Evaporador de Película Ascendente

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1 Evaporador de Película Ascendente Laboratorio de Operaciones Unitarias Equipo 4 Primavera 2008 México D.F., 30 de enero de 2008 Alumnos: Arlette Mayela Canut Noval arlettecanut@hotmail.com Francisco José Guerra Millán fjguerra@prodigy.net.mx Bruno Guzmán Piazza legend xxx@hotmail.com Adelwart Struck Garza adelwartsg@hotmail.com Asesor: Ing. René Huerta Ceballos rene.huerta@uia.mx Resumen El estudio del evaporador de película ascendente permite calcular diversos parámetros para entender el funcionamiento de esta operación unitaria. El conocimiento de las pérdidas de calor tanto en el evaporador como del precalentador así como el coeficiente de transferencia de calor permiten analizar la eficiencia del equipo y posibles errores de diseño. Esto se ve traducido en un beneficio económico, ya que permite buscar formas para optimizar el proceso. En esta práctica, se obtuvieron resultados de U y de Q P, los cuales si bien presentan errores significativos, brindan una gran oportunidad para perfeccionar el equipo y optimizar el proceso. Asimismo se concluye que si bien los resultados distan de la realidad, es una buena aproximación para conocer los procesos de la industria.

2 Índice 1. Objetivos 3 2. Introducción y Marco Teórico Generalidades Equipo Circuito de solución a evaporar: Circuito de vapor de calentamiento: Marco Teórico Balance de Masa Balance de Energía en el Precalentador Balance de Energía en el Evaporador Coeficiente Global de Trasmisión de Calor Procedimiento Experimental Datos Experimentales Resultados Análisis Conclusiones 19 A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 2

3 1. Objetivos Familiarizarse y comprender el funcionamiento de un equipo del laboratorio para llevar a cabo una operación de evaporación. Conocer la importancia y las aplicaciones que tiene esta operación unitaria en la industria. Obtener el coeficiente global de transmisión de calor involucrado en la operación de evaporación. 2. Introducción y Marco Teórico 2.1. Generalidades Desde el punto de vista de las operaciones unitarias, la evaporación se puede definir como la separación de un solvente a partir de una solución compuesta por un solvente volátil y un soluto relativamente no volátil, mediante la vaporización o del primero. Los equipos en los que ocurre una vaporización se pueden dividir de la siguiente forma: A) Calderas B) Evaporadores Plantas de Fuerza. Para recuperar el solvente (agua). Químicos. Con el propósito de recuperar o concentrar un soluto no volátil. C) Intercambiadores - Vaporizadores Rehervidores. Equipos conectados al fondo de una torre de destilación fraccionada que proveen del calentamiento requerido para la destilación. Vaporizadores. Son equipos que evaporan parte de un líquido por medio de vapor o fluidos térmicos. Debido a que los equipos de evaporación se han desarrollado empíricamente existe una gran variedad de ellos que se utilizan de acuerdo a las características y las condiciones en que se encuentra la sustancia a evaporar. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 3

4 Clasificación de los evaporadores de acuerdo al medio calefactor: I. Medio calefactor separado del líquido a evaporar. A. Mediante superficies tubulares B. Mediante superficies sólidas diversas II. Medio calefactor en contacto directo con el líquido a evaporar. A. Combustión sumergida B. Discos o cascada C. Energía Eléctrica III. Sin medio calefactor IV. Calentamiento por radiación solar El evaporador de película ascendente del laboratorio, el medio calefactor está separado del líquido a evaporar por una superficie de vidrio tipo corning consistente en un tubo vertical largo y corresponde al tipo I.A. de la clasificación anterior. En estos equipos la alimentación entra por el fondo del tubo interior y de inmediato alcanza una alta velocidad de ascenso y salida hacia el separador, debida ésta a la expansión del vapor que se genera por el calentamiento a través de la superficie interna del tubo. La operación en un evaporador puede ser: A) Intermitente. Las operaciones de llenado, evaporación y vaciado se ejecutan es pasos sucesivos. B) semi-intermitente. La alimentación se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga se efectúa hasta que alcanza la concentración final. C) Continua-intermitente. La alimentación es continua y, en ciertas partes del ciclo, las descarga también es continua. D) Continua. La alimentación y descarga son continuas, permaneciendo la concentración de la alimentación y del producto prácticamente constante. Con objeto de ahorrar energía se tienen diferentes arreglos de los evaporadores: A) Recomprensión de Vapor. - Mecánica - Por eyección de vapor A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 4

