos de condensados son constantes. Como se recordará, un kilogramo de vapor como
medio de calentamiento producirá la misma cantidad de vapor en el efecto siguiente, imás
una cantidad adicional producida por el efecto flash que se logra en un evaporador con
alimentación directa. Ahora bien, cuando se hallan logrado obtener 12 lecturas (con un
tiempo entre cada lectura de 5 minutos) que cumplan con la característica anterior, es
entonces cuando se contabilizan los condensados para realizar la evaluación del
coeficiente global y se toman las condiciones alcanzadas para la determinación de los
puntos de ebullición.
CUADRO 1.1 Plantilla para el registro de la operación de la corrida tipo en la determinación de las condiciones alcanzadas de acuerdo a la lectura en aparatos existentes para la
136
ANEXO II. ANALISIS DE CElRTlDUMBRE PROPUESTO
La necesidad de disponer de valores de parámetros confiables induce la
construcción de análisis de certidumbre. En la determinación de parámetros empíricos,
los instrumentos de medición tienen implícitamente una banda de error que indica la
máxima precisión del aparato. (Valle, 1996)
Por ejemplo, considérese un termómetro de mercurio que tiene una escala que
va de -10 a 250 "C. Normalmente la escala se presenta en una columna de líquido que
no tiene una longitud superior a los 30 cm. Dada la pequeña distancia entre las líneas
de la escala, el ojo humano sólo puede obtener valores hasta de 1/2 grado de
precisión; el termómetro presenta una banda de error de f0.5 O C . Esto mismo ocurre
con otros instrumentos de medición. Las balanzas analíticas muestran una banda de
error de fO.OOO1 g.
Cuando un parámetro se evalúa empíricamente, es necesario medirlo en varias
repeticiorles y determinar la variabilidad que existe entre ellas. También se requiere
hacer una estimación del grado de incertidumbre mínimo basado en los márgenes de
error del instrumental y en la influencia de todas las bandas sobre el parámetro de
interés. Esto Último se origina mediante el uso de algunas herramientas matemáticas.
Para ilustrar lo anterior, considérese un parámetro z que depende de otras dos
XYY z = ;qx,Y)
Esta función se puede expresar corno una diferencial exacta:
,
137
Los términos (az/&)y y (az/Gy)x representan la relación de cambio del parámetro
de interés con cada uno de los factores con que dependen manteniendo el resto
constante. Los términos dx y dy repesentaii las bandas de error del instrumental.
Así, un error aceptable es resultado de evaluar las derivadas correspondientes a
partir de las relaciones de cada parámetro y de sustitución de valores de la banda de error
esperable en en proceso de medición empírica. (Valle, 1996).
Bajo este contexto se propone la siguiente metodologá paa realizazr el análisis de
certidumbre, mismo que no se pudo realizar con este enfoque dado la falta de datos que
permitieran desarrollarlo.
111.1 Análisis de certidumbre
a) Coeficiente Global.- la determinación de un coeficiente global se realiza por la
relación:
la cual es equivalente a la funcionalidad
U = U(Ci, A, AT,,)
Esta funcionalidad se puede expresar por medio de una ecuación diferencial
exacta:
138
En el equipo analizado, el area es constante y por tanto:
au dA = O 3 (a ) Q A @ 0
Por lo tanto:
La derivación de la ecuación A produce los términos (dUlaQ),,,,, y (aU/aAT,,),i
1 - - .__ au Tm/ ( TQ ) 4 Am/
sustituyendo:
dU = )do- (-- ' ) dar,,. . . . . . . . . . . . . . . . . 'mi Al G I
La euación (B) requiere del conocimiento de las bandas de error de la medición
del calor y de la diferencia de temperaturas media logarítmica, la diferencia de
temperatura media logarítmica se evalúa por la relación:
AT;- AT, ni; AT,
AT,, =
In (-- )
donde AT, y AT2 son
los gradientes de temperatura en cada extremo del intercambiador de calor:
ATl= T,, - Te
AT2= T,, - T,,
donde se considera una estructura de flujo en contracorriente.
139
Asi:
La funcionalidad correspondiente es la siguiente:
ATmi = ATmi (Tcj 9 Ta T, )
Utilizando una ecuacion diferencial exacta:
Cada término entre paréntesis debe hallarse derivando la función ( C ):
140
Las bandas de error instrumentales serán entonces las correspondientes al
termómetro de medición: dT,,, dT,,, dT,,, dT,,.
