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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
“DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN SISTEMA
DIDÁCTICO DE EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO DE TUBOS
VERTICALES Y FLUJO ASCENDENTE”
PRESENTADO POR:
ANDREA DEL CISNE MUÑOZ GELLIBERT
MERCY PAOLA HERRERA MONTERO
DIRECTORA:
ING. DESIREÉ ÁLVAREZ, Msc.
2015
GUAYAQUIL – ECUADOR
I
DERECHOS DE AUTORÍA
Yo ANDREA DEL CISNE MUÑOZ GELLIBERT y MERCY PAOLA
HERRERA MONTERO, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí
descrito es de nuestra autoría, que no ha sido previamente presentado
para ningún grado o calificado profesionalmente y que hemos consultado
las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad
intelectual a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL, FACULTAD DE
INGENIERÍA QUÍMICA, según establecido por la ley de propiedad
intelectual y su reglamento.
___________________________ ____________________________
ANDREA MUÑOZ GELLIBERT MERCY HERRERA MONTERO
C.I. 0924422587 C.I. 0503713836
II
III
AGRADECIMIENTO
Al creador de nuestras vidas Jesús, por el amor con el que nos ha
guardado toda la vida.
A nuestros familiares, que con esfuerzo nos permitieron culminar esta
etapa importante.
Extendemos nuestro agradecimiento sincero a nuestra Tutora de trabajo
de titulación, Ing. Desireé Álvarez Msc., por su tiempo y dedicación.
Agradecemos al Decano de nuestra facultad Ing. Guillermo Cárdenas
Msc. por su valioso aporte en este trabajo.
De una forma especial agradecemos al Ing. Ecuador Gómez y al Ing. Luis
Bonilla, por el tiempo y dedicación a este trabajo de titulación al que
apoyaron de una forma muy gentil.
A cada uno de nuestros maestros por sus enseñanzas compartidas en las
aulas de clases.
IV
DEDICATORIA
Les dedico a mis amados y admirados padres William y Sandy por ser mi
apoyo incondicional mi ejemplo de amor a Dios y al prójimo, también me
enseñaron a luchar y ser constante para cumplir mis sueños.
A mis queridos hermanos Tito y Álvaro por su cariño y su forma especial
de alegrar mis días.
Quiero también dedicar este trabajo a mi querido Pastor Edison Hidalgo
Chambers porque ha sido un gran amigo y consejero.
Dedico también a mi gran amiga Estefanía Villarreal y su familia por su
lealtad y confianza brindada.
Y como no dedicarle a mi amiga y compañera Andrea Muñoz y a su
acogedora familia por su cariño brindado en este proceso de formación
académica.
Mercy Herrera Montero
V
DEDICATORIA
A Dios, a mis padres, a mi familia, novio y amigos.
Andrea Muñoz Gellibert
VI
ÍNDICE
DERECHOS DE AUTORÍA ............................................................................................. I
AVAL DEL DIRECTOR .................................................... ¡Error! Marcador no definido.
AGRADECIMIENTO ....................................................................................................... III
DEDICATORIA ................................................................................................................ IV
DEDICATORIA ................................................................................................................. V
RESUMEN........................................................................................................................ XI
ABSTRACT..................................................................................................................... XII
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... XIII
CAPÍTULO I .................................................................................................................... 15
1. ANTECEDENTES .................................................................................................. 15
1.1. TEMA ............................................................................................................... 15
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 15
1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ............................................................ 16
1.4. LIMITACIÓN DEL ESTUDIO ....................................................................... 16
1.5. ALCANCE DEL TRABAJO .......................................................................... 16
1.6. OBJETIVOS .................................................................................................... 17
1.7. IDEA A DEFENDER ...................................................................................... 17
1.8. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA ........................................................... 18
1.9. HIPÓTESIS ..................................................................................................... 18
1.10. VARIABLES ............................................................................................... 19
1.11. OPERACIONALIZACIÓN DE LA VARIABLES ................................... 19
CAPÍTULO II ................................................................................................................... 22
2. MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 22
2.1. DEFINICIÓN ................................................................................................... 22
2.2. DIFERENCIA ENTRE EVAPORACIÓN Y OTRAS OPERACIONES
UNITARIAS ................................................................................................................. 22
2.3. EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA EVAPORACIÓN .............................. 23
2.3.1. EVAPORADORES DE TUBOS HORIZONTALES .......................... 24
2.3.2. EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES ................................. 26
2.3.3. EVAPORADORES CON TUBOS DE FORMAS ESPECIALES .... 31
VII
2.4. CRITERIO DE SELECCIÓN DE TIPO DE EVAPORADOR ................... 32
2.5. FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES TUBULARES ......... 33
2.5.1. VARIABLES QUE INTERFIEREN EN LA CAPACIDAD DE UN
EVAPORADOR ...................................................................................................... 33
2.5.2. ECONOMÍA DE UN EVAPORADOR ................................................. 36
2.6. OPERACIÓN DE SIMPLE Y MÚLTIPLE EFECTO .................................. 37
2.7. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR .............. 40
2.8. MÉTODOS DE ALIMENTACIÓN ................................................................ 41
2.9. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE EVAPORACIÓN .......................... 42
2.9.1. CONDENSADOR ................................................................................... 42
2.9.2. TRAMPA DE VAPOR ............................................................................ 43
2.9.3. BOMBA DE VACÍO ............................................................................... 43
CAPÍTULO III .................................................................................................................. 45
3. INGENIERÍA DEL DISEÑO .................................................................................. 45
3.1. INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ..................................................................... 45
3.2. CARACTERÍSTICAS DIDÁCTICAS DEL EQUIPO ................................. 45
3.3. TIPO DE EVAPORADOR ............................................................................. 46
3.4. ELECCIÓN DE NÚMERO DE EFECTOS .................................................. 46
3.5. VARIABLES DE DISEÑO ............................................................................ 46
3.5.1. SUSTANCIA DE TRABAJO ................................................................ 46
3.5.2. FLUJO MÁSICO DEL ALIMENTO ..................................................... 46
3.5.3. CONCENTRACIÓN INICIAL Y FINAL DEL SOLUTO .................... 47
3.5.4. TEMPERATURA INICIAL .................................................................... 47
3.5.5. PRESIÓN DE VACÍO ............................................................................ 47
3.5.6. CALOR ESPECÍFICO ........................................................................... 47
3.5.7. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN (E.P.E.) .................... 47
3.5.8. COEFICIENTE GLOBAL ...................................................................... 47
3.6. DIAGRAMA DE FLUJO DE EVAPORACIÓN DOBLE EFECTO CON
NOMENCLATURA .................................................................................................... 48
3.7. ECUACIONES DE DISEÑO ......................................................................... 49
3.7.1. ECUACIONES PARA EL BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 49
3.7.2. RESOLUCIÓN DEL BALANCE DE MATERIA ................................ 50
3.7.3. DISTRIBUCIÓN DE LAS TEMPERATURAS .................................... 51
3.7.4. OBTENCIÓN DE TEMPERATURAS .................................................. 51
3.7.5. RESOLUCIÓN DEL BALANCE DE ENERGÍA ................................ 53
VIII
3.7.6. CÁLCULO DEL ÁREA .......................................................................... 54
3.8. CUERPO DEL EVAPORADOR ................................................................... 55
3.8.1. CILINDRO VERTICAL .......................................................................... 55
3.8.2. CALANDRIA ........................................................................................... 56
3.8.3. CÁLCULO DE NÚMERO DE TUBOS ................................................ 57
3.8.4. DISTANCIA ENTRE TUBOS ............................................................... 58
3.8.5. ARREGLO DE LOS TUBOS EN LA CARCAZA .............................. 59
3.9. RESULTADOS DE CÁLCULOS DE DISEÑO .............................................. 60
3.10. COSTOS DE MATERIALES Y MANO DE OBRA ..................................... 69
CAPÍTULO IV ................................................................................................................. 71
4. EXPERIMENTACIÓN ............................................................................................ 71
4.1. INTRODUCCIÓN A LA EXPERIMENTACIÓN ......................................... 71
4.2. MANUAL DE OPERACIÓN ......................................................................... 72
4.2.1. NOMENCLATURA DE LA INSTRUMENTACIÓN ........................... 72
4.2.2. EQUIPO DE EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO DE TUBOS
VERTICALES Y FLUJO ASCENDENTE ........................................................... 81
4.2.3. PREPARACIÓN DEL ALIMENTO ...................................................... 82
4.2.4. INICIO DE OPERACIÓN DEL EQUIPO ............................................. 82
4.2.5. ESTADO ESTACIONARIO .................................................................. 83
4.2.6. TOMA DE MUESTRAS ......................................................................... 84
4.2.7. FINAL DE LA OPERACIÓN ................................................................ 84
4.3. TRATAMIENTO MATEMÁTICO ................................................................. 84
CONCLUSIONES ........................................................................................................ 104
RECOMENDACIONES ............................................................................................... 105
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 137
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1 COEFICIENTES GLOBALES TÍPICOS DE LOS EVAPORADORES .............. 40 TABLA 2 RESULTADOS DEL BALANCE DE MATERIA .................................................. 51 TABLA 3 RESULTADOS DE DIFERENCIAS DE TEMPERATURA ................................ 52 TABLA 4 ENTALPÍAS DE VAPOR ...................................................................................... 53 TABLA 5 RESULTADOS DE BALANCE DE ENERGÍA .................................................... 54 TABLA 6 ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE CADA EFECTO ...................... 54
IX
Tabla 7 RESULTADOS DE CÁCULOS DE DISEÑO ......................................................... 60 Tabla 8 PRUEBA EXPERIMENTAL 1 .................................................................................. 85 Tabla 9 PRUEBA EXPERIMENTAL 2 .................................................................................. 86 Tabla 10 PRUEBA EXPERIMENTAL 3 ............................................................................... 87 Tabla 11 PRUEBA EXPERIMENTAL 4 ............................................................................... 88 Tabla 12 PRUEBA EXPERIMENTAL 5 ............................................................................... 89 Tabla 13 PRUEBA EXPERIMENTAL 6 ............................................................................... 90 Tabla 14 RESULTADOS EXPERIMENTALES ................................................................. 103
ÍNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1 SISTEMA DE TUBERÍAS DE ALIMENTACIÓN ........................................... 74 Diagrama 2 SISTEMA DE TUBERÍAS DE ALIMENTACIÓN ........................................... 75 Diagrama 3 TUBERÍAS Y ACCESORIOS DEL VAPOR .................................................. 76 Diagrama 4 TUBERIAS Y ACCESORIOS DEL CONDENSADO..................................... 77 Diagrama 5 VÁLVULAS Y DISPOSITIVOS AUXILIARES ............................................... 78 Diagrama 6 TUBERÍAS Y ACCESORIOS DEL SISTEMA DE VACIO CON EYECTOR
......................................................................................................................................... 79 Diagrama 7 TUBERIAS Y ACCESORIOS DEL SISTEMA DE VACIO CON BOMBA ... 80
ÍNDICE DE DIAGRAMAS DIMENSIONALES
DIAGRAMA DIMENSIONAL 1 DEL CASQUE INFERIOR DEL I EFECTO ..................... 61 DIAGRAMA DIMENSIONAL 2 DEL ESPEJO DE LA CALANDRIA I EFECTO .............. 62 DIAGRAMA DIMENSIONAL 3 CALANDRIA DEL I EFECTO .......................................... 63 DIAGRAMA DIMENSIONAL 4 CÁMARA DE EVAPORACIÓN I EFECTO ..................... 64 DIAGRAMA DIMENSIONAL 5 CASQUETE INFERIOR DEL II EFECTO ....................... 65 DIAGRAMA DIMENSIONAL 6 ESPEJO DE LA CALANDRIA II EFECTO ..................... 66 DIAGRAMA DIMENSIONAL 7 CALANDRIA II EFECTO .................................................. 67 DIAGRAMA DIMENSIONAL 8 CÁMARA DE EVAPORACIÓN II EFECTO .................... 68
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.3-1 EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES .......................................... 25 FIGURA 2.3-2 EVAPORADOR NORMAL DE TUBOS VERTICALES .............................. 27 FIGURA 2.3-3 EVAPORADOR TIPO CESTA CON TUBOS VERTICALES..................... 28 FIGURA 2.3-4 EVAPORADOR DE TUBOS LARGOS VERTICALES .............................. 29 FIGURA 2.3-5 EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN FORZADA CON ELEMENTO DE
CALENTAMIENTO INTERNO ...................................................................................... 30 FIGURA 2.5-1 EFECTO DE LA ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN SOBRE LA
CAPACIDAD DE LOS EVAPORADORES. ................................................................. 36 FIGURA 2.6-1 SISTEMA DE EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO DEL
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS .................................................... 39
X
FIGURA 2.8-1 MODELOS DE FLUJO DEL LÍQUIDO EN EVAPORADORES DE
EFECTO MÚLTIPLE ...................................................................................................... 41 FIGURA 3.6-1 NOMENCLATURA DE UN SISTEMA DE EVAPORACIÓN DE DOBLE
EFECTO DE FLUJO ASCENDENTE EN PARALELO ............................................... 48 FIGURA 3.7-1 DISPOSICIÓN DE LOS TUBOS .................................................................. 59
ÍNDICE DE APÉNDICES
APÉNDICE A DIAGRAMAS DEL SISTEMA DE EVAPORACIÓN APÉNDICE B GUÍA PARA PRÁCTICA E INFORME DE OPERACIONES UNITARIAS APÉNDICE C IMÁGENES DE LA CONSTRUCCIÓN DEL EVAPORADOR DE DOBLE
EFECTO
XI
RESUMEN
Hoy en día el país se dirige hacia el desarrollo industrial y el Gobierno
de la República del Ecuador impulsa el llamado cambio de la Matriz
Productiva, que consiste en transformar la materia prima en productos
elaborados, dándole valor agregado e incrementando la manufactura.