5 B) Bomba calorimétrica con fluido auxiliar. C) Múltiple efecto - Alimentación hacia adelante - Alimentación hacia atrás - Alimentación en paralelo - Alimentación mixta Es en los evaporadores verticales de tubos largos en donde se alcanza una mayor evaporación que en los demás, están diseñados para trabajar en forma continua y se adaptan muy bien a la operación en múltiple efecto; aunque por lo general, se operan en un solo paso, llevando a cabo la concentración del líquido en el tiempo que tardan el líquido y el vapor desprendido en pasar a través del tubo. La recirculación de parte del producto al evaporador es recomendable cuando la relación de alimentación a evaporación o de alimentación a superficie calefactora es baja, (así, por ejemplo, en la obtención de jugo de limón concentrado se utilizan evaporadores de 4 efectos y en el de jugo de naranja de 6 efectos). Este tipo de evaporadores no es apropiado para soluciones incrustantes. Debido a la simplicidad de su construcción, diseño compacto y altos coeficientes de transferencia son apropiados para servicios con líquidos corrosivos. Las principales ventajas que tienen son: a) Costo moderado. b) Grandes superficies calefactores en un solo cuerpo. c) Bajo tiempo y volúmenes de residencia. d) Ocupan poco espacio. e) Buenos coeficientes de transferencia de calor a diferencias de temperatura razonables. Sus principales desventajas son: a) Tienen mucha altura (algunos hasta 18 m). b) Por lo general, no son apropiados para soluciones precipitantes o incrustantes. c) Con diferencias de temperatura pequeñas, sus coeficientes de transferencia de calor son pobres. Las mejores aplicaciones que tienen este tipo de equipos son: A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 5

6 a) Líquidos claros b) Líquidos que forman espuma c) Soluciones corrosivas d) Grandes cargas de evaporación e) Diferencia de temperaturas altas La dificultad más frecuente es que tienen demasiada sensibilidad hacia el cambio en las condiciones operativas Equipo Un esquema del equipo utilizado se muestra en la Figura Circuito de solución a evaporar: Glicerina es la solución a evaporar y se bombea a través de un precalentador, hacia el evaporador. Esta línea cuenta con un rotámetro que mide el gasto de la solución a concentrar. El precalentador es un intercambiador de tubos concéntricos con el tubo exterior de cobre de 1.177m de longitud (diámetro exterior 3 8in y diámetro interior de 5 16in) que cubre al tubo de alimentación de la solución de glicerina (tubo de acero inoxidable de diámetro exterior 1 4in y diámetro interior de 3 16in). A la solución precalentada se le mide su temperatura antes de entrar al evaporador. El evaporador en sí, consiste de dos tubos concéntricos de vidrio. A través del interior, que mide 3.06m de longitud (sometida a calentamiento) y 29.9mm de diámetro exterior y 24mm de diámetro interior, circula el producto a concentrar. Por fuera de este tubo y dentro del tubo exterior circula el vapor de calentamiento, el tubo exterior tiene un diámetro exterior de 59mm y un diámetro interior de 51mm. La conductividad térmica del vidrio es 0.63 BTU h ft 2 F. En la parte inferior del tubo interior se encuentra la conexión de entrada de la solución a concentrar, así como una conexión que permite la recirculación parcial o total del concentrado. En la parte superior, antes de la salida hacia el separador líquido vapor, se encuentra instalado un termistor para medir la temperatura a la cual sale del evaporador la mezcla líquido-vapor. El separador de fases es del tipo ciclónico. Por la parte inferior sale la fase líquida o solución concentrada, la cual es enfriada con agua, pasando a un recipiente (provisto de indicador de nivel) en el que se mide el volumen obtenido A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 6

