Pre-Informe FSC Evaporador

8/10/2019 Pre-Informe FSC Evaporador

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DEPARTAMENTOINGENIERA QUMICA Y AMBIENTAL

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LABORATORIO DE FLUIDOS, SLIDOS Y CALORPre Informe Prctica: Evaporacin simple y doble efecto arreglo a contracorrienteFecha de Entrega: (250414)

Integrantes Subgrupo: ACdigo: 244881

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OBJETIVOS.

Para las condiciones de operacin de 1 atmsfera y 8 pulgadas de vacio en el cuerpo del evaporadory presiones del vapor vivo de 10 y 8 psi:

Calcular los coeficientes de transferencia de calor para el vapor vivo y el fluido que seevapora.

Analizar el resultado obtenido contra lo presentado en la literatura.

Realizar un balance de energa total (calor real trasferido y prdidas por radiacin yconveccin libre) para el equipo.

Calcular la economa de la evaporacin y la capacidad del equipo.

Comparar y analizar los resultados obtenidos para las dos formas de evaporacin realizadas,bajo las diferentes condiciones de operacin establecidas.

MARCO TERICO

Generalmente, un evaporador consiste en un intercambiador de calor, mediante el cual se lleva unlquido a vapor, y un dispositivo mediante el cual se separa la fase vapor del lquido en ebullicin.

Existen evaporadores de pelcula ascendente y de pelcula descendente, as como de circulacinforzada y de pelcula agitada. Para la prctica se trabajar con un evaporador tubular calentado convapor de agua, de simple efecto y doble efecto en arreglo a contracorriente.

EVAPORACIN SIMPLE

Balance de materia

Para el procedimiento trabajado, se tiene un lquido que se alimenta, F. para este alimento, se asumeun estado de entrada como lquido saturado, puesto que segn las condiciones que se tienennicamente se cuenta con la temperatura de entrada (T ambiente) para definir su entalpa. Se tieneun vapor que se alimenta al evaporador, el cual se denomina vapor vivo, para diferenciarlo del vaporque se produce del mismo, y finalmente el vapor de salida, que corresponde al lquido alimentado quea travs del evaporador resulta como vapor saturado. El balance global de materia sera as:

En la ilustracin 1, se puede ver un esquema general de los balances msicos y de entalpa para elevaporador. Puesto que el fluido trabajado es agua, no se tiene una solucin concentrada o diluida.


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Dnde:

= Masa de agua que se vaporiza en el segundo efecto. = Masa de vapor vivo alimentado al evaporador del primer efecto.

Capacidad del equipo

La capacidad del equipo se define como los kilogramos de agua convertida a vapor por hora, es

decir, la cantidad de calor transferido por hora, se define como la capacidad del equipo:

Para el caso del vapor vivo, corresponde a la diferencia entre la temperatura media del vapor vivoy la temperatura de ebullicin del agua en el evaporador, que segn se reporta es deaproximadamente 93 C

El valor obtenido para el coeficiente de transferencia global se pueden obtener partir de los valorespresentados en la Figura 2, en donde se presenta una grfica para distintos agua tratada y agua sintratar, a distintas temperaturas.


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Si la solucin final est demasiado concentrada, se aumenta la velocidad de alimentacin y viceversa;entonces, la solucin final alcanzar un nuevo estado estacionario a la concentracin deseada.

Coeficientes de transferencia de calor para el vapor vivo y el fluido que se evapora.

Como se expres anteriormente para el caso de evaporacin simple, se resuelve para el coeficientede transferencia de calor hvapor:

Donde,

= rea de transferencia de calor. Formada por 22 tubos de cobre de 48 cm de longitud til y

dimetro interno de 35 mm. ( , en unidades consistentes).= temperatura del condesado (primer producto condensado)= temperatura del lquido en el evaporador.

