informe minievaporador

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER  Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos PRÁCTICA # 1: MINIEVAPORADOR  INFORME DE LABORATORIO  Victor A. Guerrero Guerrero Quintero1, Mónica L. Rojas Flórez 2, Everth A. Vargas Rubio 3 1 Cód. 2063454, 2Cód. 2063246,3Cód. 2073829 GRUPO N° 4 RESUMEN Mediante el uso de un minievaporador compuesto por un minievaporador, un condensador y un equipo de termosifón, se concentró una solución azucarada preparada previamente. Se registraron las temperaturas de las corrientes del proceso y los volúmenes de condensado obtenidos en distintos tiempos, se tomaron muestras de la solución que se iba concentrando con el paso del tiempo y se hizo una análisis de las concentraciones obtenidas de dichas muestras. Mediante balances energéticos se calcularon las pérdidas de calor y la eficiencia del evaporador y el condensador. También se cálculo la razón de recirculación recirculación y se hizo estudio del efecto termosifón del equipo. 1. INTRODUCCIÓN Los procesos de transmisión de calor acompañados por un cambio de fase son

frecuencia que se considera como una operación individual, que se denomina evaporación. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en

contrario. Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están 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 concentrada es el producto deseado y el agua evaporada suele desecharse. En otros, el agua que contiene pequeñas pequeñas cantidades de minerales minerales se evapora para obtener agua libre de sólidos que se emplea en la alimentación de calderas, para procesos pro cesos químicos especiales, o para otros propósitos. Actualmente se están desarrollando y usando procesos de evaporación de agua de mar para obtener agua potable. Características del Líquido La solución práctica a un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. Precisamente es la gran variedad de características de dichos líquidos (que demanda criterio y experiencia en el diseño y operación de evaporadores) lo que amplía esta operación desde una sencilla transmisión de calor hasta un arte separado. A continuación se comentan

puede también aumentar considerablemente considerablemente al aumentar el contenido de sólido, de forma que la temperatura de ebullición de una disolución concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presión. 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. En la mayoría de los casos, la solubilidad de la sal aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solución concentrada caliente que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalización. Formación de espumas: En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada 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 pérdidas de material.

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. Formación de incrustaciones y materiales de construcción: Algunas soluciones depositan materiales solidos 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. Tipos de evaporadores En un evaporador usualmente, el calor es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de agua) en contacto con una superficie metálica, con el líquido del otro

ciertos equipos se usan paletas raspadores para agitar el líquido.

o

Evaporador de tubos horizontales con circulación natural: El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos. En casi todos los casos, tanto este evaporador como los que se estudian después operan con régimen continuo, con alimentación a velocidad constante y salida de concentrado a velocidad constante.

Evaporador vertical con circulación natural: En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido está dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el líquido se eleva en los tubos por circulación natural, tal como se muestra en la figura 2, y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. No es útil con líquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos. Una variación de este modelo es el evaporador de canasta, que usa tubos verticales, pero el elemento de calentamiento se cuelga en el cuerpo, de tal manera que haya un espacio anular que sirva de bajada. El modelo de canasta difiere del evaporador vertical de circulación natural, pues éste tiene un espacio central en vez del anular como bajada. Este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azúcar, la sal y la sosa cáustica.

velocidades altas para el líquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos el líquido está en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el líquido pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo. En algunos casos, como cuando la relación entre la velocidad de alimentación y la velocidad de evaporación es baja, puede emplearse recirculación natural del producto a través del evaporador, añadiendo una conexión de tubería entre la salida del concentrado y la línea de alimentación. Éste es un método muy común en la producción de leche condensada.

de frutas, debido a que el tiempo de retención es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de transferencia de calor es alto. Evaporador de circulación forzada: El coeficiente de transferencia de calor de la película líquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubos verticales largos de la figura 4 añadiendo una tubería conectada a una bomba entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los tubos largos, tal como se ilustra en la figura 4. Además, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.

que contiene un agitador interno. El líquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de película turbulenta por la acción de aspas de agitación vertical. La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior.