Somos un país con grandes producciones agrícolas, tales como la
naranja, mora, maracuyá, etc., de las cuales se pueden obtener diferentes
derivados. Cuando la cosecha de estos alimentos es abundante se hace
necesario concentrar y almacenar, al concentrar se disminuye el volumen
y el costo de transportación; este proceso da lugar a la Operación Unitaria
Evaporación, siendo éste un proceso físico que consiste en la
transferencia de masa, por medio de la energía en forma de calor,
eliminando así el solvente no deseado y obteniendo altas concentraciones
en el producto final. En el proyecto de titulación se muestra el diseño con
sus respectivos cálculos, la construcción del Sistema de Evaporación de
Doble Efecto, y puesta en marcha con el respectivo manual de proceso.
Este Sistema de Evaporación de Doble Efecto queda ubicado en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad de Guayaquil y es un aporte para la
enseñanza de la operación unitaria evaporación puesto que es un equipo
para prácticas experimentales o investigación de diseño de unidades.
Palabras claves: diseño, evaporación, doble efecto, operación unitaria.
XII
ABSTRACT
Today, the country is heading towards the industrial development and the
government of the Republic of Ecuador promotes the change of the
Productive Matrix, which is to transform the raw material into
manufactured products, adding value and increasing manufacturing.
Ecuador is a country with great agricultural production, such as orange,
blackberry, passion fruit, and more, from which various derivatives can be
obtained. When this foods harvest is plentiful, it is necessary to
concentrate and store. By concentrating, the volume and the
transportation costs decrease. This concentrating process gives rise to the
Operation Unitary Evaporation which is a process that consists in mass
transference through energy as heat, thus eliminating the unwanted
solvent and obtaining high concentrations in the final product.
The titling project shows the design with its calculations, the construction
of the Evaporation System Double Effect, and its procedures manual and
implementation. The Evaporation System Double Effect is located in the
Laboratory of Unitary Operations of Chemical Engineering Faculty of the
University of Guayaquil and it is a contribution to the teaching of the
Operation Unitary Evaporation since it serves as an equipment for
experimental practices or research of units design.
Keywords: desing, evaporation, double acting, unit operation.
XIII
INTRODUCCIÓN
La Operación Unitaria Evaporación a pesar de ser una de las
operaciones más antiguas es aún una de las más utilizadas, por ejemplo,
en los ingenios azucareros para evaporar la gran cantidad de agua que
contiene el jugo de caña que una vez concentrado pasará a otros
procesos, por lo tanto, es de gran importancia que todos los ingenieros
químicos conozcan esta operación unitaria de forma práctica operando un
equipo. La evaporación es un proceso físico de transferencia de masa, se
da a nivel superficial y no necesariamente debe existir ebullición, pero si
llega a su punto de ebullición la evaporación se da a velocidades
aceleradas. Para estudiar de forma práctica esta operación es necesario
que el Laboratorio de Operaciones Unitarias cuente con un sistema de
evaporación adecuado, en esta ocasión se ha construido un Sistema de
Evaporación de doble efecto el cual consiste en el aprovechamiento de la
energía del vapor que sale del primer efecto para calentar el segundo,
aprovechando así al máximo el vapor de calentamiento. Este equipo se
instaló en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de
Guayaquil para uso de estudiantes, profesores o investigadores.
XIV
TEMA
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN
MARCHA DE UN SISTEMA DIDÁCTICO DE
EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO DE TUBOS
VERTICALES Y FLUJO ASCENDENTE
15
CAPÍTULO I
1. ANTECEDENTES
1.1. TEMA
Diseño, construcción y puesta en marcha de un Sistema Didáctico
de Evaporación de Doble Efecto de tubos verticales y flujo
ascendente.
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El evaporador de doble efecto que se encuentra en el Laboratorio
de Operaciones Unitarias no ha estado funcionando eficientemente
debido a lo que se detalla a continuación:
a) La parte inferior de la carcasa es de forma cónica, esto no
permite que la evaporación se realice con eficiencia debido a su
gran área y la solución acuosa del fondo del cono no está en
contacto directo con el calor.
b) El material con que fue construido el evaporador se encuentra
corroído, disminuyendo la transferencia de calor que genera el
vapor.
c) El sistema de tuberías se encuentra corroído, afectando
directamente al producto.
16
1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
El uso de métodos de investigación y la aplicación de los
conocimientos adquiridos, contribuirán a la solución de la
problemática identificada.
Se va a estudiar la forma del diseño, los materiales empleados en
el cuerpo de los evaporadores y la instrumentación que forma parte
del sistema.
Una vez realizados los estudios técnicos se procederá a realizar
el nuevo diseño, el cual debe cumplir con un rendimiento adecuado.
También se realizarán los debidos cambios del sistema de
tuberías y accesorios y finalmente se aplicarán cálculos que nos
indiquen la economía existente en los evaporadores.
1.4. LIMITACIÓN DEL ESTUDIO
En el desarrollo del proyecto de titulación se encontraron
limitaciones en la construcción y montaje de los equipos, siendo
necesario contratar personal que cuente con el conocimiento de
metalurgia.
1.5. ALCANCE DEL TRABAJO
Se realizará el diseño y construcción del Evaporador de doble
efecto, con su respectivo sistema de tuberías y vacío; dejándolo
operativo con un manual de funcionamiento.
17
1.6. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Construir un Evaporador didáctico de Doble Efecto destinado al
Laboratorio de Operaciones Unitarias, que realice su función
eficientemente.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Evaluar la situación actual del Evaporador de Doble Efecto del
Laboratorio de Operaciones Unitarias.
Realizar cambios en el diseño considerados en la evaluación
del Evaporador.
Reemplazar el sistema de tuberías y accesorios.
Realizar pruebas de funcionamiento del equipo construido.
1.7. IDEA A DEFENDER
Con los nuevos evaporadores del laboratorio de Operaciones
Unitarias se logrará que las prácticas se realicen eficientemente
contribuyendo en el aprendizaje de los estudiantes.
Al cambiar el diseño y el sistema de tuberías se obtendrá lo
planteado anteriormente, contando con un equipo de Evaporación
didáctico en perfecto estado.
18
1.8. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
El conocimiento de la Operación Unitaria Evaporación está
íntimamente ligado al desarrollo del cambio de la matriz productiva,
propuesta por el Gobierno Ecuatoriano, por lo cual es indispensable
que los estudiantes de la Carrera de Ingeniería Química de la
Universidad de Guayaquil, se familiaricen con un equipo, lo operen y
analicen su comportamiento.
El laboratorio de Operaciones Unitarias cuenta con un equipo de
Evaporación de doble efecto a escala piloto, éste trabaja de una
manera deficiente y el material del mismo se encuentra corroído.
Esto hace necesario la construcción de un nuevo evaporador y
así se obtendrá un equipo didáctico con mejores eficiencias.
Mediante la investigación y experimentación se va a proporcionar
a los estudiantes de la carrera de Ingeniería Química, contenidos
teóricos y prácticos, contando con información actualizada.
1.9. HIPÓTESIS
En los Evaporadores anteriores existían deficiencias, debido a
esto se realizó un estudio que dio como resultado el diseño, la
construcción y puesta en marcha de un nuevo evaporador Tipo
Robert para obtener una mayor eficiencia en las prácticas a
realizarse.
19
Al ser de forma cóncava la parte inferior de los evaporadores
hace que todo el alimento esté en contacto con el área de calor,
dando como resultado una evaporación uniforme y eficiente.
Al cambiar el sistema de tuberías para eliminar la corrosión
existente, se logrará que la eficiencia del equipo aumente debido a
que se desaparecen las incrustaciones, dejando que el vapor y la
alimentación circulen sin ninguna interrupción.
1.10. VARIABLES
Variable dependiente: Diseño, construcción y puesta en marcha de
un evaporador.
Variables independientes: Doble efecto, de tubos verticales y flujo
ascendente.