7 Figura 2.1: Diagrama esquemático del equipo utilizado. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 7

8 durante la evaporación. De este recipiente puede ser recirculada al evaporador. Por la parte superior del separador sale la fase gaseosa (agua evaporada) hacia un condensador de doble tubo para pasar a un recipiente en donde se mida la cantidad obtenida. Entre el condensador y el recipiente se encuentra la conexión de la bomba de vacío que permite, si es necesario, evaporar con ayuda de vacío. La línea de vacío cuenta con un vacuómetro y una válvula que, al permitir la mayor o menor admisión de aire, regula la cantidad de vacío aplicado al circuito de la solución a concentrar Circuito de vapor de calentamiento: El vapor que se alimenta al equipo proviene de la caldera, pasa por un separador de humedad, una válvula reductora de presión y se distribuye tanto al precalentador como al evaporador. En el precalentador se regula mediante una válvula el vapor que se alimenta a la chaqueta, y su presión se mide mediante un manómetro tipo Bourdon. El condensado del vapor pasa a través de una trampa de vapor hacia un recipiente provisto de un nivel y con el cual se mide el consumo de vapor en el precalentador. La línea de vapor que alimenta al evaporador, cuenta también con válvula para regular la cantidad de vapor suministrado y manómentro para registrar la presión del mismo; en adición esta línea tiene instalada una válvula de seguridad. El vapor se alimenta al evaporador por la parte central del tubo exterior. El condensado sale por la parte inferior del mismo tubo, pasa por una trampa de vapor y se va a un recipiente que también cuenta con un nivel para medir la cantidad de vapor consumida en el evaporador. El evaporador no se encuentra aislado con el objeto de observar el fenómeno de la evaporación, y por tanto las pérdidas de calor son altas Marco Teórico Balance de Masa Se puede efectuar un balance de masa para el sistema de forma que: F = G + L (2.1) x F F = x G G + x L L (2.2) donde: F = gasto másico de solución diluida alimentada al evaporador (masa/tiempo) A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 8

9 G = gasto másico de agua evaporada, (masa/tiempo) L = gasto másico de la solución concentrada (masa/tiempo) x = fracción peso de soluto en cada una de las corrientes. Teóricamente x G debe ser cero, sin embargo puede haber algún arrastre y conviene verificarlo. El gasto másico de cualquiera de las corrientes se calcula multiplicando el volumen recogido por unidad de tiempo por la densidad de la mezcla. Para calcular la densidad de la mezcla se utiliza cualquiera de las reglas de mezclado conocidas. Para realizar el balance de energía se pueden tomar en cuenta dos sistemas, el del calentador y el del evaporador Balance de Energía en el Precalentador En este balance se involucra la corriente de solución diluida alimentada y la que sale del precalentador a una mayor temperatura, así como la corriente de vapor que se utiliza para calentar y al condensado que sale del precalentador. El balance en el precalentador está dado por: Balance de Energía en el Evaporador Q V = Q F + Q P (2.3) Q V = W V + λ V (2.4) Q F = F c P (T T 0 ) (2.5) En el evaporador ocurre un proceso de transferencia de masa en el que una substancia pasa total o parcialmente de una fase a otra. El balance en el evaporador está dado por: Q V = Q F + Q E (2.6) Q V = W V + λ V (2.7) Q F = F c P (T F T ) + G λ G (2.8) donde: F = gasto másico de solución de glicerina alimentada al precalentador [M/t] L = gasto másico de solución concentrada que sale del evaporador [M/t] G = gasto másico del solvente evaporado [M/t] W V = gasto másico del vapor alimentado al precalentador [M/t] W V = gasto másico del vapor alimentado al evaporador [M/t] A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 9