Figura 5. Agitador de película agitada

Este tipo de evaporador es práctico para materiales muy viscosos, pues el coeficiente

evaporador. Realizaremos los cálculos necesarios para el balance, además comentaremos sobre en qué consiste la evaporación y lo que sucede en la misma, equipos de evaporación, métodos de evaporación. Además hablaremos sobre algunos puntos extras como lo son los factores de proceso en la operación de evaporadores. Equipo usado en la práctica Para el desarrollo de esta práctica se hizo uso de un Minievaporador de película ascendente, en el cual se concentró una solución de agua azucarada. Los principios y características con las que opera este equipo se describen a continuación. Un evaporador de película ascendente consta de una calandria de tubos dentro de una carcasa. 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

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. El método bajo el cual opera el minievaporador es el de efecto simple, el cual se describe a continuación. De acuerdo la figura 6 la alimentación entra a T F y en la sección de intercambio de calor entra vapor saturado a TS. El vapor condesado sale en forma de pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador está completamente mezclado, el producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura T1, que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura del vapor también es T1, pues está en equilibrio con la solución en ebullición. La presión es P 1, que es la presión de vapor de la solución a T1. Si se supone que la solución a evaporar

transferencia de calor,  A es el área de transferencia de calor, T s  es la temperatura del vapor que se condensa y T 1  es el punto de ebullición del líquido.

reduce la capacidad para un valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para calentar la alimentación no está disponible para la evaporación. Por el contrario, si la alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición en el espacio de vapor, una parte de la alimentación se evapora espontáneamente mediante equilibrio adiabático con la presión del espacio de vapor y la capacidad es superior a la correspondiente a q . Economía de un evaporador

Figura 6. Diagrama simplificado de un evaporador de efecto simple

Los evaporadores de efecto simple se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña o el costo del vapor es relativamente barato comparado con el costo del evaporador. Balances y parámetros de diseño en evaporadores de efecto simple. Las principales características de funcionamiento de un evaporador tubular

El principal factor que influye sobre la economía de un evaporador es el número de efectos. La economía también está influenciada por la temperatura de la alimentación. Si la temperatura es inferior a la de ebullición en el primer efecto, para el calentamiento de la carga se utiliza una parte de la entalpía de vaporización del vapor de agua y solamente una parte queda disponible para la evaporación. Si la alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición, la vaporización súbita que se produce contribuye a generar una evaporación adicional a la producida por la condensación del vapor de agua.

de flujo de vapor hacia el condensador, suponiendo que no precipitan sólidos del líquido, es ̇   ̇. Por otra parte, sea Ts, la temperatura de condensación del vapor de agua, T la temperatura de ebullición del líquido en el evaporador, y Tf la temperatura de la alimentación.

  ̇      ̇   Donde,  = velocidad de transmisión de calor a través de la superficie de calefacción desde el vapor de agua = entalpía específica del vapor de agua = entalpía específica del condensado   = calor latente de condensación del vapor de agua ̇= velocidad de flujo del vapor de agua El balance de entalpía para el lado de la disolución es   ̇  ̇  ̇    ̇  Donde,  = velocidad de transmisión de calor desde la superficie de calefacción hacia el líquido = entalpía específica del vapor  = entalpía específica de la disolución

      Si el calor específico de la disolución diluida se supone constante para el intervalo de temperatura comprendido entre      ̇  (   )  Por otra parte   (̇  ̇)  

 Aplicaciones     

 Algunos ejemplos típicos de líquidos aptos para evaporadores de película ascendente son:

Donde,   = calor específico de la disolución diluida   = calor latente de vaporización desde la disolución concentrada. Si la elevación del punto de ebullición es despreciable, puede considerarse     . Finalmente, combinando las ecuaciones 6 y 7, se obtiene la expresión final para el balance de energía del evaporador.