Para hallar el coeficiente de transferencia de calor para el lquido, se desarrolla la misma expresinpara el caso de evaporacin simple, pero se evala hlquidoen el segundo evaporador:

Dnde:

= rea de transferencia de calor. Formada por 24 tubos con dimetro interno de 1,125 pulg yespesor 1,5 mm. Posee un tubo central de 3,75 pulg de dimetro interno y 2 mm de espesor. Longitud48 cm.

= temperatura del segundo condesado.= temperatura del lquido a la entrada del segundo evaporador

Balance de energa total

Figura 3. Diagrama de un evaporador de doble efecto a contracorriente


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Realizando un balance de energa en el esquema anterior, para las corrientes de entrada y salida, se

obtiene lo siguiente:

Despejando el calor transferido y ampliando la expresin:

Donde,

= masa de la corriente en estudio= entalpa especifica de la corriente en estudio

Las mediciones pertinentes de los productos de condensacin, permiten realizar un balance de masay por ende conocer los involucrados en el balance de energa; las entalpas especificas requierende las definiciones de estado de las corriente, las cuales se conocen por medios de instrumentos quelo permiten o por condiciones ya fijadas para el proceso de evaporacin.

Desarrollando este balance de energa, se puede obtener el calor, el cual se refiere a la energaprdida que se transfiere en forma de radiacin y de conveccin libre hacia el ambiente.

Economa de la evaporacin y la capacidad del equipo.

Economa

El principal factor que influye sobre la economa de un evaporador es el nmero de efectos. Medianteun diseo adecuado, la entalpa de vaporizacin del vapor de agua que entra en el primer efectopuede utilizarse una o ms veces dependiendo del nmero de efectos. La economa tambin estinfluenciada por la temperatura de la alimentacin. Desde el punto de vista cuantitativo la economade un evaporador es totalmente una cuestin de balances de entalpa.

El flujo del vapor vivo se mide con un balde y un cronmetro en el que se recoge el condensado dedicho vapor que sale del primer efecto (se asume que todo el vapor se condensa).

Para conocer la cantidad de vapor que se obtiene en el proceso, el vapor que sale del segundo efectose condensa y es recolectado en un tanque, el cual cuenta con una escala que muestra cmo vara elnivel dentro del mismo.

Se tiene entonces, la siguiente expresin:

Dnde:

= Masa de agua que se vaporiza en el segundo efecto. = Masa de vapor vivo alimentado al evaporador del primer efecto.

Capacidad del equipo

La capacidad del equipo se define como los kilogramos de agua convertida a vapor por hora.La cantidad de calor transferido por hora en el primer efecto de un evaporador de doble efecto, est


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dado por la siguiente expresin:

Si parte de este calor que va a calentar la alimentacin hasta el punto de ebullicin se desprecia,puede decirse de manera aproximada, que todo el calor latente del vapor de agua que se condensaaparece como calor latente en el vapor que se produce. Por tanto todo el calor consumido en elprimer efecto, ser cedido cuando este vapor condense el segundo efecto.El calor transmitido en el segundo efecto viene dado por la ecuacin:

La capacidad de un evaporador de doble efecto ser entonces:

DondeU1 y U2, corresponde a los coeficientes globales de transferencia de calor en cada equipo.Q1= flujo de calor entregado por el vapor vivoQ2= flujo de calor entregado por el primer efecto

A= rea de transferencia de calor, ya ha sido especificada anteriormente.T1 = Tv-Tv1 (Temperatura del vapor vivo saturado temperatura de vapor en el primer

intercambiador).

T2 = Tv1-Tv2 (Temperatura de vapor en el primer intercambiador temperatura de vapor en elsegundo intercambiador)

Consumo de vapor

Se determina como se expres para evaporacin simple

Eficiencia del evaporador

La eficiencia del evaporador puede definirse como la relacin entre cantidad de calor aprovechadorespecto a la cantidad de calor entregado al evaporador. Si se analiza en trminos del calor perdido yel flujo de calor, se puede expresar de la siguiente forma:

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para efecto simple:

1. Verificar cuales de las vlvulas del sistema deben permanecer abiertas y cuales cerradas.

2. Colocar la caneca para la recepcin del condensado, tarando la balanza.


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3. Alimentar vapor de agua de la caldera manteniendo la presin constante durante la prctica,

en el valor previamente definido.4. Abrir la vlvula que da paso al flujo de agua hacia la bomba de vaco. Una vez verificado que

efectivamente pasa agua por la bomba, se debe encender esta y establecer la presin de

vaco de 8 pulgadas.