10 c P = calor específico de la solución diluida a la temperatura promedio en el precalentador (energía/masa temperatura) ([T + T 0 ]/2) [H/(M T)] c P = calor específico de la solución diluida a la temperatura promedio en el evaporador (energía/masa temperatura) ([T + T F ]/2) [H/(M T)] λ V = calor latente de vaporización del agua a la temperatura del vapor en el precalentador [H/M] λ V = calor latente de vaporización del agua a la temperatura del vapor en el evaporador [H /M] λ G = calor latente de vaporización del agua a la temperatura del agua evaporada (TF) [H/M] T 0 = temperatura de la solución de glicerina alimentada al precalentador [T] T = temperatura de la solución de glicerina alimentada al evaporador [T] T F = temperatura de las dos fases a la salida del evaporador [T] Q V = calor cedido por el vapor en el precalentador [H/t] Q F = calor ganado por la solución de glicerina en el precalentador [H/t] Q V = calor cedido por el vapor en el evaporador [H/t] Q F = calor ganado por la solución de glicerina en el precalentador [H/t] Q P = cantidad de calor cedido por el precalentador a la atmósfera [H/t] Q E = cantidad de calor cedido a la atmósfera [H/t] El calor específico de la solución de glicerina se obtiene de la siguiente manera: donde: x = fracción peso c Pglicerina = BTU/lb F c Pagua = 1.0 BTU/lb F c P = x glicerina c Pglicerina + x agua c Pagua (2.9) Coeficiente Global de Trasmisión de Calor La transmisión de calor en el evaporador queda definida por la ecuación: Q = U A 0 LMTD = W V λ V (2.10) donde: Q = calor transmitido por el vapor por unidad de tiempo [H/t] U = coeficiente global de transmisión de calor [H/(T L 2 t] A 0 = área externa del tubo interno [L 2 ] LMTD = media logarítmica de las diferencias de temperatura [T] W V = vapor condensado por unidad de tiempo en el evaporador [M/t] λ V = calor latente de condensación del vapor a la temperatura de condensación [H/M] A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 10

11 Como el evaporador se encuentra sin aislar existe mucha pérdida de calor hacia el medio ambiente. Para calcular estas pérdidas se registra primero la cantidad de condensado cuando el evaporador está sin carga y de aquí, la cantidad de calor cedido a la atmósfera. Restando esta cantidad de la obtenida con carga, se calcula la que realmente se cedió al líquido. Despejando U de esta ecuación se obtiene el coeficiente, tanto para el evaporador como para el precalentador. A continuación se muestra un diagrama de los sistemas involucrados en los balances. Figura 2.2: Diagrama de de los sistemas involucrados en los balances de energía. 3. Procedimiento Experimental El primer paso es precalentar el equipo. Se abre la válvula de vapor y se fijan presiones de trabajo convenidas para esa fecha, tanto en el precalentador como en el evaporador. Todo el condensado formado en esta primera etapa se envía al drenaje. La duración de la etapa de precalentamiento es de, aproximadamente, 5 minutos y finaliza cuando los flujos de condensado permanecen constantes. En este momento se comienza a tomar el tiempo para poder calcular el gasto de condensado sin carga, tanto en el precalentador como en el evaporador. Una vez transcurridos los 5 minutos se toma la altura de condensado del precalentador y tubo de evaporación, hecho esto, de drenan los recipientes de éste, dejando que el condensado se vaya al drenaje. Se arranca, en su caso, la A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 11

12 bomba de vacío. Se deja correr el agua de enfriamiento del enfriador del concentrado y condensado de vapor. Se arranca la bomba de la solución y se fija su gasto. Cuando se obtenga un régimen permanente, se efectúan las mediciones correspondientes. Las concentraciones de la solución en las diferentes corrientes se mide mediante un refractómetro. Una vez tomadas las mediciones y transcurrido un período de evaluación de 15 a 20 minutos, se apaga la bomba de solución, la de vacío y se cierra lentamente la válvula de vapor. Después de un lapso de tiempo prudente se cierra el agua de enfriamiento y se drenan los tanques de condensados. 4. Datos Experimentales En la Figura 4.1 se muestran las tablas con los datos experimentales. Asimismo se presentan tablas con distintos datos utilizados para la obtención de los resultados en la Figura 4.2. Las características de las soluciones que contiene cada tanque se muestran en la Tabla 4.1. Tabla 4.1: Especificaciones Tanque 1: Tanque 2: Tanque 3: Tanque 4: Tanque 5: Solución diluida. Condensado del precalentador. Condensado del evaporador. Solución concentrada. Solvente condensado. Durante el experimento se realizaron tres corridas. La primera, o denominada Corrida 0 se llevó a cabo sin solución a evaporar, únicamente para calcular las pérdidas al extarior causadas en el precalentador. La segunda y tercera corridas, denominadas Corrida 1 y Corrida 2 se realizaron ya con solución a concentrar. La diferencia fue que en la Corrida 2 se utilizó un vacío para ayudar a condensar al solvente. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 12