1.11. OPERACIONALIZACIÓN DE LA VARIABLES
VARIABLES DIMENSIONES
TEMAS
INDICADORES
SUBTEMAS
Diseño, construcción y
puesta en marcha de
un evaporador
Equipos utilizados para
evaporación
Evaporadores tubos
horizontales
Evaporadores tubos
verticales
20
Evaporadores con
tubos de formas
especiales
Criterio de selección de
tipo de Evaporador
Propiedades de
disoluciones
Funcionamiento de los
evaporadores tubulares
Capacidad de un
evaporador
Economía de un
evaporador
Accesorios de un
sistema de
evaporación
Condensador
Trampas de vapor
Bombas de vacío
Doble efecto, de tubos
verticales y flujo
ascendente
Operación de un
sistema de
evaporación
Simple efecto
Doble efecto
Múltiple efecto
Evaporadores tubos
verticales
Evaporador tipo
estándar o Robert
Evaporador tipo cesta
Evaporador tubos
largos
21
Evaporador de
circulación forzada
Tipo de flujo Flujo ascendente
22
CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
2.1. DEFINICIÓN
La Operación Unitaria Evaporación consiste en concentrar
soluciones eliminando así el componente volátil no deseado,
generalmente agua, suministrando energía. La evaporación no se
realiza necesariamente en su punto de ebullición, pero si llega a éste
la operación se acelera.
En la evaporación el producto deseado es el concentrado, el
vapor es condensado y generalmente desechado.
2.2. DIFERENCIA ENTRE EVAPORACIÓN Y OTRAS
OPERACIONES UNITARIAS
- Evaporación y secado
En el secado se separa de un material sólido pequeñas cantidades
de líquido siendo el producto final un sólido seco, mientras que en la
evaporación se separa grandes cantidades de líquido y el producto
final es un líquido concentrado.
23
- Evaporación y destilación
La destilación aprovecha la diferencia de los puntos de ebullición de
los diferentes componentes de las sustancias para separar los
componentes del vapor, mientras que en la evaporación no se
separa el vapor en fracciones.
- Evaporación y Cristalización
El objetivo de la evaporación es concentrar soluciones mientras que
en la cristalización formar cristales.
2.3. EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA EVAPORACIÓN
Los equipos utilizados para la evaporación son conocidos como
Evaporadores los cuales tienen la función de intercambiar
temperatura.
Entre los principales tipos de evaporadores encontramos:
- Aparatos calentados a fuego directo, por ejemplo calentados con
calor solar.
- Aparatos con el medio calentador en camisas, dobles paredes,
etc. Los cuales tienen una pequeña velocidad de transmisión del
calor, éstos pueden operar al vacío, y son útiles para la
evaporación de líquidos a pequeña escala.
- Evaporadores calentados por vapor con tubos como superficies
calefactoras.
24
Los equipos utilizados en la industria derivan de los evaporadores
tubulares y se clasifican así:
- Evaporadores de tubos horizontales
- Evaporadores de tubos verticales
Tipo estándar
Tipo cesta
Tipo de tubos largos
Tipos de circulación forzada
- Evaporadores con tubos de formas especiales.
2.3.1. EVAPORADORES DE TUBOS HORIZONTALES
Nobert Rilliex construyó el primer evaporador con tubos
horizontales que fue reemplazado en muy poco tiempo por los
evaporadores de tubos verticales.
Este evaporador tiene un cuerpo de forma cilíndrica en el cual
reposa el líquido a evaporar, por la parte superior e inferior se cierra el
cilindro con dos casquetes esféricos, aunque pueden ser cónicos. El
cuerpo tiene dos anillos dentro de los cuales va colocada la caja de
vapor; esta caja está formada por dos cámaras de vapor equidistantes
y opuestas, para mantenerla cerrada contienen internamente placas
tubulares para sujetar los tubos de vapor y por su exterior paredes
planas.
En la figura 2.3-1 se observa un evaporador de tubos horizontales, por
la tubería A el vapor ingresa y fluye en los tubos entregando todo su
25
calor latente de vaporización condensándose, los gases
incondensables junto con el condensado son arrastrados por el nuevo
vapor que ingresa y descargado por C y B respectivamente.
El ingreso del alimento a evaporar se los hace por D se ubica en la
parte inferior del anillo cilíndrico. La salida del líquido es por el
casquete inferior E. Para vigilar la operación éstos contienen unas
mirillas de vidrio F. Por la parte superior sale el vapor desprendido de
la solución inicial G.
Badger y Banchero (1970) nos dicen que “esta clase de
evaporadores es la que mejor se adapta para trabajar soluciones no
viscosas, que no depositen cristales o incrustaciones durante el
proceso de evaporación”.
Fuente: Badger y Banchero, 1970.
FIGURA 2.3-1 EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES
26
2.3.2. EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES
2.3.2.1. Evaporador Tipo Estándar
Badger y Banchero (1970) señalaron que “el modelo inicial de este
tipo de evaporador se debe a Robert un director de fábrica azucarera,
por lo que muchas veces se le da el nombre de “Tipo Robert” o “Tipo
normal o estándar””.
En la figura 2.3-2 observamos un evaporador Tipo Robert que está
compuesto por dos partes principales que son la calandria tubular y la
cámara de evaporación.
La calandria tubular es un cilindro formada por dos placas A
conocidos como espejos en los cuales se alojan los tubos y el tubo
central de caída B que es de mayor diámetro, los tubos van soldados
sobre las placas y el vapor ingresa por G de forma que circula por el
exterior de los tubos y el alimento por el interior de los mismos. Al
momento en que la solución alimentada llega a su punto de ebullición
sube por los tubos en forma de chorro y se derrama sobre la placa
superior y cae por el tubo central. El condensado sale de la calandria
por el fondo C y los gases incondensables salen por la parte superior
D, mientras que E nos indica el ingreso del alimento y F la descarga
del mismo aunque pueden variar de posición pero son las más
comunes. El nivel del alimento durante la operación está cercano al
extremo superior de los tubos.
27
Tanto la longitud y diámetro del evaporador, como la de los tubos,
pueden modificarse sin que por ello se altere el principio del
evaporador. Cuentan con un casquete en la parte superior e inferior
aunque también puede ser de forma cónica.
Fuente: Banchero, 1970.
2.3.2.2. Evaporador Tipo Cesta
La figura 2.3-3 es un ejemplo de evaporador tipo cesta, en este tipo
de evaporador la solución circula por el interior de los tubos, y el vapor
por el exterior siendo ingresado por la parte superior de la calandria,
FIGURA 2.3-2 EVAPORADOR NORMAL DE TUBOS VERTICALES
28
tiene un detalle diferente porque la caída del líquido es anular en lugar
de central. Los tubos pueden tener medidas similares a las del tipo
normal.
Como se observa en la figura puede ser de tipo cónico o algunas
veces plano.
Fuente: (Banchero, 1970).
En los textos Badger y Banchero (1970) indican que “se puede
acoplar un deflector, con objeto de reducir los arrastres producidos por
la violenta proyección hacia arriba del líquido cuando hierve, que
tiende a producir pérdidas por arrastre, siendo este efecto acentuado
cuando el nivel del líquido es bajo”.
FIGURA 2.3-3 EVAPORADOR TIPO CESTA CON TUBOS VERTICALES
29
2.3.2.3. Evaporador de tubos largos
En la figura 2.3-4 se observa el esquema de un evaporador de
tubos largos.
Badger y Banchero (1970) nos señalan que “cualquier factor que
mejore el coeficiente por el lado del líquido, aumenta el coeficiente
global casi proporcionalmente”.
Fuente: (Banchero, 1970).
2.3.2.4. Evaporador de circulación forzada
En la figura 2.3-5 se observa este tipo de evaporador en el cual los
tubos son largos pero de diámetros pequeños, mucho menor al tipo
estándar, están dentro de un elemento calentador A constituido por
dos placas tubulares.
FIGURA 2.3-4 EVAPORADOR DE TUBOS LARGOS VERTICALES
30
Por la parte inferior de los tubos la mezcla líquido vapor se proyecta
hacia la parte superior, llegando a la cabeza de vapor B.
Fuente: (Banchero, 1970).
En la tubería C el líquido es trasladado hasta la entrada de la
bomba D, la cual empuja el alimento a través de los tubos a una
determinada velocidad, el líquido choca en la parte superior con el
deflector curvo E que lo direcciona hacia abajo nuevamente, ahí se
FIGURA 2.3-5 EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN FORZADA CON ELEMENTO DE
CALENTAMIENTO INTERNO
31
produce la separación casi total del vapor. El ingreso del vapor está
cerca de la parte inferior de los tubos.
La carcasa A que contiene los tubos también se encuentra una
pantalla cilíndrica F, que llega cerca de la parte superior del elemento
calentador. Los gases incondensables son arrastrados por el vapor
hacia abajo y se extraen por el fondo G. mientras que el agua
condensada es extraída del fondo por H.
Este evaporador es recomendable para sustancias que formen
espumas y líquidos que tiendan a formar cristales e incrustaciones.
2.3.3. EVAPORADORES CON TUBOS DE FORMAS ESPECIALES
Como ejemplo de evaporadores con tubos de formas especiales se
encuentran los evaporadores de serpentines que detallamos a
continuación
2.3.3.1. Evaporadores de Serpentines
Es similar a los evaporadores anteriores tienen una carcasa
cilíndrica por cuyo interior pasa el vapor en serpentines, los
serpentines son tubos que están en forma de hélice o de U. Estos
serpentines reciben vapor del exterior al cuerpo del evaporador y éstos
tienen una llave de paso para poder controlar la operación.
32
2.4. CRITERIO DE SELECCIÓN DE TIPO DE
EVAPORADOR
La selección del tipo de evaporador se realiza principalmente a
partir de las propiedades de las disoluciones de trabajo, como se
detalla a continuación:
Concentración: A medida que crece el contenido de sólidos la
densidad y la viscosidad aumentan provocando que la solución
se concentre lo que genera un aumento en la temperatura de
ebullición esto impide que la transferencia de calor sea adecuada
e incluso se puede llegar al estado de saturación formando
cristales los cuales tienen que ser retirados.
Formación de espuma: Algunas soluciones principalmente las
sustancias orgánicas, forman una capa espumante en la
evaporación. La espuma es arrastrada por el vapor perdiendo así
una cantidad importante de líquido.
Sensibilidad a la temperatura: Algunas soluciones son sensibles
a temperaturas altas como los farmacéuticos, si se tiene una
inesperada elevación en el punto de ebullición la solución se
daña porque pierde sus propiedades.
Incrustaciones: McCabe, Smith y Harriot (2007) indican que
“algunas soluciones depositan costras sobre la superficie de
calentamiento. En estos casos el coeficiente global disminuye
progresivamente hasta que llega un momento en que es preciso
interrumpir la operación del evaporador y limpiar tubos”.
33
Esto ocurre cuando no se utiliza un material de construcción
adecuado, también se presenta la descomposición por corrosión.
Todos estos problemas analizados hacen que varíe el tipo para la
construcción mecánica de los equipos de evaporación.
2.5. FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES
TUBULARES
Para hablar de funcionamiento se toma en cuenta dos principales
características que son la capacidad y la economía.