 ̇   (   )  (̇  ̇)

Soluciones diluidas no incrustantes Soluciones no cristalizantes Líquidos claros Soluciones corrosivas Líquidos espumosos

    

Soluciones débiles de ácido sulfúrico Soluciones de sales inorgánicas  Azúcar y derivados del azúcar Efluentes de la industria alimentaria Melazas y vinazas

Descripción física del equipo Las partes principales del minievaporador usado son las siguientes: Evaporador: Es un intercambiador de calor compuesto por un tubo interno concéntrico y una carcasa externa de acero inoxidable. En el espacio anular entre la carcasa y el tubo fluye naturalmente vapor saturado el cual es el fluido de calentamiento, en

deposita la solución a concentrar, además hace el intercambio líquido-vapor de las corrientes que llegan al mismo devolviendo la solución líquida al evaporador y los vapores al condensador, cuenta con un trampa para sólidos en la salida de vapor y permite la recirculación de líquido mediante el efecto termosifón. Condensador: Es un intercambiador de calor multitubular a contracorriente, por el interior de los tubos se desplaza el vapor que sale luego como condensado y por la carcasa se desplaza el líquido de enfriamiento, la mayoría de veces agua como en este caso. Este condensador cuenta con 7 tubos internos con un diámetro interno de 1.5875cm y un diámetro externo de 1.905cm, mientras que la coraza presenta un diámetro interno de 8.5725cmy un diámetro externo de 8.89cm, la longitud del condensador es de 60cm y está fabricado en acero inoxidable. 2. OBJETIVOS General El objetivo práctico de esta experimentación





respecto al tiempo de operación del proceso. Calcular distintos parámetros de operación del proceso de evaporación, tales como: Calor transferido en el evaporador, calor transferido en el condensador, eficiencia del evaporador, eficiencia del condensador y la relación de recirculación. Identificar las variables que impiden el funcionamiento óptimo del minievaporador y concurrir sobre la correcta manipulación de las mismas.

3. MATERIALES Y MÉTODOS Reconocimiento del equipo Previamente al desarrollo de la práctica se hizo un reconocimiento del equipo, es decir, se identificó cada una de sus partes, incluyendo las válvulas e instrumentos de medición usados para su control y se estudió el funcionamiento y aporte de cada uno en la operación del minievaporador. A continuación se presentan fotografías en las que se identifican los aspectos

De acuerdo a lo señalado en las fotografías se describe cada ítem: 1. Evaporador 2. Condensador 3. Cámara de vapor (separador líquidovapor), en esta cámara se vierte la solución a concentrar, una vez iniciado el proceso, aquí se recircula la solución llegando a la temperatura de saturación del agua, de esta forma se separa la solución concentrada del vapor de agua saturado extraído de la solución. El vapor de agua va hacia el condensador y la solución líquida hacia el evaporador para seguir siendo concentrada 4.  Alimentación del líquido de enfriamiento 5. Salida del líquido de enfriamiento 6. Entrada de vapor de calentamiento saturado proveniente de la caldera 7. Salida de la corriente de calentamiento (ahora condensada) 8. Termómetro para la medición de la temperatura de entrada del líquido de enfriamiento 9. Termómetro para la medición de la

15. Manómetro para la medición de la presión en el evaporador 16. Salida del condensado 17. Válvula para tomar muestra de la solución concentrada 18. Válvula para el vaciado de la solución concentrada final 19. Trampa para sólidos presentes en el vapor de la solución 20. Recirculación de la solución. Por aquí  se recircula a la cámara la solución (más concentrada y en el punto de saturación) que sale del evaporador 21. Salida de la cámara hacia el condensador, del vapor de agua separado de la fase líquida de la solución más concentrada 22. Salida de la cámara hacia el evaporador, de la solución líquida para concentrarla

23. Válvula centrada de vapor 24. Válvula reguladora de la presión de vapor en el evaporador 25. Manómetro para medir la presión de vapor usado como corriente de calentamiento 26. Tubería hacia la entrada de vapor de calentamiento del evaporador

 Volumen [ml] Ensayo No. 1 1300 Ensayo No. 2 1350 Ensayo No. 3 1257

Tiempo [s] 10.23 10.31 10.01

Tabla 1. Datos para la obtención del caudal de alimentación de líquido de enfriamiento (agua).