13 Figura 4.1: Tablas con los datos experimentales A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 13

14 Figura 4.2: Tablas con los datos utilizados para la obtención de los resultados. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 14

15 5. Resultados La Figura 5.1 compila todos los resultados obtenidos con ayuda del programa Excel c. Otros cálculos realizados se muestran en las tablas de la Figura 5.2. Figura 5.1: Tablas con los resultados obtenidos. Para calcular el calor latente se utilizó la siguiente fórmula, sugerida en [3]: H V = C1 (1 T r ) C2+C3 Tr+C4 Tr Tr (5.1) T r = T T c (5.2) a) Pérdida de calor en el evaporador y el precalentador. El calor perdido en el evaporador es de 1.82 kj s. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 15

16 Figura 5.2: Tablas con los cálculos adicionales. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 16

17 b) Coeficiente global de transferencia de calor en el precalentador y el evaporador. El coeficiente global de transferencia de calor en el precalentador es de kj 1.98 m 2 s C y 1.05 kj m 2 s C para las corridas 1 y 2 respectivamente. En el caso kj del evaporador se obtuvieron valores de 0.39 m 2 s C y 0.73 kj m 2 s C igualmente para las corridas 1 y 2. c) Cálculo, mediante un balance de materia, de la cantidad de solución alimentada y comparación de este dato con el medido. Con base en los balances de masa se obtiene una cantidad teórica de solución alimentada de kg s y kg s para las corridas 1 y 2. De acuerdo a los datos medidos, el flujo másico alimentado en las corridas 1 y 2 es de kg s y respectivamente. Esto representa errores del -57 % y -12 %. d) Balance de energía en el precalentador y evaporador. El balance de energía en el precalentador indica que se tiene una pérdida de 0.90 kj s y 0.14 kj s en las corridas 1 y 2. Por su parte, en el caso del evaporador, el calor cedido a la atmósfera tiene valores de -4.8 kj s y 5.5 kj s respectivamente. e) Determinar U teórica del evaporador y compararla con el valor obtenido en el inciso b). Para realizar el cálculo de U teórica se utilizó la siguiente ecuación: U = h b + h c (5.3) ( ) k 0.79 c 0.45 P h b = ρ0.49 σ 0.5 µ 0.29 (λ ρ v ) 0.24 (T w T s ) 0.24 (P w P s ) 0.75 (5.4) ( cp µ ) ( ) dext G másico h c = c p G másico (5.5) k µ Con base en esta ecuación se obtienen como resultados un coeficiente global kj kj de transferencia de calor para el evaporador (U) de m2 s C y m 2 s C para las corridas 1 y 2 respectivamente. Al compararlo con los resultados experimentales se obtienen errores del -98 % y -96 % respectivamente. 6. Análisis El balance de masa global presenta unas ligeras variaciones del orden de 10 4 para ambas corridas. Es bien sabido que en la teoría el balance de masa A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 17