McCabe, Smith, Harriot (2007) nos dicen que “la capacidad se
define cómo el número de kilogramos de agua vaporizada por hora.
La economía es el número de kilogramos vaporizados por kilogramo
de vapor de calentamiento que entra a la unidad”.
En evaporadores de simple efecto la economía generalmente
es menor que uno, mientras que en los evaporadores de efecto
múltiple tiene que ser mayor a uno. La capacidad dividida para la
economía nos va a dar como resultado el consumo de vapor en
kilogramos por hora.
2.5.1. VARIABLES QUE INTERFIEREN EN LA CAPACIDAD DE UN
EVAPORADOR
En la ecuación 2.5-1 se define la transferencia global de calor que
es el producto de los siguientes factores: el coeficiente global de
34
transferencia de calor U, el área A de la superficie de transferencia de
calor, y la caída global de temperatura.
𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇 Ec. 2.5-1
(Martínez de la Cuesta, 2004)
Cuando la temperatura de la solución con la que se alimenta el
evaporador es igual a la de su punto de ebullición, tendremos que el
calor que ésta transfiere será proporcional a q.
Cuando la temperatura del alimento es menor o fría, se necesita
una cantidad considerable de calor para que llegue hasta su
temperatura de ebullición. También en el caso de que el alimento
tenga una temperatura superior a la del punto de ebullición, se da una
evaporación espontánea por el equilibrio adiabático con la presión de
vapor, y en este caso la capacidad será superior a q.
McCabe, Smith, Harriot (2007) consideran que “en los
evaporadores reales la temperatura de ebullición de una solución está
afectada por dos factores: la elevación del punto de ebullición y la
carga del líquido”, que son detallados a continuación.
2.5.1.1. Efecto de la carga del líquido y de la elevación del
punto de ebullición
Los sistemas de evaporación de múltiple efecto son los que se ven
más afectados por estos factores que los sistemas de un solo efecto.
35
La carga del líquido y la elevación del punto de ebullición hacen que
la caída de temperatura de cada efecto se vea afectada existiendo una
reducción en ella.
Como lo indican McCabe, Smith, Harriot (2007) “el vapor procedente
de una solución en ebullición está a la temperatura de la solución y,
por lo tanto, está sobrecalentado en una cantidad igual a la elevación
del punto de ebullición”.
La caída de temperatura va a ser calculada a partir de la
temperatura a la que se encuentra el vapor saturado y no de la
temperatura de ebullición del líquido en el siguiente efecto.
A continuación se muestra la figura 2.5-1 donde se encuentra como
influye la pérdida de la caída de temperatura en evaporadores de
simple, doble y múltiple efecto, siendo las condiciones externas
iguales en los tres.
Se considera que la altura total de cada una de las columnas es el
intervalo que existe entre el vapor de calentamiento inicial hasta el de
saturación del vapor dado en el último efecto.
36
Fuente: McCabe, Smith, Harriot, 2007.
A su vez McCabe, Smith, Harriot (2007) nos dicen que “en casos
extremos de un gran número de efectos o elevaciones del punto de
ebullición muy altos, la suma de las elevaciones del punto de ebullición
en un evaporador propuesto podría ser mayor que la caída total de
temperatura disponible”.
Teniendo como conclusión que en dichas condiciones no se podría
realizar la evaporación, lo ideal sería reducir el número de efectos.
2.5.2. ECONOMÍA DE UN EVAPORADOR
El número de efectos es el factor principal que influye en la
economía de un evaporador. Al construir un sistema de evaporación
adecuado va a existir un mayor aprovechamiento del vapor generado
en el primer efecto, siendo también afectada la economía por la
FIGURA 2.5-1 EFECTO DE LA ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN SOBRE LA CAPACIDAD DE LOS EVAPORADORES.
37
temperatura con la que ingresa la alimentación, porque la entalpía de
vaporización del vapor va a ser utilizada primero para elevar gran
parte de su temperatura y luego de eso recién será utilizado para
llegar al punto de ebullición de la solución; en cambio si la
alimentación ingresa a una temperatura mayor, será mucho más
aprovechado el calor transferido por el vapor de calentamiento.
McCabe, Smith, Harriot (2007) hacen énfasis en que “desde el
punto de vista cuantitativo, la economía del evaporador es totalmente
cuestión de balances de entalpía”.
2.6. OPERACIÓN DE SIMPLE Y MÚLTIPLE EFECTO
Los evaporadores tienen internamente tubos metálicos por medio
de los cuales fluye el material a evaporarse y por fuera de los
mismos el vapor de agua con el que se calientan, generalmente se
trabaja con presiones bajas.
Cuando se trabaja con un solo evaporador, se condensa y
desecha el vapor que procede del líquido, a este método se lo llama
Evaporación de Simple Efecto. En este método para evaporar 1 kg
de agua de la solución que se alimenta se necesitan 1,3 kg de vapor
lo cual nos indica que se utiliza ineficazmente el vapor.
Si se utiliza el vapor proveniente del primer evaporador como
elemento calefactor al segundo, generando previamente un vacío
con un eyector y un condensador que arrastran los no
condensables, se conoce como una Evaporación de Doble Efecto. Si
38
se añade más efectos de la misma forma recibe el nombre de
Evaporación de Efecto Múltiple.
En el primer efecto se introduce el vapor de calentamiento y es
ahí donde la presión de vapor es mayor, mientras que en el último
efecto tiene una presión mínima.
McCabe, Smith, Harriot (2007) dicen que “cada efecto, por sí
solo, actúa como un evaporador de un solo efecto, y cada uno de
ellos tiene una caída de temperatura a través de su superficie de
calentamiento correspondiente a la caída de presión en dicho
efecto”.
En la figura 2.6-1 se observa que la alimentación ingresa al
primer efecto, donde se logra concentrar en una mínima proporción
que luego es trasladada al segundo efecto donde alcanza su
concentración final.
Las variables con las que se va a trabajar deben estar
establecidas y se deben mantener constantes durante todo el
proceso de evaporación, y es así que se dice que las
concentraciones solo pueden variar cambiando las variables,
principalmente el flujo de alimentación.
39
F
Fuente: Herrera, Muñoz, 2015.
FIGURA 2.6-1 SISTEMA DE EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO DEL LABORATORIO DE OPERACIONES
UNITARIAS
40
2.7. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA
DE CALOR
McCabe, Smith, Harriot (2007) señalan que “el coeficiente global
está influido por los mismos factores que los coeficientes
individuales; pero, si una resistencia (tal como la película del
líquido) es lo que controla, variaciones importantes de las demás
resistencias apenas tendrían efecto sobre el coeficiente global”.
Por lo general, como es difícil obtener el valor de los
coeficientes globales en la práctica, todos los cálculos se los
realiza con la finalidad de obtener el coeficiente global de
transferencia de calor.
En la tabla 1 se puede observar los diferentes valores que se le
pueden asignar a los coeficientes globales de transferencia de
calor que van a depender de cómo opera el evaporador.
Fuente: McCabe, Smith, Harriot, 2007.
TABLA 1 COEFICIENTES GLOBALES TÍPICOS DE LOS EVAPORADORES
41
2.8. MÉTODOS DE ALIMENTACIÓN
La alimentación directa es el método más sencillo, consiste en
introducir la solución diluida por medio de una bomba al primer
efecto y luego darle paso por el resto de efectos sin necesidad de
bomba debido a que el flujo está en sentido de presiones
decrecientes, este método se indica en la figura 2.8-1. (a). Existe
otro método que es la alimentación inversa, donde el alimento diluido
ingresa por el último efecto y se bombea atravesando los efectos
continuos hasta llegar al primero, mostrado en la fig 2.8-1. (b) por lo
cual se requiere de una bomba entre un efecto y otro además de que
debe tener una bomba para la solución concentrada.
Fuente: McCabe, Smith, Harriot, 2007.
FIGURA 2.8-1 MODELOS DE FLUJO DEL LÍQUIDO EN EVAPORADORES DE EFECTO MÚLTIPLE
42
En la Figura 2.8-1 (c), llamada alimentación mixta, donde el
alimento ingresa a un efecto intermedio y circula con alimentación
directa hasta el último efecto, luego se bombea hacia atrás a los
primeros efectos obteniendo la concentración final.
En la figura 2.8-1. (d) se observa que la alimentación ingresa en
cada uno de los efectos, esto se ve en los evaporadores con
cristalización, se lo llama alimentación paralela y no existe paso de
la solución entre los efectos.
2.9. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE
EVAPORACIÓN
El sistema de evaporación necesita varios accesorios para ponerlo
en funcionamiento, como los siguientes:
2.9.1. CONDENSADOR
Es un equipo de transferencia de calor, donde se licuan los vapores
eliminando su calor latente. Se utiliza un líquido más frío denominado
refrigerante para que absorba el calor latente.
McCabe, Smith, Harriot (2007) señalan que “puesto que
evidentemente la temperatura del refrigerante aumenta en un
condensando, la unidad también actúa como un calentador; pero lo
más importante desde el punto de vista funcional es la acción de
condensación”.
43
En un condensador de superficie el vapor y el refrigerante van
separados y generalmente el agua de enfriamiento circula por el
interior de los tubos, mientras que el vapor por el exterior.
Al finalizar el proceso, el refrigerante (agua) será trasladado a la
torre de enfriamiento.
2.9.2. TRAMPA DE VAPOR
Hugot (1964) menciona que “cuando la calandria está a una presión
superior a la atmosférica el condensado puede fluir por gravedad, pero
se evita que el vapor se escape colocando un aparato de separación
llamado Trampa de Vapor”.
Y ésta a su vez es un tipo de válvula automática que evita que
salga de la calandria vapor. A través de la cual pasa condensado y
contiene un flotador que es el que controla el nivel para abrir el paso
del agua.
2.9.3. BOMBA DE VACÍO
Las aplicaciones del vacío tanto en la industria como en los
laboratorios de investigación son numerosas y variadas. Las bombas
de vacío trabajan solamente en un rango de presiones limitado; por
ello la evacuación de los sistemas de vacío se realiza en varias
etapas, usándose para cada una de ellas una clase de bomba
diferente. (Millán, 2001)
Un sistema de evaporación didáctico no requiere de mucho
vacío, por lo que es posible adaptarle una bomba de vacío sencilla que
su máximo alcance para la operación esté en un rango de 13-16 inHg.
44
El funcionamiento se define por la velocidad de bombeo y la
cantidad de gas evacuado por una unidad de tiempo de las bombas
de vacío. (QuimiNet, 2011)
Dos características esenciales de las bombas de vacío son
(QuimiNet, 2011):
Presión límite.
Tiempo necesario para alcanzar dicha presión.
En evaporación estas bombas ayudan a que se pueda extraer la
sustancia que se desea evaporar con facilidad y con una
temperatura menor a la de ebullición.
45
CAPÍTULO III
3. INGENIERÍA DEL DISEÑO
3.1. INTRODUCCIÓN AL DISEÑO
Para la construcción del equipo de evaporación se establece la
dimensión de cada parte del equipo cómo la calandria, la cámara de
evaporación y además el sistema de tuberías y accesorios,
intercambiadores de calor y bombas para que integrándose cumplan
su función de manera óptima.