Desarrollo de la práctica Para la realización de la práctica debió preparase en primera instancia la solución azucarada que se requería concentrar, para esto se diluyeron 500 g de azúcar en dos litros de agua usando un agitador, luego se vertió esta solución en una probeta y se le siguió agregando agua hasta completar cuatro litros de solución homogénea. Esta solución se vertió en la cámara de vapor usando un embudo (ver imagen 3).

Imagen 3. Salidas de líquido de enfriamiento y de

al ajuste del suministro de vapor de calentamiento, para esto se abrió la válvula central de vapor y se ajustó la de suministro al evaporador de manera tal que se alcanzará una presión (medida con el manómetro) de 10 psi en el mismo.

para la salida del condensado de vapor de calentamiento y otra para la salida de condensado de solución, para que una vez cumplido los 5 minutos se remplazara inmediatamente la probeta llena por la probeta vacía en ambos casos y así medir correctamente el volumen (ver imagen 6).

Imagen 5.  Ajuste del caudal de vapor de calentamiento.

Imagen 6. Cambio de probetas en la recolección de condensado de vapor de solución y de líquido de enfriamiento, para la medición de los volúmenes.

Se ubicó una probeta en la salida del condensado de vapor de calentamiento (salida de condensado en el evaporador) y otra a la salida de condensado de vapor de solución (salida de condensado en el condensador) y a partir de ahí se estuvo

Los datos registrados en este procedimiento se encuentran consignados en la tabla 2 (ver anexo 1). Paralelamente al procedimiento descrito

Una vez recolectadas cinco muestras (incluyendo la primera muestra de la solución antes de procesarla), se tomó una última muestra cinco minutos después, de esta manera se completaron 6 muestras. Justamente después de que se tomó la última muestra se realizó el procedimiento para la determinación de la velocidad del fluido a la entrada del evaporador, esto consistió en determinar el tiempo en el que tarda la solución en recorrer una distancia de 24 cm en la cámara de evaporación, para hacer la correcta medición se tinturo la solución con un colorante (KMnO 4) con el fin de observar de manera más precisa el momento en el que la solución superara la distancia establecida. Distancia: 24cm Tiempo: 3.55 s Una vez hecho esto se cerraron todas las válvulas de alimentación y se esperó hasta que no hubiera más recirculación de líquido y vapor y se vació el contenido de la solución concentrada en una probeta para medir el volumen total conseguido de la solución concentrada. El volumen registrado fue de 1350 ml. Finalmente, habiendo

Imagen 7. Medición de los grados brix de las muestras en el refractómetro.

Los datos obtenidos para cada muestra se encuentran consignados a continuación. Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5 Muestra 6

Tiempo [min] 0 10 20 30 40 45

Grados Brix 11.3 14.3 15.4 19.6 25.6 29.2

Tabla 3. Grados brix de las muestras de solución concentrada.

De esta manera finaliza la práctica experimental hecha en el laboratorio, la











El vapor que abandona la cámara es agua esencialmente Las pérdidas por fricción son despreciables Existe equilibrio termodinámico entre las fases de líquido y vapor saturado de la solución El calor de vaporización de la solución es el mismo que el del agua a las mismas condiciones de presión y temperatura Flujos constantes de líquido de enfriamiento y de vapor de calentamiento suministrados

Determinación alimentación enfriamiento

del de

caudal líquido

de de

De acuerdo a los datos consignados en la tabla 1 se halla el caudal para cada ensayo mediante la siguiente ecuación:  F: Caudal  V: Volumen T: tiempo