El flujo de calor se determinó en base a un balance de energía:
Q = (m,,,)(caior latente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . I . .. . . . . . . . . .( H )
Si guiendo un procedimiento similar al anterior
dQ = ( -) aQ kdrq,ap + ( "9 ,,,dh.. . . . . . . ( I ) amíao ah
La masa de vapor se evaluó mediante medida directa a través de la acumulación
de los condensados. Se utilizó una probeta de 100 ml con precisión de 0.5 ml. Por tanto.:
dmvap = i 0.5 ml
141
En el caso del calor latente se utilizó una tabla de vapor. En realidad, el calor
latente se determinó como una función de la presión:
A =: h (P)
Normalmente se hace uso de una iiiterpolación lineal para evaluar un valor de h para una presión dada. La ecuación es de la recta:
h = a + b P
donde a y b son constantes dimensionbales:
a = h b = LIP
Entonces la banda de error del calor estará dada por:
dQ = Xdm,,, + m,,,bdP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (J)
Con todo esto, la certidumbre del coeficiente global se evalúa a través de las
ecuaciones (B), (C'), (D), (E), (F), (G), (J), y la comparación con la variabilidad real de
los resultdos empiricos obtenidos.
142 ANEXO 111 ANALISIS TEORICO DE EiSTRATEGlAS PARA EFlClENTlZAR LA
EVAPORACION.
Como se había mencionado en 121 apartado de discusión de resultados, es
innegable el hecho de una estrategia que permita elevar la eficiencia del triple efecto. A
continuación se presentan los resultados de la hipotética implementación de las
estrategias que se mencionaron.
&&I&&: Inducir una diferencia de temperaturas útil de aproximadamente 50 "C. Para
lograr esto se puede proceder de dos formas:
- incrementar la calefacción del vapor de calefacción,
- incrementar el vacío en el último efecto.
En virtud de que la relación entre la temperatura de ebullición y la presión es
logaritiuca, se requiriría de un fuerte incremento en la presión del vapor vivo para obtener
una tempertatura de condensación suficientemente alta; sin embargo no hay que olvidar
a) se cuenta con un manórnetro con una escala de hasta 4 kg'/cm, para obtener el datoi
de presión de vapor, b) el funcionamiento de la trampa de vaor y la resistencia del tubo
seria dudosa en tales condiciones, y c) se desconoce el comportamiento de la calandria
a una excesiva presión de vapor. Por ésta razón es más evidente el efecto de
incrementar el vacío.
Considerando que el vapor se mantiene a una temperatura de 110.8 "C, se
requiriria que en el Último efecto, el líquido ebullera a 60.8 "C, temperatura que
corresponde a una presión de 155 mmHg absolutos (vacio de 430 mmHg), es decir 20
cmHg de vacio adicional al manejado.
a) Diferencia de temperaturas Útil:
ATu= T,-T,=I 10.8-60.8=50 "C
8
143
b) Si se supone inicialmente que los coeficientes globales permanecen constantes, la ATu se distribuirá en la siguiente forma, con la suposición de que le flujo de calor es el mismo en los tres efectos:
Se genera un sistema de ecuaciones con tres incognitas, donde:
U1 = 4078 1 kcal Ih rn2 "C U1 = 2037.8 kccil Ih m2 "C U1 = 3695.8 kcal /h m2 "C
Se resuelven el sistema para dar:
AT, = 12.18"C AT2 1: 24.38"C AT3= 13.94%
c). Con estos gradientes se obtienen los puntos de ebullición en cada efecto, suponiendo que no hay incremento en el punto de ebullición:
Vapor vivo de calefacción I Diferencia de temperatura en I Temperatura de ebullición en I Vapor de calefacción en II Diferencia de temperatura en II Temperatura de ebullición en II Vapor de calefacción en 111 Diferencia de temperatura en 111 Temperatura de ebullición en 111
110.8"C 12.18 "C 98.62 "C 98.62 "C 24.38 "C 74.24 "C 74.24 "C 13.44 "C 60.80 "C
Este planteamiento teórico tiene el problema de hacer ebullir el líquido en el primer efecto a 98.62 C, para lo cual se le debe elevar la presión, lo cual representa una desventaja. Si se fija ATl en 18 "C, como se fijó en las pruebas prácticas, sólo se deben distribuir AT2 y AT3, que en total deben de dar 32 "C.
