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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CHIHUAHUA http://www.fcq.uach.mx/images/logo-web.png

Facultad de Ciencias Químicas

Operaciones Unitarias II

Concentración de Azúcar en un Evaporador de Efecto Simple de Capa Ascendente.

http://www.explorearmfield.com/data/ft22/images/ft22_schematic.jpg

Profesor: Iván Salmerón Ochoa

Alejandra Gómez Castañeda 241912; Verónica de los Santos Torres 241985; Katya Itzel Franco Cabrera 226292; Eider Pedro Aparicio Martínez 267169; Amaris Aidé Jurado Hernández 235841; Adriana Contreras Navarro 205773; Aracely Acosta Torres 236060

9/ Marzo/ 2013

ÍNDICE

Resúmen…………………………………………………………………………………3

Introducción……………………………………………………………………………...3

Materiales y método……………………………………………………………………..5

Resultados y discusiones………………………………………………………………6

  • Cálculos…………………………………………………………………………..9

Conclusiones……………………………………………………………………………14

Bibliografía……………………………………………………………………………...14

RESUMEN

Una de las operaciones unitarias más importantes de transferencia de calor y de las más frecuentes en la industria es la evaporación. Con un evaporador simple de capa ascendente se investigó la concentración de una solución de azúcar por evaporación y se obtuvo un balance de masa, en el cual se consideró que el evaporador operó en estado estable. Durante la práctica se notaron algunas irregularidades en el equipo, como la calibración de los termopares. Se notó que a una temperatura de 40°C se obtuvo la mayor concentración en la disolución de concentrado que fue de 4.45 grados brix, mientras que a las temperaturas de 50, 60 y 70°C la concentración se mantuvo constante. Se discutió la importancia de la buena calibración del equipo y la importancia del efecto de la temperatura enel evaporador para obtener una mayor concentración en el producto.

INTRODUCCION

Un ejemplo muy importante de este tipo de transferencia de calor, bastante frecuente en las industrias de proceso, es el que recibe el nombre general de evaporación. En la evaporación se elimina el vapor formado por ebullición de una solución liquida de la que se obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.

Entre los ejemplos típicos de proceso de evaporación esta la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. En estos casos, la solución acuosa es el producto deseado y el agua evaporada suele desecharse. Entre otros, el agua que contiene pequeñas cantidades de minerales se evapora para obtener agua libre de sólidos que se emplea en la alimentación de calderas, para procesos químicos especiales, o para otros propósitos. Ocasionalmente, el principal objetivo de la evaporación, consiste en concentrar una solución de manera que al enfriarse ésta se forme cristales que puedan separarse.

FACTORES DE PROCESO

  1. Concentración en el líquido. Por lo general, la alimentación liquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad es bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia arriba para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.

  2. Solubilidad. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución.

  3. Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando esta sube o el calentamiento es muy prolongado. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y el tiempo.

  4. Formación de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones causticas, soluciones de alimentos y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición, esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir perdidas del material.

  5. Presión y temperatura. El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termosensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es al vacío.

  6. Formación de incrustaciones y materiales de construcción. Algunas soluciones depositan materiales sólidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión. (C. J. Geankoplis)

Un evaporador de película ascendente consta de una calandria de tubos dentro de una carcasa, la bancada de tubos es más larga que en el resto de evaporadores(10-15m). El producto utilizado debe ser de baja viscosidad debido a que el movimiento ascendente es natural. Los tubos se calientan con el vapor existente en el exterior de tal forma que el líquido asciende por el interior de los tubos, debido al arrastre que ejerce el vapor formado. El movimiento de dichos vapores genera una película que se mueve rápidamente hacia arriba.
En estos tipos de evaporadores la alimentación se produce por la parte inferior del equipo y la misma asciende por los tubos.


El principio teórico que tienen estos evaporadores se asimila al 'efecto sifón', ya que cuando la alimentación se pone en contacto con los tubos calientes, comienza a producirse la evaporación, en donde el vapor se va generando paulatinamente hasta que el mismo, empieza a ejercer presión hacia los tubos, determinando de esta manera, una película ascendente. Esta presión, también genera una turbulencia en el producto que está siendo concentrado, lo que permite mejor la transferencia térmica, y por ende, la evaporación

En estos evaporadores existe alta diferencia de temperaturas entre la pared y el líquido en ebullición. Cabe mencionar que la altura de los mismos es limitada, ya que la capacidad del vapor en arrastrar la película formada hacia la parte superior del equipo no es suficiente y determina la altura máxima posible para el diseño.

Son evaporadores en los cuales se puede re circular el producto concentrado, donde el mismo es enviado nuevamente al interior del equipo, y de esta forma, asegurar un correcto caudal de alimentación.(2)

OBJETIVO

Calcular concentración de azúcar en una solución por evaporación y obtener el balance de masa basado en los datos.

MATERIALES Y REACTIVOS

Evaporador de película ascendente (armfield), refractómetro, termómetro, vaso de precipitado (50ml), 2 recipientes de 20 L, hielo, azúcar (820g), agua (20L).

