evaporadores practica

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 PROBLEMA 1

Una disolución acuosa de un coloide orgánico se hace concentrar desde el 10% al 40 % en un evaporador simple a razón de 15000 Kg/h. El vapor de calefacción es vapor de agua saturado a 2 atm y abandona la cámara de condensación a la temperatura de condensación.  En la cámara de evaporación evaporación se mantiene una presión absoluta de 150 mmHg. El calor  calor  de dilución y la pérdida de calor al exterior por convección y radiación son despreciables. El coeficiente integral de transferencia de calor vale 2000 kcal/m 2h °C y el calor específico de la alimentación alimentación es Cp=0,9 Kcal/Kg Kcal/Kg °C .  La disolución puede entrar al evaporador evaporador a : 20°C , 50 °C, 80°C.  Determínese para cada una de las condiciones condiciones de entrada : a) Con Consumo de vapor vivo b) Supe Superf rfic icie ie de cal calefac efacci cio on c) Economía del proceso

BALANCE DE MASA (Kg / h) Total

sólido

liquido

15000

1500

13500

3750

1500

2250

Solución diluida

Producto concentrado

Agua evaporada 11250

11250

BALANCE ENTALPICO: Cámara de evaporación Pabs = 150 mmHg = 0,20 Kg/cm 2

Teb = 60°C

Cámara de condensación Pabs = 2 atm = 2 Kg/cm2

Tcond = 119,6 °C

=Hv - hl =(645,8 –119,87) Kcal/Kg = 526 kcal/Kg

W  = a)

 E .l evap  F .Cp.(t e  t  f  ) l W 

W 20

= 13079

Kg / h

W 50

= 12298

Kg / h

=

11250 .563 ,5  15000 .0,9(60  t  f  ) 526

W 80

= 11539

Kg / h

b)

 A =

c)

Q U .T 

=

W .l  U .T 

 A20  A50

=

2

58 m 2 = 54 m

 A80

= 51 m

2

Economia de evaporación =

 E 20

=

0,86

 E 50

=

0 92

Cantidad de agua evaporada(E) Vapor de calefacció n suministra do(W)

 E 80

=

0,98

ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

Mientras que procede la evaporación, el licor que permanece en el evaporador se concentra y su punto de ebullición se eleva

El grado de la elevación del punto de ebullición depende de la naturaleza del material que es evaporado y de los cambios de la concentración La elevación del punto de ebullición se puede calcular por la ley de Raoult: T  = kx 

donde:

T  :

es la elevación del punto de ebullición

 x  : es la

fracción molar del soluto

k: es un constante de proporcionalidad.

• La presencia de solutos provoca un incremento en el punto de ebullición

Disoluciones acuosas T   E (º C ) =

0,51 m

m = molalidad de la disolución Disoluciones acuosas T  E  (º C ) =

1000 K e X   M S

 X  = Kg soluto / Kg disolvente  Ms = masa molecular del soluto Zumos 0,029 0,113 (0,03889C  6,52.10 4 C 2 )

T   E  = 0,04904 C 



P

e

C  = Concentración de la disolución(º Brix)

P = Pr esión (mbar )

Para las disoluciones iónicas las desviaciones experimentales son grandes. En la práctica para el cálculo del incremento del punto de ebullición hacemos uso de la regla de Durhing.

Regla de Durhing: si se representa el punto de ebullición de una disolución frente a la temperatura de ebullición del disolvente los puntos correspondientes a distintas presiones caerán sobre una recta (Diagrama de Durhing para el NaCl)

Gráficos de Dühring Zumo de tamarindo 80     )    C    °     (    s    o    m    u 70    z    s    o     l    e    d    n     ó    i    c    i 60     l     l    u     b    e    e    d    a    r    u    t 50    a    r    e    p    m    e    T

40

62,1% 54,8%

43,1% 30,7% 20,2%

45

55

65

75

Diagrama de Durhing para el Na(OH) 250

25

50

75

100

125

225

225

   C    °  ,    n 200     ó    i    c    u 175     l    o    s    a     l 150    e    d    n 125     ó    i    c    i     l     l    u 100     b    e    e 75    d    a    r    u    t 50    a    r    e    p 25    m    e    T 0

150250

200 175 150 125 100 75 50

25

25

50

75

100

125

150 0

Teb disolución = f(Teb agua, %peso)