Se desarrolla una serie de cálculos sistemáticos, como balances de
materia y balance de energía, aplicando leyes termodinámicas.
3.2. CARACTERÍSTICAS DIDÁCTICAS DEL EQUIPO
Para el correcto aprendizaje de la Operación Unitaria Evaporación
se necesita que el equipo sea construido en condiciones versátiles y
sea de fácil operación, con todas las variables y características de un
equipo industrial.
Se ha diseñado un sistema el cual tendrá las siguientes funciones:
Simple Efecto con alimentación en paralelo
Doble Efecto con alimentación en paralelo
46
3.3. TIPO DE EVAPORADOR
Por su fácil construcción, versatilidad, su gran auge industrial y a su
vez económico, se decide construir un evaporador tipo Robert o
Estándar. (2.4.2.1)
3.4. ELECCIÓN DE NÚMERO DE EFECTOS
El vapor que sale del primer evaporador se lo utiliza para calentar el
siguiente, cumpliendo así la función de Doble Efecto, este mismo
procedimiento se puede realizar con tres y más efectos, comúnmente
se encuentra en las industrias hasta el quíntuple efecto.
Se decidió construir un evaporador de doble efecto que permitirá
determinar variables que rigen a este tipo de evaporadores.
3.5. VARIABLES DE DISEÑO
3.5.1. SUSTANCIA DE TRABAJO
Debido a la versatilidad de la materia prima se ha decidido trabajar
con una solución de agua con azúcar, que resulta los más práctico
para los estudiantes.
3.5.2. FLUJO MÁSICO DEL ALIMENTO
Se parte de un flujo másico de setenta (70) Kilogramos por hora,
este valor se estima tomando en cuenta de que se trata de un equipo
a escala piloto para laboratorio.
47
3.5.3. CONCENTRACIÓN INICIAL Y FINAL DEL SOLUTO
Por ser un equipo piloto las concentraciones iniciales pueden variar
para observar la versatilidad del equipo y determinar las
concentraciones finales, pero para el diseño se eligió una
concentración de 0,02 y 0,05 respectivamente.
3.5.4. TEMPERATURA INICIAL
El alimento ingresa a una temperatura ambiente de 25°C.
3.5.5. PRESIÓN DE VACÍO
Se utilizó un vacío de 38 cmHg que es el que nos da la bomba de
vacío disponible en el Laboratorio de Operaciones Unitarias.
3.5.6. CALOR ESPECÍFICO
Para efectos de cálculo se trabajó con un C.E. de 0,46 para el vapor
de agua y 1 para el agua líquida, que son valores estándares.
3.5.7. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN (E.P.E.)
Martínez de la Cuesta (2004) recomienda para soluciones acuosas,
en este caso se utilizó una solución azucarada, que la elevación del
punto de ebullición para el primer efecto sea de 3 y 4 grados Celsius
para el primer y segundo efecto respectivamente.
3.5.8. COEFICIENTE GLOBAL
La tabla 1 (2.7) nos da valores típicos de coeficientes globales para
evaporadores de circulación natural, se han escogido U1=1200 y
U2=1000 (Kcal/hr m2).
48
3.6. DIAGRAMA DE FLUJO DE EVAPORACIÓN DOBLE
EFECTO CON NOMENCLATURA
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Dónde:
F, L1 y L2: Flujo de la solución azucarada, kg/h.
Wos: Entrada de flujo de vapor de caldero, kg/h.
W1V, W2
V: Vapor que sale del I y II efecto respectivamente.
WT V: Vapor total del sistema.
FIGURA 3.6-1 NOMENCLATURA DE UN SISTEMA DE EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO DE FLUJO
ASCENDENTE EN PARALELO
Wos
W1V W2
V
Ɛp1
U1
Ɛp2
U2
FXF
L1XL1
L2XL2
Tcond II Tcond. I
COND. I E COND. II E
49
ɛp1, ɛp2: Elevación del punto de Ebullición del I y II efecto
respectivamente.
U1, U2: Coeficiente de Global de transferencia de Calor.
T: Temperatura.
H: Entalpia.
X: Fracción másica del sólido en la solución azucarada.
C.E. vapor: Calor específico del vapor del agua.
C.E. agua: Calor específico del agua.
COND. I E y COND. II E: condensado efecto I y II respectivamente.
3.7. ECUACIONES DE DISEÑO
Para el diseño de un evaporador de doble efecto se diseñó una serie
de ecuaciones que nos garantizan que la construcción del equipo sea
confiable y que su funcionamiento sea óptimo
3.7.1. ECUACIONES PARA EL BALANCE DE MATERIA Y
ENERGÍA
Las ecuaciones para el balance de materia y energía que propone
Martínez de la Cuesta (2004) se presentan a continuación:
BALANCE DE MATERIA
F= L2 + WTV Ec. 3.7-1
(Martínez de la Cuesta, 2004)
50
W1V + W2
V = WTV Ec. 3.7-2
(Martínez de la Cuesta, 2004)
F(XF)=L2 (XL2) + W1V (X W1
V) + W2V (X W2
V) Ec. 3.7-3
(Martínez de la Cuesta, 2004)
BALANCE DE ENERGÍA
W0S (HCOND. I E.) = W1
V (HCOND. II E.) + W1V(C.E.vapor) ( ɛp1) Ec. 3.7-4
(Martínez de la Cuesta, 2004)
W1V(C.E.vapor) (ɛp1) + (W1
V) (HCOND. II E.) + (Wtotal V - W1
V) (C.E. agua)
(TebIE.–Teb.IIE.) = W2V(HCOND. II E.) + W2
V(C.E.vapor) ( ɛp2) Ec. 3.7-5
(Martínez de la Cuesta, 2004)
3.7.2. RESOLUCIÓN DEL BALANCE DE MATERIA
Aplicando la Ec. 3.7-3 expresada por Martínez de la Cuesta, se
obtiene los siguientes resultados del balance de materia:
F(0,02) = L2 (0,05) + W1V (0) + W2
V (0)
L2 = (70)(0,02)
(0,05)= 28 𝑘𝑔/ℎ𝑟
51
∆𝑇11
𝑈1
= ∆T2
1
𝑈2
=𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑. 𝐼 𝐸 −𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑. 𝐼𝐼 𝐸 −(𝐸𝑃𝐸 𝐼+𝐸𝑃𝐸 𝐼𝐼)
1
𝑈1 +
1
𝑈2
TABLA 2 RESULTADOS DEL BALANCE DE MATERIA
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
3.7.3. DISTRIBUCIÓN DE LAS TEMPERATURAS
La distribución de la temperatura se la realiza por medio de la
fórmula dada por Martinez de la Cuesta (2004) descrita a continuación.
Ec.3.7-6 (Martínez de la
Cuesta, 2004)
3.7.4. OBTENCIÓN DE TEMPERATURAS
Reemplazando los datos en la ecuación establecida por Martínez de la
Cuesta 3.7-6, se obtienen los siguientes resultados:
TOTAL (Kg/h)
SÓLIDO
(Kg/h)
LÍQUIDO
(Kg/h)
Solución Diluida (2%) 70 1,4 68,6
Solución Concentrada
(5%) 28 1,4 26,6
Agua Evaporada 42 0 42
52
∆𝑇11
1200
= ∆T2
1
1000
=98 −60 −(3+4)
1
1200 +
1
1000
∆𝑇1= (98 −60 −(3+4)
1
1200 +
1
1000
) * 1
1200 = 14,09 °C
∆T2 = 98 −60 −(3+4)
1
1200 +
1
1000
* 1
1000 = 16,91 °C
TABLA 3 RESULTADOS DE DIFERENCIAS DE TEMPERATURA
∆T1 (°C) 14,09
∆T2 (°C) 16,91
Fuente: (Herrera y Muñoz, 2015).
Temperatura de Condensación de Vapor de Calefacción es de 98°C a
este valor se le resta ∆T1.
98 °𝐶 − 14,09°𝐶 = 83,91°𝐶
El resultado obtenido es la Temperatura de Ebullición del I efecto, a este
valor se resta el E.P.E. I. que es 3°C
83,91°𝐶 − 3°𝐶 = 80,91°𝐶
Este valor obtenido es la temperatura de Condensación del vapor que
sale del primer efecto y calienta el segundo efecto. Al restar 16,91°C de
ΔT2 se obtiene la temperatura de ebullición de la solución del II efecto.
80,91°𝐶 − 16,91°𝐶 = 64°𝐶
53
A los 64°C se le resta el valor de EPE II obteniendo la temperatura de
condensación de vapor del segundo efecto.
64°𝐶 − 4°𝐶 = 60°𝐶
En las tablas de vapor con cada temperatura de condensación se busca
la entalpía para los cálculos respectivos en el balance de energía.
TABLA 4 ENTALPÍAS DE VAPOR
TEMPERATURA
(°C)
ENTALPÍAS
(Kcal/kg)
98 540,311
80,91 550,834
60 563,232
Fuente: (Tablas de Vapor)
3.7.5. RESOLUCIÓN DEL BALANCE DE ENERGÍA
Se reemplazan los valores en las ecuaciones 3.7-2, 3.7-4 y 3.7-5 de
Martínez de la Cuesta (2004):
W1V + W2
V = 42
W0S (540,311) = W1
V (550,834) + W1V(0,46)(3)
W1V(0,46)(3) + (W1
V)(550,834) + (42 - W1V)(1)(83,9.–64.) =
W2V(563,232)+W2
V(0,46)(4)
54
TABLA 5 RESULTADOS DE BALANCE DE ENERGÍA
W0s (Kg/h) 21,34
W1v (Kg/h) 20,86
W2v (Kg/h) 21,13
Fuente: (Herrera y Muñoz, 2015).
3.7.6. CÁLCULO DEL ÁREA
Se calcula finalmente el área despejando la ecuación 2.5-1 de
Martínez de la Cuesta (2004), de transmisión de calor, donde se
obtienen los siguientes valores:
𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇
𝐴1 = WoS (Hcond. I E. )
(𝑈1)(𝛥𝑇1)=
(21,34) (540,3)
(1200)(14,09)= 0,682 𝑚2
𝐴2 = W1V (Cpvapor)(E. P. E I) + (W1V) (HCOND. II E. )
(𝑈2)(𝛥𝑇2)
= (20,86)(0,46)(3) + (20,86)(550,834)
(1000)(16,9)
= 0,6815 𝑚2
TABLA 6 ÁREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE CADA EFECTO
A1 (m2)= 0,682
A2 (m2)= 0,6815
Fuente: (Herrera y Muñoz, 2015).
55
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,682 + 0,6815
2= 0,6817 𝑚2
0,6817 m2 * 1,5 = 1,02 𝑚2
Se calcula un valor promedio del área y se aplica un factor de
corrección de diseño de 0,5. Este factor se multiplica por el área
promedio dando un valor de 1,02 m2 de área total.