144
Resolviendo el sistema de ecuaciones se tiene que ATz= 20.64 y AT^ =I 1.38. Siguiendo el
mismo procedimiento anterior, los puntos de ebullición serían:
TI = 92 83 'C Tz = 72.18 OC T3=60.8'C
d) El balance de energía debe desarrollarse paso a paso. Debe aceptarse que las
condiciones del primer efecto no han cambiado y por tanto se espera una
evaporación de 5.02 kglh para una alimentación de 640.8 kglh y un consumo
de vapor de 93.25kglh. Es decir, el incremento de la AT" no afecta al primer efecto
(suposición)
Para el segundo efecto:
Alimentación
Punto de ebullición
Energía de flash
Calor latente a 72.18 "C
Evaporación por flash
Energía transferida por calefacción
Evaporación por gradiente
Evaporación total en I I Coeficiente global en I I
635.78 kg/h
72.18"C
13165.2 kcallkg
555.99 kcallkg
23.08 kglh
2728.62 kcallh
4.91 kglh
28.59 kglh
U=488 kcal/(h)(m )( C) 2 0
Se reduce porque no se ha incrementadci el calor transferido por el vapor, pues éste
no ha aumentado.
Para el tercer efecto:
Alimentación
Punto de ebullición
Energía de flash
Calor latente a 60.8 "C
Evaporación por flash
Vapor de calefacción
Energía de calefacción
607.19 kgih
60.80 "C
6937.5 kcallkg
562.73 kcal/kg
12.33 kglh
28.59 kglh
15895.75 kcallh
145 Evaporación por calefacción
Evaporación total en 111
Coeficiente global en 111
28.25 kglh
40.58 kglh
U=5163.82 kcal/(h)(rn*)( "C)
- -
Evaporación total del equipo : 74.19kglh
Economía del evaporador: 79.56 YO
Esta estrategia:
Logra incrementar la economía de vapor, no obstante aún no es suficiente.
0 En virtud de que la modificación no afecta al primer efecto, si afecta la operación
del segundo efecto lo que se nota en la reducción del coeficiente global. Sin
embargo, se favorece la operación del tercer efecto de manera significativa,
incrementándose el coeficiente global y el grado de evaporacion.
146
Eacated 2: - En este caso se busca evaluar la evaporación, considerando que la
alimentación sufre un precalentamiento manteniendo constantes los flujos de
alimentación y vapor, y un vacío de 23 cmHg. Por tanto, tenemos que la temperatura
de ebullición en el último efecto es 81.99 "C. Si se mantienen las condiciones
promedio del sistema, las temperaturas 'de ebullición serán T, =92.83 "C, T, =87.88 "C, T3=81.99 "C. Así podemos realizar el balance de energía como se muestra en el
cuadro 10.
Flujo de energía
kcallkg (kw)
En el primer efecto
Flujo de materia .e I I kgk
- Flujo de vapor vivo
93.25 kgh a 1.5 kgf/cm2=93.25 x 531.735 49584.34 (57.62)
93.25
640.80 I deducción para calentar la alimentación hasta punto
- Flujo de alimentación
de ebullición 640.8 (92.83 - 90.0)
- Disponible para evaporación
- X a 92.83 = 542.202
vapor generado 47770.88/542.202
- Alimento al segundo efecto
En el segundo efecto
1813.46 (2.10)
47770.86 (55.52)
88.1 O
652.70
- Vapores del primer efecto
- Masflash
- Disponible para evaporación
- h a 87.88 = 546.256
47770.86 (55.52)
2735.86 (3.17)
50506.74 (58.70)
50506.74 (58.70)
vapor generado 50506.74 I546.256
- Alimento al tercer efecto
En el tercer efecto
- Vapores del segundo efecto
- Masfalsh
- Disponible para evaporación 2710.87 (3.15)
53217.61 (6185) 1 1 96.77 1 h a 81.99 = 549.906
vapor generado 5321 7.61/549 906
- Producto 363.48 -
147
Esta estrategia nos permite obtener una evaporación total de 277.32 kglh, por tanto tenemos una economía de vapor de 2.97.