 



        

    El caudal de alimentación del líquido de enfriamiento es entonces de 127.864 ml/s. Cálculo de las pérdidas de calor en el evaporador Para efectuar el cálculo de las pérdidas de calor en el evaporador (Qpe) es necesario determinar con anterioridad el calor cedido por el vapor de la caldera o calor suministrado (Qcv) y el calor ganado por la solución a concentrar (Qgs) o calor aprovechado. En un evaporador donde no ocurren pérdidas o donde estas son muy despreciables, estos dos calores son iguales, se cumple lo siguiente:    Dado que este no es el caso, las pérdidas en el evaporador están dadas por la diferencia entre Qcv y Qgs, entonces:     



 = calor latente de vaporización del agua

El volumen total de vapor condensado se toma de la tabla 2 y adicionalmente se conoce que la densidad del agua es de 1 g/ml y que el calor latente de vaporización a esas condiciones (111 °C) es de 2227.22 J/g, reemplazando tenemos:  = 5910 ml  = 1 g/ml  = 2227.22 J/g a 111 °C               Por otra parte, el calor ganado por la solución azucarada en todo el proceso (Qgs), o sea el calor total aprovechado, es el resultado de la suma del calor latente que implico el cambio de fase del agua presente en la solución y el calor sensible que ocasionó el cambio de temperatura de la solución, al ecuación para su cálculo es la siguiente: 

 



 

   

azucarada inicial tenía 11,3 grados Brix (ver tabla 3 del anexo 1), se tiene:                 

    La densidad de la solución inicial se calcula teniendo en cuenta los grados Brix de esta, para una solución azucarada de 11.3 °Brix hay 11.3 gramos de azúcar por cada 100 gramos de solución, la densidad de la solución teniendo en cuenta al densidad de la sacarosa (1.587 g/ml) y el agua será:  

          

    El delta de temperatura de la solución es la diferencia entre la temperatura de salida de la solución en el evaporador menos la temperatura de entrada al mismo, entonces

              

    

        Las pérdidas de calor en el evaporador son entonces:            

El calor cedido por el vapor de la solución concentrada corresponde a la suma del calor latente para el cambio de estado de dicha corriente y el calor que pierde para disminuir su temperatura, de esta manera se tiene:               

    Cálculo de la eficiencia energética en el evaporador

Calor sensible

Donde, 

La eficiencia energética en el evaporador (ηe) está dada por el cociente del calor aprovechado sobre el calor suministrado, en este caso será:    

   

     

Calor latente





 

 = Volumen total condensado del vapor de la solución.  = Es la densidad del agua condensada de la solución (1 g/ml)  = calor latente de vaporización del agua   capacidad calorífica del agua  = Delta de temperatura del vapor de agua de la solución en el condensador

 = 2435.2 J/g  = 4.186 J/g°C  = 68 °C

diferencia entre la temperatura de salida y la de entrada del agua de enfriamiento al condensador:

              

T out  = 31 °C

   

T in  = 28 °C

   

       

 Ahora bien, el calor ganado por el agua de enfriamiento es un calor sensible en su totalidad debido a que el líquido sólo experimenta un aumento en la temperatura y no ocurre un cambio de fase en el mismo.

Reemplazando hallamos el valor del calor ganado por el líquido de enfriamiento:

Donde, 

 



          = Volumen total usado de agua de enfriamiento  = Densidad del agua  = capacidad calorífica del agua de enfriamiento  = Delta de temperatura del agua de enfriamiento

El volumen total usado de agua de

         = 4.186 J/g°C  = 1 g/ml                  Las pérdidas de calor en el condensador son entonces:

   Cálculo del coeficiente global de transferencia de energía en el evaporador El cálculo del coeficiente global de transferencia de masa en el evaporador se determina a partir de la siguiente ecuación y de las consideraciones descritas acerca de la misma:  Donde,  = Flujo de calor transferido desde el vapor de calentamiento a la solución azucarada  = Coeficiente global de transferencia de energía   = Área efectiva del intercambiador de calor        Despejando U se tiene: 

