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Instituto Politcnico Nacional

E.S.I.Q.I.E.

Escuela Superior de Ingeniera Qumica e Industrias Extractivas

LABORATORIO

INTRODUCCIN A LOS PROCESOS DE SEPARACIN

Evaporador de simple efecto de circulacin forzada con

recirculacin

Profesor: LORENZO QUINTERO SANCHEZ

Grupo: 3IM96

EQUIPO: 5

Alumno: Morgado Snchez Diego Armando

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NDICE

Objetivos3

Introduccin Terica....4

Diagrama de Bloques....7

Tabla de datos Experimentales11

Clculos12

Tabla de Resultados...17

Cuestionario..................................18

Observaciones y conclusiones20

Diagrama de flujo........................21

3

OBJETIVOS

Que el alumno al trmino de las sesiones correspondientes al estudio de este

equipo experimental sea capaz de:

I. Explicar el funcionamiento del evaporador de simple efecto de circulacin forzada

II. Operar el equipo realizando cambios en las variables que puedan ser controladas a

voluntad del operador

III. Analizar los efectos de los cambios de las variables y como lograr un aumento en la

capacidad de produccin.

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INTRODUCCIN

El equipo instalado en el laboratorio corresponde a la clasificacin de evaporadores de

tubos largos verticales y en el l velocidad de circulacin de la solucin en el interior de los

tubos de la calandria es proporcionada por la accin de una bomba centrifuga de gran

capacidad y pequea carga.

En este tipo de evaporadores no hay ebullicin de la solucin dentro de los tubos por lo

tanto no hay cambio de fase de la misma, ya que la ebullicin se presenta en el separador

debido a un cambio sbito de presin, que recibe el nombre de flasheo.

Para garantizar la diferencia de presin entre el separador y el interior de los tubos de la

calandria, se disean estos evaporados, ubicando el separador como mnimo un metro

arriba del cabezal superior de la calandria, con objeto de que la columna hidrosttica as

lograda siempre mantenga la diferencia de presin y que impida la ebullicin de la solucin

dentro de la calandria.

En estos evaporadores no es necesario precalentar la solucin diluida, ya que esta se

alimenta a la lnea de recirculacin del separador hacia la calandria y al mezclarse la

solucin diluida con el gasto masa de recirculacin, casi alcanza la temperatura de

ebullicin, leda esta, a la presin del separador. Con esta recirculacin se logra que la

solucin pase n veces a travs de los tubos que forman el rea de calentamiento.

Este tipo de evaporador se recomienda para concentrar solucin de origen inorgnico de

grandes viscosidades, ya que la velocidad suministrada por la bomba de recirculacin

permite adelgazar la pelcula de la solucin dentro de los tubos, logrando as mejorar

notablemente el valor del coeficiente global de trasferencia de calor; la eleccin del

evaporador de circulacin frazada se basa en el estudio de las propiedades de la solucin. El

instalar recirculacin implica un gasto extra por el bombeo, sin embargo debe comparar con

la ventaja econmica del incremento de capacidad.

Conocimiento del equipo

El equipos es de marca kestner y la envolvente est construida con placa de acero

inoxidable de cuatro milmetros de espesor. El evaporador consta de las siguientes partes

fundamentales.

Calandria.- Esta constituida por un tubo de 15 cm de dimetro interno que recibe el nombre

de envolvente, dentro de esta se encuentran alojados 4 tubos de 30 mm de dimetro interior

y 2.54 m de largo, simtricamente distribuidos y sujetos a sus extremos a dos placas

metlicas, del mismo dimetro interno de la envolvente, llamadas espejos. Entre el espejo

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inferido y la brida inferior existe un espacio libre llamado cabezal inferior, entre el espejo

superior y la brida superior se encuentra el cabezal superior.