3.8. CUERPO DEL EVAPORADOR
El cuerpo del evaporador consta de dos partes que son: Cilindro
Vertical y Calandria Tubular.
3.8.1. CILINDRO VERTICAL
El cilindro vertical se lo denomina como la cámara de evaporación,
que lo encontramos sobre la calandria y es donde se encuentra el
vapor que es eliminado de la solución por el punto de ebullición.
Según Trom, (como se citó en Hugot, 1964) la altura del cuerpo
sobre la calandria debe ser de 1.5 a 2 veces la longitud de los tubos.
Se utilizó los tubos con una longitud de 43 cm.
𝐴𝑙 = (1,5)𝐿 Ec. 3.8-1
(Hugot, 1964)
𝐴𝑙 = (1,5)(43)
𝐴𝑙 = 64,5 𝑐𝑚
56
Dónde:
𝐴𝑙 = Altura del cuerpo
𝐿 = Longitud de los tubos
Al aplicar la ecuación tenemos una altura del cuerpo
de 64,5 cm.
3.8.2. CALANDRIA
En la calandria se da lugar a la transferencia de calor. Consta de
varios tubos y uno de mayor diámetro llamado tubo central.
3.8.2.1. El tubo central y el diámetro interior del cuerpo:
El tubo central es de acero inoxidable y su objetivo es transportar
hacia el fondo del equipo la solución. Hugot (1964) recomienda que su
diámetro debe encontrarse entre ¼ y 1/8 del diámetro interior del
cuerpo.
Por recomendaciones de expertos el diámetro del tubo central es de
8,75 cm.
𝐷𝑖 = 4𝐷𝑡𝑐 Ec. 3.8-2
(Hugot, 1964)
𝐷𝑖 = 4(8,75𝑐𝑚)
𝐷𝑖 = 35 cm
Dónde:
𝐷𝑖= Diámetro interior del cuerpo
57
𝐷𝑡𝑐= Diámetro del tubo central
Despejando la ecuación 3.8-2 tenemos un diámetro interno del
cuerpo calculado de 35 cm., se ha construido el evaporador con un
diámetro de 39 cm., debido a que la industria dedicada a la
elaboración de casquetes tiene medidas estándares siendo el
diámetro de 39 cm., el más cercano al deseado.
3.8.2.2. Los tubos
- Material: Acero inoxidable calidad 304.
- Diámetro: Claassen (como se citó en Hugot, 1964) estima que los
tubos de diámetro pequeño trabajan mejor cuando la relación de
evaporación es pequeña, mientras que los tubos gruesos ofrecen
más espacio a las burbujas que suben y trabajan mejor con altas
relaciones de evaporación.
Tomando en cuenta estas consideraciones se utilizó tubos de 1
pulgada de diámetro nominal, siendo éste un diámetro apropiado
para facilitar la limpieza y evitar las incrustaciones.
Los tubos deben sobresalir de 2 a 3 mm sobre la placa de la
calandria.
3.8.3. CÁLCULO DE NÚMERO DE TUBOS
𝑛 =𝐴
𝜋𝐷𝐿 Ec. 3.8-3
(Hugot, 1964)
58
𝑛 =1,02𝑚2
𝜋(0,0254𝑚)(0,43𝑚)
𝑛 = 30 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
n= Número de tubos
A= Área de Calentamiento
Π= 3,1416
D= Diámetro de los tubos
L= Longitud de los tubos
Aplicando la ecuación 3.8-3 tenemos un total de 30 tubos para cada
efecto.
3.8.4. DISTANCIA ENTRE TUBOS
La siguiente ecuación que muestra Hugot (1964), nos da la
distancia que debe haber entre los tubos.
𝑝 = 1,35 𝑑𝑒 Ec. 3.8-4
(Hugot, 1964)
Dónde:
𝑝 = distancia entre los centros de 2 tubos vecinos
𝑑𝑒 = diámetro exterior de los tubos
Aplicando la ecuación 3.8-4 la distancia entre tubos será de 45,09 mm.
59
3.8.5. ARREGLO DE LOS TUBOS EN LA CARCAZA
Los tubos se distribuyen sobre la placa de la calandria a 120°
siguiendo 3 direcciones los unos de los otros.
Fuente: (Hugot, 1964).
FIGURA 3.8-1 DISPOSICIÓN DE LOS TUBOS
60
3.9. RESULTADOS DE CÁLCULOS DE DISEÑO
Tabla 7 RESULTADOS DE CÁCULOS DE DISEÑO
Fuente: (Herrera y Muñoz, 2015).
Especificaciones del equipo
CALANDRIA
Largo 0,43 m
Diámetro 0,39 m
Número Tubos internos 30 Unidades
Diámetro de tubos internos 0,0254 m
Largos de tubos internos 0,43 m
Diámetro del tubo central 0,0875 m
CÁMARA DE EVAPORACIÓN
Largo 0,645 m
Diámetro 0,39 m
ÁREA DE LA CÁMARA DE EVAPORACIÓN
Área 1,02 m
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3.10. COSTOS DE MATERIALES Y MANO DE OBRA
MATERIAL MEDIDAS CANT. VALOR
UNITARIO VALOR FINAL
VALOR MAS IVA
PLANCHA DE ACERO INOXIDABLE T-304 2 mm 4*8 2 163,12 326,24 365,39
PLANCHA DE ACERO INOXIDABLE T-304 3 mm 4*8 2 248,28 496,56 556,15
TUBO ACERO INOXIDABLE T-304 C. 10 C/C1" 6 72 432,00 483,84
PERNOS CON ANILLO PLANO Y DE PRESIÓN T-304 1.25" 64 0,9 57,60 64,51
EMPAQUE DE ASBESTO 1/16"
1.5m*1.5m 1 73,92 73,92 82,79
TUBO ACERO INOXIDABLE T-304 C. 10
C/C1/2" 4 30,86 123,44 138,25
CODO ACERO INOXIDABLE T-304 1/2"*90 42 1,18 49,56 55,51
CODO ACERO INOXIDABLE T-304 1"*90 4 2,81 11,24 12,59
TEE ACERO INOXIDABLE T-304 1/2" 8 1,91 15,28 17,11
TEE ACERO INOXIDABLE T-304 1" 5 3,61 18,05 20,22
UNION INOXIDABLE T-304 1/2" 5 1,09 5,45 6,10
UNION INOXIDABLE T-304 1" 5 2,06 10,30 11,54
NEPLO INOXIDABLE T-304 1/2"*1.18" 15 1,03 15,45 17,30
NUDO INOXIDABLE T-304 1/2" 7 2,48 17,36 19,44
NUDO INOXIDABLE T-304 1" 3 6,59 19,77 22,14
BUSHING INOXIDABLE T-304 1"*1/2" 8 0,48 3,84 4,30
VÁLVULA BOLA INOXIDABLE T-304 1/2" 9 5,15 46,35 51,91
VÁLVULA BOLA INOXIDABLE T-304 1" 3 10,59 31,77 35,58
RED. INOXIDABLE T-304 1"*1/2" 2 2,13 4,26 4,77
ROTÁMETROS
2 100 200,00 224,00
MANÓMETRO
1 30 30,00 33,60
BARÓMETRO
1 15 15,00 16,80
TERMÓMETRO
4 28 112,00 125,44
SILICÓN ROJO
10 3 30,00 33,60
TEFLÓN
15 1,5 22,50 25,20
ABRAZADERAS
10 1,4 14,00 15,68
MANGUERA 0,5m 1 2,8 2,80 3,14
ACOPLAMIENTO DE MANGUERA 1" 2 3,23 6,46 7,24
ACOPLAMIENTO DE MANGUERA 1/2" 2 2,5 5,00 5,60
PERNOS CON ANILLO PLANO Y DE PRESIÓN T-304
4 0,64 2,56 2,87
70
TUBO DE VIDRIO REFRACTARIO 1/4" 1 25 25,00 28,00
CAJA ELECTRICA
1 28 28,00 31,36
BREAKES
2 4 8,00 8,96
PULSADOR
1 7 7,00 7,84
CABLES
1 5 5,00 5,60
PLATINA
1 5 5,00 5,60
GASTOS DE MOVILIZACIÓN
200,00
MANO DE OBRA SOLDADOR
760
MANO DE OBRA AYUDANTE
650
TOTAL 4159,97
Fuente: (Herrera y Muñoz, 2015).
71
CAPÍTULO IV
4. EXPERIMENTACIÓN
4.1. INTRODUCCIÓN A LA EXPERIMENTACIÓN
Se detallan en este capítulo los datos obtenidos en las prácticas,
con los que se realizan cálculos matemáticos para determinar el
coeficiente global de transferencia de calor en cada uno de los
evaporadores y también la eficiencia.
Se realizaron 7 pruebas, una con agua para verificar el correcto
funcionamiento de los evaporadores y en las seis restantes se
trabajó con soluciones de agua azucarada a diferentes
concentraciones.
72
4.2. MANUAL DE OPERACIÓN
4.2.1. NOMENCLATURA DE LA INSTRUMENTACIÓN
SIMBOLOGÍA SIGNIFICADO
FV Válvula para tuberías de alimentación (Feed
Valve)
SV Válvulas tuberías de vapor (Steam Valve)
VV Válvulas para sistema de vacío (Vacuum Valve)
AV Válvula para sistemas auxiliares (Auxiliar Valve)
P Bomba (Pump)
R Rotámetro
M Manómetro
T Termocupla
V Vacuómetro
EY Eyector
E Intercambiador de Calor
BV Botella para vacío
N Nivel
TV TRAMPA DE VAPOR
73
EV EVAPORADOR
Fuente: (Herrera y Muñoz, 2015).
74
Diagrama 1 SISTEMA DE TUBERÍAS DE ALIMENTACIÓN
75
Diagrama 2 SISTEMA DE TUBERÍAS DE ALIMENTACIÓN
76
Diagrama 3 TUBERÍAS Y ACCESORIOS DEL VAPOR
77
Diagrama 4 TUBERIAS Y ACCESORIOS DEL CONDENSADO
78
Diagrama 5 VÁLVULAS Y DISPOSITIVOS AUXILIARES
79
Diagrama 6 TUBERÍAS Y ACCESORIOS DEL SISTEMA DE VACIO CON
EYECTOR
80
Diagrama 7 TUBERIAS Y ACCESORIOS DEL SISTEMA DE VACIO CON BOMBA
81
4.2.2. EQUIPO DE EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO DE TUBOS
VERTICALES Y FLUJO ASCENDENTE
Fuente: (Herrera y Muñoz, 2015).
82
4.2.3. PREPARACIÓN DEL ALIMENTO
En agua se disuelve la cantidad de azúcar requerida según los grados
°BRIX requeridos y se lo vierte al tanque de alimentación.
4.2.4. INICIO DE OPERACIÓN DEL EQUIPO
- Abrir las válvulas de seguridad AV-01, AV-02, AV-04 y AV-05 de
cada efecto respectivamente.