   



  

Estos valores se conocen de la descripción física del equipo que se hizo en la introducción, L= 55cm y D= 3.81cm, reemplazando se tiene:                Se sabe que la temperatura del vapor de agua saturado que se usa como corriente de calentamiento es de 111 °C, dado que la temperatura de la solución en el evaporador permanece constante se toma este valor de temperatura como la temperatura de la superficie a través de la cual circula la misma, entonces:                  Reemplazando,            

Donde, 



 = Flujo volumétrico de la solución al evaporador  = Flujo volumétrico del vapor de solución en el condensador

El flujo volumétrico de la solución al condensador se calcula teniendo en cuenta el ensayo que se hizo para determinar la velocidad de entrada de la solución al evaporador, los datos que se obtuvieron son los siguientes:

            Entonces,

Distancia: 24cm Tiempo: 3.55 s  Y la velocidad se calcula así:  

vapor de solución sobre el tiempo de la operación:     Este volumen tomado de la tabla 2 dela nexo 1 es equivalente a 2615 ml o cm3, se recogió en un tiempo total de 45 min o 2700 s, entonces:

      

Multiplicando la velocidad por el área transversal del tubo interno del evaporador se obtiene el flujo volumétrico de la solución al evaporador, el área transversal del evaporador es la siguiente:   

          Cancelando la densidad 

            5. ANÁLISIS DE RESULTADOS  A continuación se hace un análisis de los datos registrados y de los resultados

tendencia de los grados Brix en función del tiempo se describe en la gráfica 1.

Gráfica 1. Variación de la concentración con respecto al tiempo.

La gráfica anterior es una representación directa de la variación de la concentración de la solución azucarada con respecto al tiempo. Se dice que es una medida directa puesto que los grados Brix representan los gramos de azúcar contenidos en 100 gramos de solución, de esta manera la muestra tomada en tiempo 0, la cual arrojó una medida de 11.3 °Brix en el refractómetro, contiene 11.3 gramos de azúcar por cada 100 gramos de solución o por cada 88.7 gramos de agua. A partir de

Este es un polinomio de grado 3 lo que indica que a medida que transcurre el tiempo, la solución se irá concentrando más en tramos más pequeños de tiempo, o sea que el aumento de los grados Brix se hace mayor a medida que se concentra la muestra, esto se debe a la disminución de la capacidad calorífica de la solución a medida que se concentra, lo que conlleva a un menor gasto energético en la evaporación a medida que se desarrolla la misma, a continuación se muestra la variación de la capacidad calorífica de la solución concentrada con respecto al tiempo.

temperatura de 28 °C equivale a la temperatura ambiente a la que se obtiene el agua de la tubería. La temperatura de salida del agua de enfriamiento es de igual forma constante alcanzando un valor de 31 °C. Esto afirma que la temperatura del vapor de agua de la solución que fluye es igualmente constante. Esto concluye que el calor ganado por el agua de enfriamiento es solo calor sensible debido a que no se alcanza una temperatura lo suficientemente alta para que ocurra un cambio de fase en la corriente.

La temperatura del vapor de calentamiento a la entrada del evaporador se mantuvo casi constante, presentando sólo pequeñas variaciones de 1 o 2 °C por arriba o por debajo del valor más registrado en las distintas mediciones, este valor es 111 °C. De igual manera la temperatura del vapor de calentamiento ahora condensado en la salida del evaporador se mantuvo casi constante, presentando también pequeñas variaciones 1 o 2 °C por arriba o por debajo del valor más registrado en las distintas mediciones, este valor es 111 °C.