Sobre el envolvente se tiene instalados: un manmetro de caratula en la parte baja de la

misma arriba del espejo inferior, una vlvula de purga de gases no condensables ubicada en

la parte superior y un indicador de nivel de vidrio colocado ligeramente arriba del espejo

inferior con una caratula de nivel de referencia constante

Separador.- el separador es de tipo ciclnico y es un recipiente cilndrico hueco en posicin

vertical con terminacin cnica en el fondo e instrumentado con un vacuo metro y una

mirilla de vidrio. El separador est conectado a la calandria por medio de un tubo de

aproximadamente dos pulgadas de dimetro y un metro de altura sobre el cabezal superior

de la calandria

De la parte inferior del separador sale una lnea del mismo dimetro del tubo de la conexin

antes descrita que se comunica a la bomba de recirculacin y la descarga de esta llega al

cabezal inferior de la calandria donde se tiene instalado un termmetro de caratula

Condensador.- el condensador es de superficie y consta de dos cuerpos de condensacin de

los que forman la calandria, en estos se tiene instaladas dos mamparas que dividen al

nmero de tubos en dos partes iguales, las mamparas se encuentran ubicadas en el cabezal

superior de cada cuerpo de condensacin. Adems estos cuerpos estn conectados por dos

tramos de tubo de diferente dimetro el de menos dimetro colocado en la parte inferior de

ambos, ligeramente arriba del espejo inferior, a esa altura se tiene un indicador de nivel de

vidrio con una altura de nivel de referencia constante instalado en el segundo cuerpo, y el

tubo de mayor dimetro aproximadamente a la mitad de la altura de ambos cuerpos de

condensacin.

De la parte superior del separador sale el solvente evaporado hacia el primer cuerpo de

condensacin y es ah donde se condensa la mayor parte, este condensado pasa al segundo

cuerpo de condensacin a travs del tubo de menor dimetro, la parte restante del

evaporado, no condensa, circula hacia el segundo cuerpo de condensacin a travs del tubo

de mayor dimetro

Bomba de vaco: se cuenta con una bomba de anillo hidrulico, la cual est constituida por

una carcasa cilndrica llena de lquido dentro dela cual gira excntricamente un rodete

provisto de aletas. Al girar este rodete forma una pelcula de agua en forma de anillo que

sirve como sello hidrulico. Debido a la disposicin excntrica del rodete se obtiene un

efecto alternado de aspiracin y compresin. El sello hidrulico se debe mantener durante

todo el tiempo que dure funcionando esta para evitar su calentamiento.

De la parte superior de la envolvente del segundo cuerpo de condensacin sale un tubo que

se conecta con la bomba de vaco. Este tuvo esta instrumentado con un vacumetro y una

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vlvula de control de vaco. A travs de este salen los gases no condensables y mediante la

vlvula de control a vaco se fija el valor de este en el vacumetro

La bomba tiene dos succiones y una sola descarga las succiones se encuentran conectadas

en forma perpendicular. La descarga de la bomba es una lnea cura que conduce la mezcla

de gases no condensables y agua del sello hidrulico, esta lnea llega a un separador donde

salen por la parte inferior al drenaje el agua del sello y por la parte superior los gases no

condensables.

Equipo auxiliar

Bomba de alimentacin de la solucin diluida.- Se tiene instalada una bomba centrifuga

Bomba de recirculacin de la solucin concentrada.- es una bomba centrifuga con una

capacidad terica de 20m^3 de agua/h, se utiliza para recircular la mezcla de la solucin

concentrada que sale del separador y la alimentacin de la solucin diluida

Enfriador tipo serpentn.- el vapor de caldera ya condensado que sale de la envolvente de la

calandria es enviado al interior de un serpentn y por el exterior de este circula agua de

enfriamiento

Accesorios complementarios

Tanques hermticamente cerrados: para recibir el solvente evaporado ya condensado y la

solucin concentrada se tienen instalados dos tanques con un dimetro interior de 34.6 cm

que trabajan a vaco, cada uno de estos esta instrumentado de la siguiente se forma: un

indicador de nivel de vidrio, en la parte superior estn instalados un vacuo metro y tres

vlvulas de control de flujo, en l aparte inferior hay una lnea de descarga a drenaje con su

vlvula de control de flujo.