- Alimentar la solución abriendo las válvulas FV-(02, 05, 07, 08,
12,14) se prende la bomba subiendo los breakers y presionando el
pulsador. Las válvulas FV-(04, 06, 09, 10, 11, 13, 15, 16) deben
estar cerradas.
- Se abre la válvula FV-03 que permite la recirculación, así se evita
forzar la bomba. Mientras la bomba está prendida siempre debe
haber recirculación.
- Una vez que el alimento llegue a un nivel de 5cm de distancia con
la brida superior se cierran las válvulas FV-(08,09) y se procede a
apagar la bomba de alimentación.
- A continuación se pone en funcionamiento la bomba de vacío, se
enciende presionando el pulsador y abriendo la válvula VV-02 y
cerrando VV-03.
- Inmediatamente se cierran las válvulas de seguridad AV-(01, 02).
- Una vez que se ha estabilizado el vacío deseado (aprox. 14 inHg)
se procede a suministrar vapor al primer efecto. Se abre las
válvulas SV-(01, 03, 05) y se mantiene la presión deseada con la
83
válvula reguladora de presión SV-02 que cuenta con un manómetro
como indicador. En caso de emergencia se utiliza el bypass válvula
SV-04. La válvula SV-07 debe estar abierta para permitir que pase
el vapor que procede del primer efecto y suministre energía en
forma de calor al segundo efecto. Mientras que la válvula SV-06
debe permanecer cerrada y se utilizará sólo en caso de necesitar
vapor en el segundo efecto para trabajarlo como un solo efecto.
- Tener siempre activa la torre de enfriamiento.
- Cuando hayan salido todos los gases incondensables se cierra la
válvula de seguridad AV-04 del primer efecto, un indicador de esto
es cuando el vapor comienza a salir por la válvula; de la misma
forma se procede con el segundo efecto AV-05.
4.2.5. ESTADO ESTACIONARIO
- Cuando el nivel del líquido comience a descender debido a la
evaporación se debe encender nuevamente la bomba de
alimentación y se controla el caudal con la válvula FV-05 para el
primer efecto y se toma el caudal en el rotámetro R-01
- El nivel del segundo efecto también comenzará a descender y se
alimenta con el producto que sale del primer efecto abriendo la
válvula FV-09 y regulando el caudal con la válvula FV-12, también
se toman medidas de este caudal con el rotámetro R-02.
84
4.2.6. TOMA DE MUESTRAS
- Cada 5 minutos si es posible se debe tomar una muestra del
concentrado de la solución, al abrir la válvula FV-10 una pequeña
parte de la solución cae en el interior del tubo y queda atrapada
entre las dos válvulas luego se vuelve a cerrar la válvula FV-10 y
se abre FV-11 y en un recipiente se recoge la muestra y se
observan los grados BRIX con el refractómetro.
4.2.7. FINAL DE LA OPERACIÓN
- Una vez alcanzados los objetivos, se da por terminada la práctica
procediendo de forma contraria a la inicial:
- Se cierra el paso de vapor con la válvula SV-01.
- Se espera unos 3 minutos y se apaga la bomba de vacío.
- Se procede a vaciar los evaporadores en recipientes utilizando las
válvulas FV-(10, 11, 15, 16).
- Finalmente es necesario circular agua para su limpieza.
4.3. TRATAMIENTO MATEMÁTICO
Con los datos de cada prueba vamos a detallar como se
obtuvieron los coeficientes globales de transferencia de calor, y
también la economía partiendo de un balance de materia global.
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91
Prueba # 1
Datos
F= 60 kg/hr
Xf= 0,02
Xl= 0,04
WoS= 29,8 kg/hr
PV= 5 + 14,7 = 19,7 psia
Hs-hs = 642,28 – 90 = 552,28 kcal/kg
Twos= 108,39°C
Tw1v= 97°C
ΔT1 = 108,39 – 97 = 11,39°C
A= 1,02 𝑚2
W1v = 17,27 kg/hr
Tw2v= 74°C
ΔT2 = 23°C
Hv1-hv1 = 638,03 – 72 = 566,03 kcal/kg
A partir de la ecuación de diseño 2.5-1 se realiza:
Cálculo de Q
Q1 = WoS (Hs – hs)
92
Q1 = 16457,9 kcal/hr
Q2 = W1v (Hv1 – hv1)
Q2 = 9888,5 kcal/hr
Cálculo de U
U1 = 16457,9
(1,02)(11,39) = 1416,7 kcal/hr 𝑚2 °C
U2 = 9888,5
(1,02)(23) = 421,5 kcal/hr 𝑚2 °C
Cálculo de W
F = W + L
Fxf = Lxl
L = 60 (0,02)
0,04 = 30 kg/hr
W= 60 – 30 = 30 kg/hr
Cálculo de la eficiencia
E = 𝑊
𝑊𝑜𝑆 =
30
29,8 = 1,00 lbs de agua evaporada / lbs de vapor vivo
Análisis de resultados
Se observa que la concentración aumenta el doble del valor inicial, de
0,02 a 0,04 en un tiempo de 60 minutos dando una eficiencia de 1, el cual
es congruente con la teoría que dice que en un doble efecto debe ser
mayor a 1.
93
Prueba # 2
Datos
F= 60 kg/hr
Xf= 0,03
Xl= 0,05
WoS= 28,18 kg/hr
PV= 19,7 psia
Hs-hs = 642,28 – 88 = 554,29 kcal/kg
ΔT1 = 10,39°C
A= 1,02 𝑚2
W1v = 13,93 kg/hr
ΔT2 = 25°C
Hv1-hv1 = 638,41 – 70 = 568,41 kcal/kg
A partir de la ecuación de diseño 2.5-1 se realiza:
Cálculo de Q
Q1 = WoS (Hs – hs)
Q1 = 15619,9 kcal/hr
Q2 = W1v (Hv1 – hv1)
94
Q2 = 7917,95 kcal/hr
Cálculo de U
U1 = 15619,9
(1,02)(10,39) = 1431,4 kcal/hr 𝑚2 °C
U2 = 7917,95
(1,02)(25) = 310,5 kcal/hr 𝑚2 °C
Cálculo de W
F = W + L
Fxf = Lxl
L = 60 (0,03)
0,05 = 30 kg/hr
W= 60 – 30 = 30 kg/hr
Cálculo de la eficiencia
E = 𝑊
𝑊𝑜𝑆 =
30
28,18 = 1,06 lbs de agua evaporada / lbs de vapor vivo
Análisis de resultados
Se observa que la concentración aumenta a un valor menor al doble de la
inicial, de 0,03 a 0,05 en un tiempo de 60 minutos, esto puede deberse a
que las temperaturas de Cwos y Cw1v fueron menores a la temperatura
en la prueba#1, la eficiencia finalmente nos da un valor de 1,06.
95
Prueba # 3
Datos
F= 60 kg/hr
Xf= 0,02
Xl= 0,045
WoS= 32,5 kg/hr
PV= 19,7 psia
Hs-hs = 642,28 – 90 = 552,28 kcal/kg
ΔT1 = 11,39°C
A= 1,02 𝑚2
W1v = 17,3 kg/hr
ΔT2 = 23°C
Hv1-hv1 = 638,03 – 72 = 566,03 kcal/kg
A partir de la ecuación de diseño 2.5-1 se realiza:
Cálculo de Q
Q1 = WoS (Hs – hs)
Q1 = 17949,1 kcal/hr
Q2 = W1v (Hv1 – hv1)
96
Q2 = 9792,3 kcal/hr
Cálculo de U
U1 = 17949,1
(1,02)(11,39) = 1544,9 kcal/hr 𝑚2 °C
U2 = 9792,3
(1,02)(23) = 417,4 kcal/hr 𝑚2 °C
Cálculo de W
F = W + L
Fxf = Lxl
L = 60 (0,02)
0,045 = 26,67 kg/hr
W= 60 – 26,67 = 33,33 kg/hr
Cálculo de la eficiencia
E = 𝑊
𝑊𝑜𝑆 =
33,33
32,5 = 1,02 lbs de agua evaporada / lbs de vapor vivo
Análisis de resultados
Se observa que la concentración aumenta un valor mayor al doble de la
inicial, de 0,02 a 0,045 en un tiempo de 60 minutos dando una eficiencia
de 1,02 congruente con la teoría que dice que en un doble efecto debe
ser mayor a 1.
97
Prueba # 4
Datos
F= 60 kg/hr
Xf= 0,03
Xl= 0,055
WoS= 26,5 kg/hr
PV= 19,7 psia
Hs-hs = 642,28 – 88 = 554,28 kcal/kg
ΔT1 = 10,39°C
A= 1,02 𝑚2
W1v = 15,75 kg/hr
ΔT2 = 24°C
Hv1-hv1 = 638,41 – 72 = 566,41 kcal/kg
A partir de la ecuación de diseño 2.5-1 se realiza:
Cálculo de Q
Q1 = WoS (Hs – hs)
Q1 = 14688,4 kcal/hr
Q2 = W1v (Hv1 – hv1)
98
Q2 = 8920,9 kcal/hr
Cálculo de U
U1 = 14688,4
(1,02)(10,39) = 1385,9 kcal/hr 𝑚2 °C
U2 = 8920,9
(1,02)(24) = 364,4 kcal/hr 𝑚2 °C
Cálculo de W
F = W + L
Fxf = Lxl
L = 60 (0,03)
0,055 = 32,72 kg/hr
W= 60 – 32,72 = 27,28 kg/hr
Cálculo de la eficiencia
E = 𝑊
𝑊𝑜𝑆 =
27,28
26,5 = 1,02 lbs de agua evaporada / lbs de vapor vivo
Análisis de resultados
Se observa que la concentración aumenta en un valor cercano al doble de
la inicial, de 0,03 a 0,055 en un tiempo de 60 minutos dando una
eficiencia de 1,02 congruente con la teoría que dice que en un doble
efecto debe ser mayor a 1.
99
Prueba # 5
Datos
F= 60 kg/hr
Xf= 0,025
Xl= 0,06
WoS= 34,24 kg/hr
PV= 19,7 psia
Hs-hs = 642,28 – 88 = 554,29 kcal/kg
ΔT1 = 10,39°C
A= 1,02 𝑚2
W1v = 16,36 kg/hr
ΔT2 = 24°C
Hv1-hv1 = 638,41 – 70 = 568,41 kcal/kg
A partir de la ecuación de diseño 2.5-1 se realiza:
Cálculo de Q
Q1 = WoS (Hs – hs)
Q1 = 18978,9 kcal/hr
Q2 = W1v (Hv1 – hv1)
100
Q2 = 9299,2 kcal/hr
Cálculo de U
U1 = 18978,9
(1,02)(10,39) = 1790,8 kcal/hr 𝑚2 °C
U2 = 9299,2
(1,02)(24) = 379,9 kcal/hr 𝑚2 °C
Cálculo de W
F = W + L
Fxf = Lxl
L = 60 (0,025)
0,06 = 25 kg/hr
W= 60 – 25 = 35 kg/hr
Cálculo de la eficiencia
E = 𝑊
𝑊𝑜𝑆 =
35
34,24 = 1,02 lbs de agua evaporada / lbs de vapor vivo
Análisis de resultados
Se observa que la concentración aumenta en un valor mucho mayor al
doble de la inicial, de 0,025 a 0,06 en un tiempo de 60 minutos dando una
eficiencia de 1,02 congruente con la teoría que dice que en un doble
efecto debe ser mayor a 1.