Por otra parte la temperatura del vapor de agua condensado de la solución alcanza a descender a 28°C, lo que quiere decir que sale como líquido subenfriado, o sea que el calor cedido por esta corriente fue un calor latente que implico su cambio de fase y un calor sensible que implico la disminución de su temperatura, esta temperatura es la mínima a la que podía descender lo que quiere decir que tal vez con un flujo menor de agua de enfriamiento se hubiese alcanzado el mismo efecto sin necesidad de desperdiciar agua.

Como se observa la temperatura a la entrada y a la salida del vapor de calentamiento es la misma, esto quiere decir que el calor que pierde la corriente de vapor en el evaporador corresponde únicamente al calor latente que implica su cambió de fase, es decir, la corriente de calentamiento entra al evaporador como vapor saturado y sale como líquido saturado a la misma temperatura, esto quiere decir que aunque se aumente el flujo de vapor de calentamiento en el evaporador, solo se evaporará el agua de la solución que implique la pérdida del calor latente del vapor de calentamiento.

En la gráfica 4 se registran las pequeñas variaciones de la temperatura de entrada y salida de la corriente de calentamiento y además se observa que la línea de la variación de la temperatura de salida y entrada con respecto al tiempo para las dos casos es la misma en casi todo el tiempo, presentando pequeñas diferencias de 1 °C únicamente al principio y final de la operación. Las pérdidas de calor fueron considerables debido a que tanto en el evaporador como en el condensador el calor aprovechado es menor que el calor suministrado, las pérdidas de calor dieron valores de   y   en el evaporador y en el condensador respectivamente, lo cual se justifica al analizar las eficiencias energéticas obtenidas, estas arrojaron valores de  para el evaporador y  para el condensador, y se corrobora al observar el coeficiente global de trasferencia de calor en el evaporador el cual dio algo bajo, estos valores altos de pérdidas y bajos de eficiencia son significativos a nivel energético, es calor que puede ser aprovechado y no desperdiciado, a nivel

condensado vs tiempo (datos tomados de la tabla 2 del anexo 1).

Gráfica 5. Variación del volumen de condensado de vapor de calentamiento y de condensado de vapor de agua de la solución.

La anterior gráfica además de ilustrar la variación del volumen condensado de vapor de calentamiento y la variación del volumen de condensado de vapor de agua de la solución con respecto al tiempo, muestra la relación que existe entre la cantidad de vapor de calentamiento que debe suministrarse al evaporador comparado con la cantidad de agua evaporada que se logró durante el proceso de operación del

de un compresor o una bomba, este permite que la solución se desplace de manera vertical y ascendente dentro del evaporador por la disminución de densidad de la solución por el calentamiento, permitiendo así la recirculación de la misma. Este efecto evita gastos adicionales energéticos y económicos y por la circulación se permite reconcentrar la solución en una misma cochada. El porcentaje de recirculación calculado dio 0.985 aproximadamente, lo que indica que gran parte de la solución se recircula para seguir siendo concentrada, es decir que más de un 98% de la solución que entra al evaporador se recircula (asumiendo la densidad constante durante el proceso) y el otro 2% es el agua de la solución que se evapora, esto es muy provechoso ya que permite realizar una evaporación más eficiente y precisa lo que puede conllevar a obtener valores finales muy altos de concentración. Solución final La solución final obtenida ocupó un volumen de 1350 ml y arrojó 29.2 grados

azúcar para 1350 hay 441.93 gr de azúcar lo que quiere decir que casi todo el azúcar está contenida en la solución concentrada final. Lo anterior se puede observar o analizar de otra forma, teniendo en cuenta que la solución final concentrada de volumen igual a 1350 ml debería tener 500 g de azúcar suspendidos o diluidos, se calcula entonces de acuerdo a la densidad del azúcar (1.587 g/ml) que estos 500 g de azúcar deberían estar ocupando un volumen de 315.06 ml y el volumen restante debería ser agua, se tienen entonces 1034.94 ml de agua que por la densidad del agua (1 g/ml) equivalen a 1034.94 g de agua; entonces se tienen 500 gramos de azúcar suspendida en la masa total de solución que equivale a 153a.94 g (resultado de la suma de la masa de azúcar y de la masa de agua presentes en la solución), si se divide los gramos de azúcar presentes en los gramos de la solución se tiene que por cada gramos de solución azucarada hay 0.326 gramos de azúcar contenidos en la misma, si multiplicamos este valor por 100 obtenemos los grados Brix que debieron haberse medido en la muestra final, esto equivale a