Tanques tipo atmosfricos:

Tanque de almacenamiento de la solucin diluida con capacidad aproximada de 200 l con

un dimetro interior de 59.6 cm, esta instrumentado con un indicador de nivel de vidrio,

lneas de descargas: a drenaje con vlvula de control de flujo y a succin de la bomba

centrifuga con vlvula de control

Tanque de almacenamiento de vapor de caldera con capacidad aproximada de 50l y un

dimetro interior de 40 cm, instrumentado con un indicador de nivel de vidrio, lnea de

descarga a drenaje con vlvula de control de flujo

Tanque de almacenamiento del agua de condensacin con una capacidad aproximada de

200 l y un dimetro interior de 56 cm, instrumentado con indicador de nivel de vidrio lnea

de descarga a a drenaje con vlvula de control de flujo

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DIAGRAMA DE BLOQUES

Primera etapa:

Llenar el tanque de

almacenamiento de la

solucin

Abrir la vlvula del

tanque de la solucin

que comunica a la

bomba de alimentacin

Abrir parcialmente la

vlvula de la lnea de

recirculacin al tanque

de la solucin diluida y

la vlvula de control de

flujo del rotmetro

Accionar la bomba de

alimentacin de solucin

diluida

Esperar a que aparezca

liquido (solucin diluida)

en el tanque receptor de

la solucin concentrada

(esto indica que se tiene

el mximo nivel de

carga).

Una vez que aparece

el lquido,

desconectar la

bomba de

alimentacin y cerrar

la vlvula de control

de flujo del

rotmetro

Accionar la bomba de

recirculacin, esperar

que salga todo el

exceso de solucin

diluida acumulada en

el separador

La bomba de recirculacin

continua trabajando hasta

el paro del equipo.

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Segunda etapa

Abrir la vlvula de

alimentacin de vapor a

la envolvente de la

calandria.

Abrir la vlvula de

alimentacin general de

vapor

Apretar la vlvula reductora

de presin.

Abrir la vlvula de purga

de gases no condensables

del vapor, cuando estos

salgan (observar el flujo

continuo de vapor) cerrar

esta casi totalmente.

Con la vlvula

reductora de presin

de vapor ajustar valor

de la presin

manomtrica elegido

manomtrica elegido

Con la vlvula

reductora de presin

de vapor ajustar valor

de la presin

manomtrica elegido

Abrir vlvula de

alimentacin de agua a

los condensadores y

verificar que esta

circule a la cisterna.

Abrir la vlvula de

alimentacin de agua al

sello de la bomba de

vaco.

Accionar la bomba de

vaco y con la vlvula de

control de vacio ajustar al

valor que le corresponda

Aflojar la vlvula reductora

de presin.

Accionar la bomba de

alimentacin de la

solucin diluida y ajustar

con la vlvula de control

de flujo de rotmetro el

valor del porcentaje

seleccionado

.manomtrica elegido

manomtrica elegido

Con la vlvula reductora

de presin de vapor

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Esperar que se alcance el

rgimen permanente (las

condiciones de operacin

no cambien con el tiempo).

Abrir la vlvula de

alimentacin de agua al

enfriador de vapor

condensado.

Toma de datos

experimentales : valores de

condiciones de operacin

como las alturas de los

tanques con tiempos que

indique el profesor..

Comprobar que las temperaturas

en cada uno de los puntos del

indicador-registrador de

temperaturas del tablero sean

constantes y cuando estn se

procede a tomar datos

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Tercera etapa:

Desconectar el indicador

Aflojar la vlvula

reductora de presin

Cerrar la vlvula de

alimentacin generador

de vapor

Desconectar la bomba

de vaco y cerrar la

vlvula de sello

hidrulico.

Desconectar la bomba de

alimentacin.

Desconectar la

bomba de

recirculacin.

Cerrar las vlvulas de

alimentacin de agua

al condensador y al

enfriador.

Tomar la muestra de

solucin

concentrada.