5. Alimentar el vapor de agua y mantener la presin en 10 y 8 psi.

6. Cuando la temperatura de agua se aproxime al punto de ebullicin de 10 o de 8 psi, segn se

est realizando, debemos cerciorarnos de que el nivel de lquido a evaporar en ambos

intercambiadores permanezca constante con el controlador de flujo. En el caso de que el

controlador no opere correctamente se debe suministrar agua de refrigeracin al condensador

manualmente abriendo la vlvula que da paso al lquido.

7. Una vez se estabiliza el sistema, tomar los datos correspondientes a la prctica, vistos en la

tabla de toma de datos.8. Modificar la presin de vapor suministrado, cuando el sistema se estabilice volver a tomar los

datos necesarios, temperaturas y presiones.

9. Una vez finalizada la toma de datos llevar el equipo a presin atmosfrica, apagando la

bomba de vaco y abriendo lentamente la vlvula que conecta el tanque de condensado con

la atmsfera.

10. Esperar a que el sistema se vuelva a estabilizar y empezar con la toma de los datos

correspondientes.

Para doble efecto a contracorriente:

El procedimiento es similar al de efecto simple, difiere en que hay que colocar dos canecas, una a la

salida de cada evaporador para recoger los dos condensados con sus respectivas balanzas taradas,y hay que cambiar la posicin de las vlvulas para obtener alimentacin de agua en contracorriente.

Variables a ser controladas.

Presin de vaco de la bomba.

Presin de vapor de agua.

Variables a ser medidas.

Altura de los tanques de condensados.

Tiempo Temperatura del agua en el evaporador


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FORMATOS DE TABLAS Y GRFICOS:

Para efecto simple.

8 psi

Tiempo (s)

Masa tanque vapvivo condensado

(kg)

Nivel tanquevapor salida (in)

Masa tanquevapor salida

(kg)

T vapvivo(C)

T vapsalida(F)

P vapvivo

(psig)

T agua(C)

10 psi

Tiempo (s)

Masa tanque vapvivo condensado

(kg)


Masa tanquevapor salida

(kg)

T vapvivo(C)

T vapsalida(F)

P vapvivo

(psig)

T agua(C)

Para efecto doble a contracorriente:

8 psi

Tiempo (s)

Masa tanquecondensado 1

(kg)



(kg)

T vapvivo(C)

T vapsalida(F)

P vapvivo

(psig)

T agua(C)


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10 psi

Tiempo (s)


(kg)



(kg)

T vapvivo(C)

T vapsalida(F)

P vapvivo

(psig)

T agua(C)

BIBLIOGRAFA BSICA:

Warren L. McCabeJulian C. SmithPeter Harriot (2005): Operaciones unitarias en ingeniera

qumica (4 ed). Cap 16, pp 497-520.

C.J Geankopolis. (3 ed) Procesos de transporte y operaciones unitarias cap 8. pp 547-560.

Y.A cengel, transferencia de calor, Mac Graw Hill (3 ed).

ANEXOS:

Esquema 1. Equipo de evaporizacin


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Efecto senci l lo

Arreglo f lu jo en contracorr iente

Diagramas de flujo de procedimiento.

Verificarvlvulas

Colocarcaneca pararecepcin de

condensado

Alimentar vaporde agua,

manteniendo

presin constante.

Dar paso al flujo de

agua desde la bomba

y ajustar presin.

Esperar a que se

estabilice el

sistema, abrir

vlvula de

refrigeracin.

Tomar datosModificar presin y

volver tomar datos


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