Gráficos de Dühring Soluciones acuosa de sacarosa 125     )    C    °     (    n     ó    i    c    u     l    o 100    s    a     l    e    d    n     ó    i    c    i     l     l    u     b 75    e    e    d    a    r    u    t    a    r    e    p    m    e    T 50

50

g sacarosa 100 g agua

75

100

1.00 0 800 600 400 200

250 60 240

70

80

70

80

230 220 210 200 190 180 170    n160 DIAGRAMA ENTALPÁ     ó    i 150    c    u140 CONCENTRACIÓN DEL     l    o SISTEMA Na(OH)-H2O    s 130    g120    K     /     l 110    a100    c    K  , 90    a 80     í    p     l 70    a    t 60    n    E 50 40 30 20

200º C 190º C

180º C 170º C

160º C 150º C

140º C

130º C 120º C

110º C

100º C 90º C

80º C

70º C

60º C 50º C

40º C 30º C 20º C

10

0 0

10º C

10

20

30

40

50

60

% en peso de Na(OH)

EJEMPLO 2:

En un evaporador simple se encuentran 2000 Kg/h de una disolución desde el 10% hasta el 50% en peso. El vapor de calefacción es vapor saturado a 1,6 atm y en la cámara de evaporación se mantiene una presión absoluta de 450 mmHg. Para la disolución del 50% el incremento en el punto de ebullición es de 10°C y el calor especifico de la disolución diluida es 0,85 Kcal/Kg°C. Considerando despreciables de los efectos termicos de dilución, hidratación, etc, determínese el consumo horario del vapor y la superficie de la calefacción necesaria, si la disolución entra en el evaporador a 25°C y el U=1800 Kcal/m2h°C

BALANCE DE MASA (Kg / h) Total

sólido

liquido

20000

2000

18000

4000

2000

2000

Solución diluida

Producto concentrado

Agua evaporada 16000

16000

BALANCE ENTALPICO: Cámara de evaporación Pabs = 450 mmHg = 0,61 Kg/cm 2

Teb = 85,45°C

Si no hubiera incremento en el punto de ebullición la disolución herviría A 86°C . Como hay un incremento de 10°C en el punto de ebullición la disolución hierve a 96°C

La entalpía del vapor generado=He=[ 548 + (0,46x10)]Kcal/Kg=552,6Kcal/Kg

Cámara de condensación

Pabs = 1,6 atm = 1,65 Kg/cm2

Tcond = 112,73 °C

=Hv - hl =(643,5  –112,89) Kcal/Kg = 530,6 kcal/Kg

W  =

 E . He  F .Cp.(t e  t  f  ) l W 

W  = 18900Kg / h  A =

Q U .T 

=

W .l  U .T 

 A = 334 m

2

=

16000 .551,6  20000 .0,85 (96  25 ) 530 ,6

Ejemplo 3

En un evaporador simple se tratan 15000 Kg/h de una disolución de NaOH al 10% que ha de concentrarse hasta el 50% en peso. El vapor empleado como medio de calefacción es vapor saturado a 3,5 atm y una vez condensado sale a la temperatura de condensación. El vacío mantenido en la cámara de evaporación es de 620 mmHg referido a la presión atmosférica normal. El coeficiente integral de transferencia de calor vale 1600 Kcal/m 2h°C . Si la alimentación entra a 40°C y no se pierde calor al exterior, calcular: a) Consumo horario de vapor de calefacción b) Superficie de calefacción c) Economía

BALANCE DE MASA (Kg / h) Total

sólido

liquido

15000

1500

13500

3000

1500

1500

Solución diluida

Producto concentrado

Agua evaporada 12000

12000

Ejemplo 4 Una disolución de NaOH se concentra desde el 8% hasta el 25% en peso en un evaporador simple a razón de 3000 Kg/h. Antes de entrar la disolución en el evaporador se calienta en un cambiador de calor hasta 70ºC, empleando como medio de calefacción el condensado que sale de la cámara de condensación. Para la calefacción del evaporador se emplea vapor saturado 108ºC manteniéndose la cámara de evaporación a la presión absoluta de 90 mmHg. Determínese el coeficiente integral de transmisión de calor U sabiendo que la superficie de calefacción es de 20 m2.