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TABLA DE EXPERIMENTALES

Presin manomtrica del vapor(kg/cm2) 0.9 kg/cm

2

Temperatura de alimentacin (C) 29

Vaco en el condensador 16Hg

Dimetro del

tanque (cm)

Temperaturas

(C)

Tiempo de

operacin

(min)

Diferencia

de altura

de

nivel(cm)

MA(kg/hr) Solucin

diluida

59

29

12

9

MP(kg/h) Solucin

concentrada

34.6

69

12

14

E (kg/h) Solvente

evaporado

34.6

E

69

Ec

53

12

13.1

MV (kg/h)Vapor de

agua de caldera

40.2

Mv

102

Mvc

53

12

11.5

MH20(kg/h) agua de

condensacin

56

tentrada

29

tsalida

37

0.5

6

12

CALCULOS

CLCULOS EN EL EVAPORADOR

Banance de Materia

Calculo de MA

( )

( )

Calculo de MP

( )

( )

Calculo del evaporado E

( )

( )

Calculo de la masa de vapor Mv

( )

( )

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BALANCE DE ENERGIA

Calculo del calor absorbido

La entalpia se obtiene de tablas de vapor a TE

HE @ 69C= 626.9 cal/g

Qabs=E*HE + MP*HP - MA*HA =

Qabs=60.76*626.9 + 64.38*69 - 122.54*29 = 38979

Calculo del calor suministrado

Se obtiene v a 102oC

v @ 102C =537.7 cal/g

Qsum=Mv*v =

Qsum=72.5*537.7 =38983.3

Calculo del calor no suministrado

Qno sum= Qsum - Qabs =

Qno sum=38983.3-389979= 4.246

CALCULO DE LA EFICIENCIA TRMICA

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Tv = Temperatura de vapor

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CALCULO DEL FACTOR DE ECONOMIA, LA CAPACIDAD EVAPORATIVE Y

LA CAPACIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR

GASTO MASA DE RECIRCULACIN Y CALOR SUMINISTRADO O

ABSORBIDO.

Qabs=MR*Cp*T

CALCULO DE LAS VELOCIDADES DE ENTRADA Y SALIDA

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Calculo del tiempo de recidencia.

CLCULOS EN EL CONDENSADOR

Clculo del agua de condensacion

( )

( )

CALOR SUMINISTRADO Y ABSORBIDO

Qabs=W*Cp*(tsal-tent) =

Qabs=1761.61*1*(37-29) = 14092.9

Qsum= E*v + E*Cp*(Tv-t) =

Qsum= 60.76*559.6 + 60.76*1*(66-53) = 34791.2

CALOR NO APROVECHADO

Qno abs = Qsum Qabs

Qno abs=34791.2-14092.9 = 20698.3

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EFICIENCIA TERMICA

FUERZA IMPULSORA

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

VELOCIDAD DE ENTRADA Y SALIDA DE AGUA DE CONDENSACIN

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TABLA DE RESULTADOS

Evaporador

MA (kg/h) 122.55

MP (kg/h) 64.38

E(kg/h) 60.76

MV(kg/h) 72.5

Qsum (Kcal/h) 38938

Qabs(Kcal/h) 38979

Qno abs (Kcal/h) 4.25

trmica (%) 99.9

T (C) 35.3

U (Kcal/hm2C) 884.98

0.84

CE (kg/hm2) 63.46

CQ (Kcal/hm2) 40709.1

vA (m/s) .487

vS(m/s) .489

R (s) 5.2

Vm(m/s) 0.488

TABLA DE RESULTADOS

Condensador

Qsum (Kcal/h) 34791.2

Qtrans(Kcal/h) 14092.9

Qno abs (Kcal/h) 20698.3

trmica (%) 40.51

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CUESTIONARIO

Cmo se determina el tiempo de residencia de la solucin dentro de los tubos del

evaporador de circulacin forzada?

R=Mediante balances entalpicos

Mencione 3 ejemplos de soluciones que se pueden usar en este evaporador

R= lquidos viscosos, que forman sales, corrosivas

Qu tipo de ebullicin se efecta en este tipo de evaporadores?