101
Prueba # 6
Datos
F= 60 kg/hr
Xf= 0,04
Xl= 0,09
WoS= 32,41 kg/hr
PV= 19,7 psia
Hs-hs = 642,28 – 85 = 557,28 kcal/kg
ΔT1 = 10,39°C
A= 1,02 𝑚2
W1v = 19,69 kg/hr
ΔT2 = 24°C
Hv1-hv1 = 638,41 – 72 = 566,41 kcal/kg
A partir de la ecuación de diseño 2.5-1 se realiza:
Cálculo de Q
Q1 = WoS (Hs – hs)
Q1 = 18061,44 kcal/hr
Q2 = W1v (Hv1 – hv1)
102
Q2 = 11152,61 kcal/hr
Cálculo de U
U1 = 18061,44
(1,02)(10,39) = 1709 kcal/hr 𝑚2 °C
U2 = 11152,61
(1,02)(24) = 455.6 kcal/hr 𝑚2 °C
Cálculo de W
F = W + L
Fxf = Lxl
L = 60 (0,04)
0,09 = 26,67 kg/hr
W= 60 – 26,67 = 33,33 kg/hr
Cálculo de la eficiencia
E = 𝑊
𝑊𝑜𝑆 =
33,33
32,41 = 1,02 lbs de agua evaporada / lbs de vapor vivo
Análisis de resultados
Se observa que la concentración aumenta en un valor mayor al doble de
la inicial, de 0,04 a 0,09 en un tiempo de 60 minutos dando una eficiencia
de 1,02 congruente con la teoría que dice que en un doble efecto debe
ser mayor a 1.
103
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ta.
104
CONCLUSIONES
Analizando el estado de los anteriores evaporadores se pudo
observar que el funcionamiento no era el adecuado, por lo cual
decidimos reemplazar todo el sistema de evaporación debido a que
estaban completamente corroídos y sólo se utilizaba para las
prácticas experimentales un efecto.
Por medio de la bibliografía se obtuvo cálculos para el nuevo
diseño, aumentando el número de tubos con un diámetro menor,
modificando a su vez el diámetro, altura y forma de la parte inferior
de la carcasa de los evaporadores.
El sistema de tuberías al ser de acero al carbón se pudo observar
que el material no era adecuado, luego de un periodo de tiempo de
trabajo se produjo corrosión por lo cual tuvo que ser reemplazado
por acero inoxidable.
Inicialmente se intentó trabajar con el eyector que se utilizaba en el
sistema anterior, el cual no daba el vacío necesario debido a las
bajas presiones que genera el caldero, por lo que se instaló una
bomba de vacío llegando así a presiones de -15inHg.
Se realizaron pruebas de funcionamiento del equipo actual con
soluciones de agua azucarada, donde se pudo observar que era
excelente porque en una hora de trabajo se tiene como resultado
concentraciones más altas que las iniciales.
105
También se pudo obtener datos que mediante cálculos nos dan a
conocer la economía de los evaporadores, teniendo concordancia
con lo teóricamente estimado, siendo mayor a 1 en un sistema de
doble efecto.
RECOMENDACIONES
Para la operación del equipo es necesario llevar la indumentaria y
artículos adecuados, como lo indican las normas de seguridad
industrial.
Aplicar correctamente el manual de procedimiento, siguiendo cada
uno de sus pasos en el orden indicado para evitar errores o
posibles accidentes.
Tener en cuenta que para la operación del sistema de evaporación
es necesario que la torre de enfriamiento esté prendida, ayudando
al intercambiador de calor ubicado en el segundo efecto a
condensar el vapor generado.
Se recomienda a futuros investigadores realizar prácticas
experimentales con concentraciones mayores para conocer la
máxima capacidad de los evaporadores.
Es de gran importancia tener en cuenta durante toda la operación
los indicadores de temperatura, presión y niveles para que no haya
variación en los resultados.
106
Al final de cada operación es necesario y obligatorio realizar
limpieza en los equipos permitiendo el paso de agua durante unos
5 minutos y así evitar la corrosión, porque los tubos sucios
funcionan con menor eficiencia que los limpios.
APÉNDICES
APÉNDICE A DIAGRAMAS DEL SISTEMA DE EVAPORACIÓN
APÉNDICE B GUÍA PARA PRÁCTICA E INFORME DE OPERACIONES UNITARIAS
OPERACIÓN UNITARIA: EVAPORACIÓN
1. OBJETIVO
Conocer el funcionamiento y puesta en marcha del equipo
de evaporación de doble efecto de tubos verticales que se
encuentra en el laboratorio de operaciones unitarias.
Aprender de forma práctica la operación unitaria
evaporación.
Determinar la eficiencia del evaporador con los datos
obtenidos.
2. RESUMEN
La Evaporación es una de las operaciones unitarias más antiguas
que todo ingeniero químico debe conocer comprender y además
saber operar un equipo. A lo largo de la historia han existido
muchos tipos de evaporadores como los de Tubos Horizontales, de
tubos verticales cortos y largos, de formas especiales como los
serpentines. En nuestro laboratorio de Operaciones Unitarias
contamos con un sistema de evaporación de Doble Efecto de tubos
verticales con flujo ascendente, en éste equipo realizamos la
práctica con sustancias comunes y se realizará cálculos para
determinar la eficiencia.
3. MARCO TEÓRICO
Operación Unitaria evaporación.
Equipos utilizados para la evaporación
Tipos de evaporadores
Economía de los evaporadores
4. EQUIPOS UTILIZADOS
Condensador
Bomba Centrífuga
Bomba de vacío
Torre de enfriamiento
5. MATERIALES UTILIZADOS
Refractómetro
Recipientes
Termómetros
Cronómetro
Balanza
Espátula
Agitador
6. SUSTANCIAS EMPLEADAS
Agua
Azúcar
7. ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO
Especificaciones del equipo
CALANDRIA
Largo 0,43 m
Diámetro 0,39 m
Número Tubos internos 30 Unidades
Diámetro de tubos internos 0,0254 m
Largos de tubos internos 0,43 m
Diámetro del tubo central 0,0875 m
CÁMARA DE EVAPORACIÓN
Largo 0,645 m
Diámetro 0,39 m
BRIDAS
Diámetro 0,49 m
Espesor 0,003 m
ÁREA DE LA CÁMARA DE EVAPORACIÓN
Área 1,02 m
8. PROCEDIMIENTO
1. Abrir las válvulas de seguridad de cada efecto respectivamente.
2. Alimentar la solución abriendo las válvulas y encendiendo la
bomba presionando el pulsador. Mantener cerradas las válvulas
de purga.
3. Se abre válvula de recirculación para que la bomba no se
sobrecargue.
4. Una vez que el alimento llegue a un nivel de 5cm de distancia
con la brida superior se cierran el paso del alimento y se apaga
la bomba de alimentación.
5. A continuación se pone en funcionamiento la bomba de vacío,
se enciende presionando el pulsador.
6. Inmediatamente se cierran las válvulas de seguridad de las
cámaras de evaporación.
7. Una vez que se ha estabilizado el vacío deseado (aprox. 14
inHg) se procede a suministrar vapor al primer efecto y se
mantiene la presión deseada con la válvula reguladora de
presión. En caso de emergencia se utiliza el bypass. Mantener
abierto el paso de vapor que procede del primer efecto para que
suministre energía en forma de calor al segundo efecto.
8. Tener activa la torre de enfriamiento.
9. Cuando hayan salido los gases incondensables se cierra la
válvula de seguridad del primer efecto, un indicador de esto es
cuando el vapor comienza a salir por la válvula. De la misma
forma se procede con el segundo efecto.
10. Cuando el nivel del líquido comience a descender debido a la
evaporación se debe encender nuevamente la bomba de
alimentación y se controla el caudal con la válvula de aguja para
el primer efecto y se toma el caudal en el rotámetro.
11. El nivel del segundo efecto también comenzará a descender y
se alimenta con el producto que sale del primer efecto abriendo
la válvula de paso y regulando el caudal con la válvula de aguja,
también se toman medidas de este caudal con el rotámetro del
segundo efecto.
12. Una vez alcanzados los objetivos, se da por terminada la
práctica procediendo de forma contraria a la inicial:
- Se cierra el paso de vapor
- Minutos después se apaga la bomba de vacío.
- Se procede a vaciar los evaporadores.
- Finalmente circular agua para su limpieza.
9. DATOS EXPERIMENTALES
Prueba: 1
I EFECTO II EFECTO
F1 PV w1v L1
Cwos
Cw1v w2v L2
Cw2v
T (min) T
(°C) XF1
%R1 PSI
T (°C
) XL1 T
(°C) T
(°C) T
(°C)
P (inHg
) XL2
T (°C)
10. CÁLCULOS
Prueba #
Datos
F= kg/hr
Xf= %
Xl= %
WoS= kg/hr
PV= psia
Hs-hs = kcal/kg
ΔT1 = Twos- Tw1v = °C
A= 𝑚2
W1v = kg/hr
ΔT2= Tw1v- Tw2v = °C
Hv1-hv1 = kcal/kg
- Cálculo de Q
Q1 = WoS (Hs – hs)= kcal/hr
- Cálculo de U
U1 = 𝑄1
(𝐴)(ΔT1) = kcal/hr 𝑚2 °C
U2 = 𝑄2
(𝐴)(ΔT2) = kcal/hr 𝑚2 °C
- Cálculo de W
F = W + L
Fxf = Lxl
L = kg/hr
W= kg/hr
- Cálculo de la eficiencia
E = 𝑊
𝑊𝑜𝑆 = lbs de agua evaporada / lbs de vapor vivo
11. TABLA DE RESULTADOS
PRUEBA ÁREA F L W Xf Xl WoS ΔT1 ΔT2 Q U E
# m^2 kg/hr kg/hr kg/hr % % kg/hr °C °C kcal/hr
kcal/hr m^2
°C
lbs agua evap/ lbs
vapor vivo
12. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
13. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
14. BIBLIOGRAFÍA
15. ANEXOS
APÉNDICE C IMÁGENES DE LA CONSTRUCCIÓN DEL EVAPORADOR DE DOBLE EFECTO
APÉNDICE C1
DESMONTAJE EVAPORADORES CORROIDOS
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
APÉNDICE C2
CONSTRUCCIÓN DE LOS EVAPORADORES
Fuente_ Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
APÉNDICE C3
PRUEBA HIDROSTÁTICA
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
APÉNDICE C4
MONTAJE DE LOS CUERPOS SOBRE LA ESTRUCTURA METÁLICA
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
APÉNDICE C5
SISTEMA DE TUBERÍA Y ACCESORIOS
Figura: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
Fuente: Herrera M., Muñoz A.
BIBLIOGRAFÍA
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