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

minievaporador para concentrar soluciones, ya que fue posible concentrar la solución de agua azucarada desde 11.3 ° Brix hasta 29.2 °Brix, está concentración es posible elevarla aumentado el tiempo de la cochada, ya que como se comprobó el aumento de la concentración es proporcional al transcurso del tiempo. Las pérdidas energéticas calculadas tanto para el evaporador como para el condensador muestran que es debido implementar un sistema de aislamiento que impida las pérdidas de calor hacia la atmósfera, para que de esta forma se puedan aprovechar la energía suministrada y la eficiencia tanto en el evaporador y el condensador aumente. Las fluctuaciones observadas en las mediciones de temperatura y la variación de los volúmenes de los condensados, son resultado de las variaciones de flujo de vapor de calentamiento o las caídas de presión del mismo, ocasionadas por el sistema de suministro de vapor del laboratorio, ya que este mismo









Dada la presencia de azúcar en el condensado de vapor de agua de la solución, sería necesario diseñar un sistema de evaporación de efecto múltiple el cual re-evapore el condensado de la solución o quizá un sistema por etapas que ayude a mejorar la separación de los componentes de la solución. Claramente la medición de los grados Brix es una medida directa de la concentración de las soluciones y facilita la observación del fenómeno de la evaporación ya que el uso del refractómetro es sencillo y rápido, este es un método más práctico que otros para la determinación de concentración de las soluciones. Son útiles los conocimientos termodinámicos y de fenómenos de transferencia de calor a la hora de determinar el comportamiento energético de equipos tales como el minievaporador. Los cálculos realizados no son del todo exactos puesto que para su efectuación se hicieron consideraciones que en otro caso

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



LEVENSPIEL Octave, Flujo de Fluidos  e Intercambio de Calor, Editorial Reverté 1993, Capítulos 9, 12, 13. GEANKOPOLIS, C. G. Procesos de transporte y operaciones unitarias. Tercera Edición. Editorial CECSA. México. 1998. Páginas: 698-730 http://es.scribd.com/doc/93609075/ Balance-de-Masa-y-Energia-en-UnEvaporador-de-Simple-Efecto

ANEXO 3

FICHAS DE SEGURIDAD

 ANEXO 1

Tiempo [min]

T de solución [°C]

0

96

5

96

10

96

15

T de agua de enfriamiento [°C] Entrada

T de vapor de calentamiento [°C]

Condensado del vapor de solución Volumen [ml]

Condensado de vapor Volumen [ml]

Salida

Entrada

Salida

T [°C]

28

28

111

111

28

0

0

28

31

111

110

28

280

670

28

31

111

111

28

310

665

96

28

31

111

111

28

300

700

20

96

28

31

110

110

28

300

675

25

96

28

31

111

111

28

295

610

30

96

28

31

110

110

28

300

770

35

96

28

31

111

111

28

290

640

40

96

28

31

112

112

28

280

680

45

96

28

31

111

110

28

260

500

2615

5910

VOLUMENES TOTALES REGISTRADOS

Tabla 2. Registro de datos de temperatura de las corrientes del proceso y los volúmenes de condensado medidos. Tiempo [min]

°Brix

0

11.3

10

12.9

20

15.4

30

19.6

40

25.6

45

29.2

Tabla 3. Grados brix de las muestras de solución concentradas tomadas en distintos tiempos durante el proceso

 ANEXO 2 Diagrama de flujo del proceso

Inicio de la operación

Fin de la operación