R= La ebullicin no se efecta dentro de los tubos

Cmo vara la velocidad de circulacin de la solucin es este tipo de

evaporadores?

R= Es mayor ya que requiere energa cintica

En qu parte del evaporador se efecta la ebullicin y por lo tanto el cambio de

fase de la misma?

R= en el separador ciclnico

Por qu no es necesario precalentar la solucin diluida que se va a concentrar?

R= ya que se alimenta de la recirculacin hacia la calandria

Segn la secuencia de operacin del equipo en qu momento se alimenta vapor?

R= En la segunda etapa despus de que sale todo exceso de la solucion

Cundo se presenta el cambio de fase de la solucin hay un desprendimiento de

gases no condensables y estos se extraen a travs de?

R= Bomba de vaco

La ubicacin del separador por arriba de los tubos por arriba de la calandria, sirve

para evitar que?

R=que la solucin ebulla dentro de la calandria

Como se logra que la temperatura de alimentacin de la solucin casi alcance la

temperatura de ebullicin

R= mediante la recirculacin

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Cmo afecta la bomba de recirculacin el espesor de la pelcula del lado de la

solucin?

R= adelgazando la pelcula modificando las propiedades

Cmo afectan las propiedades de la solucin al pasar esta n veces por el rea de

transferencia de calor?

R=las propiedades cambian hasta llegar al rgimen permanente

Qu tipo de calor se intercambia durante el recorrido de la solucin por el interior

de los tubos?

R= calor sensible que se convierte a latente

En qu momento se tiene la seguridad de que el equipo se encuentra al mximo de

carga?

R= Cuando el indicador de nivel del tanque de producto esta lleno

Cmo es la temperatura de la solucin en la lnea de recirculacin (antes del

mezclado) con respecto a la del tanque de productos?

R= Va a ser diferente hasta que logre el rgimen permanente

OBSERVACIONES Y CONCLUSIN

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Primeramente se observ que la diferencia primordial de este equipo es que la ebullicin no

se lleva a cabo en los tubos, aqu la ebullicin se lleva a cabo en el separador ciclnico,

debido a un cambio sbito de presin, a lo que se conoce como flasheo.

Esta diferencia de presin es lograda, al mantener el separador un poco ms arriba que la

calandria, esto fue fcilmente observable ya que los separadores de otros equipos se

mantenan abajo, mientras que el del circulacin forzada se encontraba arriba, lo que

proporcionaba generar la columna hidrosttica, que impeda la ebullicin de la solucin

dentro de los tubos.

Tambin en este equipo se encuentra que hay una recirculacin de solucin concentrada, el

porcentaje de solucin recirculada permita suministrar calor a la solucin diluida fresca

alimentada.

En esta prctica la sustancia usada fue agua por lo cual no se pudieron observar

caractersticas muy valiosas que se denotan cuando verdaderamente existe un soluto

disuelto.

En estos tipos de evaporadores tendramos que tener un coeficiente global de transferencia

de calor (U) mayor al de circulacin natural, por lo no son aptos para soluciones que se

degradan muy fcilmente por la accin del calor, ya que al estar recirculando

constantemente un porcentaje de solucin concentrada, esta puede ser daada

trmicamente.

El tiempo de residencia en estos equipos es comparativamente mayor al de circulacin

natural, esto es fcilmente verificable en las velocidades de entrada y salida de la solucin,

las cuales son mayores a las de circulacin natural.

La eficiencia mostrada en este equipo debera ser menor al de circulacin natural, debido a

que existen perdidas de calor, las causas bsicamente pueden ser la formacin de

incrustaciones en los tubos, lo cual disminuye la eficiencia de transmisin de calor, pero

como los termopares del equipo puede que estn ya sin hacer un buen funcionamiento,

corremos el riesgo que no marquen las temperaturas que deberan ser ya que en este caso

nuestra eficiencia es del 99% y en el condensador si es muy baja con solo el 41%.

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