MÉTODO

Se prendió la caldera con dos horas de anticipación. Se preparó una solución al 4% con 820g de azúcar en 20 litros de agua. Se programaron las condiciones de operación en el equipo que fueron de 0.75atm de vapor saturado y un flujo de alimentación de 10 L/h. Se agregó la solución en el tanque de alimentación. Se registraron las temperaturas en un intervalo de 5 minutos durante media hora. Fueron realizadas cuatro corridas a 40°C, 50°C, 60°C y 70°C. Una vez efectuadas las lecturas se retiró la solución y se limpió con agua.

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Las condiciones de operación en el equipo inicialmente fueron reguladas a una velocidad de alimentación de 10L/h, y a 0.75 atm del vapor saturado. Se pretendía trabajar con 1 atm de presión, pero al haber un desajuste al conectar la manguera del vapor se controló mejor a esa presión.

Tt

tp

ta

62.14

40

37.71

71.14

50

46.57

78.57

60

51.14

88.29

70

59.14

Se estuvieron tomando muestras de la alimentación cada cinco minutos para tomar registro de la temperatura de alimentación, ya que se notaron irregularidades en el dato que arrojaba el tablero del evaporador y la temperatura real de la alimentación, además de que había una variación entre la temperatura tomada con el termómetro y la que se ajustaba en el precalentador, como se muestra en la siguiente tabla:

TABLA 1. Registro de temperaturas promedio (°C) dónde Tt= temperatura que arroja el tablero, Tp= temperatura de condición de operación a que se ajustó y Ta= temperatura real de alimentación (obtenida con termómetro).

Se calculó un porcentaje de error en la temperatura real y la que arrojó el tablero y se obtuvo un 35% de error aproximadamente, mientras que entre la temperatura a la que se reguló y la real hubo un error aproximado de 10%, por lo que se supuso una mala calibración de los termopares. Para los cálculos se utilizó la temperatura obtenida con el termómetro.

Se omitió el reflujo para esta práctica, ya que no se pudo regular el flujo de retroalimentación.

Por un intervalo de 5 minutos se registró concentración del condensado y temperaturas por media hora para cada temperatura obteniendo los siguientes datos:

tiempo

C

T3

T7

0

4

105

104

5

4

102

105

10

4

106

106

15

4

106

106

20

4.8

106

106

25

4.9

107

106

30

5

107

103

promedio

4.45

105.57

105.14

TABLA2. Datos a 37.71°C donde C = concentración (brix), T3= temperatura de vapor saturado (°C) y T7= temperatura que entra al condensador (°C)

tiempo

C

T3

T7

0

4

107

100

5

4.1

107

103

10

4.2

106

104

15

4.2

104

106

20

4.3

107

105

25

4.3

108

107

30

4.3

105

100

promedio

4.2

106.29

103.57

TABLA 3. Datos a 46.57°C

tiempo

C

T3

T7

0

4

108

107

5

4.2

108

108

10

4.2

108

108

15

4.2

108

108

20

4.2

108

108

25

4.3

108

108

30

4.3

108

108

promedio

4.2

108

107.86

TABLA 4. Datos a 51.14 °C

tiempo

C

T3

T7

0

4

108

108

5

4.2

108

108

10

4.2

108

108

15

4.2

108

107

20

4.2

108

108

25

4.3

108

108

30

4.3

108

108

promedio

4.2

108

107.86

TABLA 5. Datos a 59.14°C

Al calcular F (alimentación) según el volumen obtenido de concentrado y condensado, se obtuvieron valores menores al esperado, ya que se había regulado a 10 L/h y se obtuvieron en promedio 6.65 L/h de alimentación, eso se debió a que había que estar regulando constantemente el flujo y no fue posible mantenerlo constante.

Para verificar se calculó el coeficiente de transferencia de calor, se obtuvieron valores negativos, se supuso la posibilidad de que los termopares en el punto T3 estuviera mal calibrado.

A una temperatura de 37°C se obtuvo la mayor concentración ( de 4% a 5%). En las corridas posteriores el aumento fue de 4% a 4.2%, lo que se atribuyó a que la temperatura no llegó a los 60°C por lo que las concentraciones y condiciones en general son muy parecidas.

CÁLCULOS

Para la corrida con temperatura de alimentación de 40 °C.



CÁLCULOS

Para la corrida con temperatura de alimentación de 50 °C.



CÁLCULOS

Para la corrida con temperatura de alimentación de 60 °C.



CÁLCULOS

Para la corrida con temperatura de alimentación de 60 °C.





CONCLUSIONES

Teóricamente con el incremento de temperatura, debió haber un aumento de concenración, lo cual no se pudo lograr ya que el equipo trabajó en un lapso de 2 horas con temperaturas muy similares entre 50 y 60°C.

La calibración del equipo es importante para tener el registro de datos más precisos y no cometer errores al momento de hacer los cálculos. Al obtener coeficientes de tranferencia de calor negativos, se concluyó que era posible que el termopar que da la temperatura del vapor estuviera mal calibrado, al igual que el que arroja la temperatura de alimentación.

BIBLIOGRAFÍA

  1. C.J. Geankoplis.” PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS”. Capítulo 8 Evaporación., ed. 3 Ed.Continental.,Págs 545-546

2. http://senaevaporadores.blogspot.mx/2007/11/evaporador-de-pelicula-ascendente.html


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