18 debería de dar 0. Sin embargo, esto nunca suele suceder en la práctica. Los valores obtenidos son indicio de un buen desarrollo experimental por lo menos en el aspecto global. En el cálculo de las pérdidas de calor a la atmósfera en el precalentador se obtuvo un valor cercano a los 1000 J s. Cabe mencionar que el aparato se encontraba aislado con una cubierta gruesa. No obstante este resultado reafirma nuestra teoría de que es muy difícil lograr un aislamiento total. Asimismo cabe destacar que la práctica se llevó a cabo en la mañana con una temperatura ambiente ligeramente menor a los 20 C. Al existir un gradiente de temperaturas mayor, la fuerza motriz para la transferencia de calor es mayor y por ende existen mayores pérdidas. Al calcular la cantidad de solución alimentada y compararla con la medida se observan diferencias significativas de -57 % y -12 %. El signo negativo indica que la cantidad medida es menor que la esperada. Esto se puede explicar en primer lugar, por los volúmenes que tiene el equipo. Es decir, al momento de recuperar la solución, no es posible vaciar las tuberías del equipo para obtener el volumen total y sin embargo, cuando se calcula el gasto teórico sí se puede medir todo el volumen desplazado. Asimismo, errores al abrir las llaves y de sincronización con los compañeros pudieron afectar los resultados. Para los balances de energía del precalentador y el evaporador cabe destacar que se obtuvieron valores de pérdidas a la atmósfera significativamente más grandes en el caso del evaporador. Si bien es difícil afirmar si los resultados son correctos o no, esta tendencia sugiere un buen trabajo experimental y procesamiento de datos, dado que las pérdidas en el evaporador deben ser mayores, puesto que no se encuentra aislado o recubierto. Los resultados para el precalentador son de un orden de magnitud similar, lo que nos lleva a pensar que son correctos. Sin embargo el signo negativo en la corrida 1 del evaporador llama la atención. Este signo negativo indicaría que se le está suminsitrndo energía al sistema, lo cual no es el caso. Un posible error puede radicar en la temperatura de del evaporador que se utilizó en la media logarítmica. Una vez realizados los cálculos necesarios se observa una fuerte desviación del valor experimental de U, respecto al teórico. En ambos casos esta discrepancia es casi del 100 %, lo que sin duda le resta confiabilidad a nuestros valores experimentales. No obstante, esto se puede explicar con base en las simplificaciones realizadas para calcular los coeficientes necesarios, las distintas aproximaciones y lecturas de gráficas que se efectuaron y por supuesto, los errores inherentes a la experimentación. Como ejemplo de ello, la capacidad calorífica se tomó como constante en el intervalo de temperaturas y simplemente se utilizó una fórmula sugerida en [3]. A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 18

19 7. Conclusiones Si bien algunos de los resultados no son del todo lo esperados se puede concluir que la práctica se llevó a cabo de forma exitosa. Los resultados obtenidos son satisfactorios y más aún los conocimientos asimilados a lo largo de esta práctica. A pesar de las simplificaciones y aproximaciones realizadas se obtuvieron resultados quasi totalmente satisfactorios que nos permiten tener una visión global bastante buena de lo que es un Evaporador de Película Ascendente y los factores que influyen en su operación. Los objetivos planteados al inicio se cumplieron cabalmente y consideramos que después de haber operado el equipo personalmente los esquemas se comprenden mucho mejor. Si bien la teoría es fundamental para un análisis adecuado de la operación unitaria, la práctica y el aprendizaje empírico son igual o más importantes para asimilar correctamente los conceptos. Las Operaciones Unitarias por sí mismas no son siempre del todo útiles y/o interesantes. Sin embargo, cuando se analizan en el contexto de un proceso químico se vuelven interdependientes unas de otras y su buena comprensión se vuelve crucial para el buen desarrollo del proceso. De ahí la gran importancia de entender y estudiar minuciosamente estos procesos, para poder optimizarlos y así traducir los beneficios al resto del proceso en el que estés operando. Referencias [1] David Mantner Himmelblau. Principios básicos y cálculos en ingeniería química. Pearson Educación, [2] Donald Q. Kern. Procesos de Transferencia de Calor. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., [3] Robert H. Perry, Don W. Green, and James O. Maloney. Perry s chemical engineers handbook. The McGraw-Hill Companies, Inc., 7th edition, A. Canut, F. J. Guerra, B. Guzmán, A. Struck 19