DESTILADOR

PROCESO INDUSTRIALES Y TECNOLOGIAS LIMPIAS

ING. SALVADOR ORTEGA SILVA

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

CURSO:

SEMANA 02 - EVAPORACION Y CRISTALIZACION

Un evaporador

Consiste bsicamente de un intercambiador de calor capaz de

hervir la solucin y un dispositivo para separar la fase vapor del

liquido en ebullicin.

La superficie de la placa caliente es un intercambiador de calor

simple y el vapor se desprende en la gran rea para flujo de

vapor y su consecuente de baja velocidad de flujo.

En la operacin industrial se construye para una operacin

continua, la superficie de intercambio de calor se incrementa de

un modo notable, la ebullicin es sensiblemente mas violenta y

la evolucin del vapor es rpida.


EVAPORADORES INDUSTRIALES

Al tratarse de un sistema de evaporacin o destilacin los

caudales a tratar son siempre bajos de tal manera que

nicamente se aplica este sistema para la depuracin de aguas

con gran dificultad de tratamiento tradicional se utilizan

generalmente cuando existen:

Bajos caudales y Grandes concentraciones

CONCENTRACIN DE RESIDUOS

-CONCENTRACIN DE PRODUCTOS EN EL CUALQUIER

PROCESO (farmacia, alimentacin, etc)

-INDUSTRIAS COSMTICAS

-FARMACIA

-INDUSTRIA QUMICA

-PRODUCCIN DE TINTAS Y DISOLVENTES


EN ARTES GRAFICAS PARA:

- Contra coladoras / tratamiento de aguas residuales con restos

de barniz acrlico

- Tratamiento de aguas residuales

- Agua-alcohol / sistema de mojado

- Reveladores de planchas

- Engomadoras -OTRAS APLICACIONES COMO SEPARACIN DE

TALADRINAS, ACEITES DE CORTE,


COMPONENTES BSICOS DE UN EVAPORADOR

Los sistemas de evaporadores industriales normalmente

constan de:

Un intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente de evaporacin del alimento liquido. En la

industria de los alimentos normalmente se utiliza como

medio de calentamiento vapor saturado.

Un separador en el que el vapor se separa de la fase lquida concentrada. En los sistemas que operan a presin

atmosfrica el separador puede omitirse

Un condensador para condensar el vapor y eliminar el

condensado del sistema.


CARACTERSTICAS DEL LQUIDO QUE SE CONCENTRA

Las caractersticas del lquido que se concentra, es de gran variedad

de operacin desde una sencilla transmisin de calor hasta una

separacin de productos. Debido a la gran variedad de propiedades de

las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores.

1. CONCENTRACIN

La disolucin que entra como alimentacin de un evaporador puede

ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades

fsicas del agua, a medida que aumenta la concentracin de la

disolucin adquiere cada vez un carcter individualista. La densidad y

la viscosidad aumenta con el contenido de slido hasta que la

disolucin se transforma en saturada o resulta inadecuada para una

transmisin de calor adecuada.


1. CONCENTRACIN

La ebullicin continuada de una disolucin saturada da lugar a la

formacin de cristales, que es preciso separa de lo contrario obstruyen

los tubos. La temperatura de ebullicin de la disolucin puede tambin

aumentar considerablemente al aumentar el contenido de slido, de

forma que al temperatura de ebullicin de una disolucin concentrada

puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presin.

2. VISCOSIDAD

Los lquidos muy viscosos tienden a reducir las velocidades de

circulacin y a reducir los coeficientes de transferencia de calor. La

viscosidad de una solucin sometida a evaporacin aumenta con la

concentracin, es de esperar que a medida que discurre la

evaporacin descienda la velocidad de transferencia de calor.


3. FORMACIN DE ESPUMA

Algunas sustancias orgnicas forman espuma durante la vaporizacin.

Una espuma estable acompaa al vapor que sale del evaporador

dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos toda la masa

de lquido puede salir con el vapor y perderse

4. FORMACIN DE COSTRAS

Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de

calefaccin. En estos casos el coeficiente global disminuye

progresivamente hasta que llega un momento en que es preciso

interrumpir la operacin y limpiar los tubos. Cuando las costras son

duras e insolubles, la limpieza resulta difcil y costosa.


5. SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA

Muchos productos alimenticios se daan cuando se calienta a

temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la

concentracin de estos productos se necesita tcnicas especiales para

reducir tanto la temperatura del lquido como el tiempo de

calentamiento.

6. CALOR ESPECFICO

Es necesario conocer este parmetro por que nos permitir

calcular la cantidad de energa requerida para incrementar la

temperatura del alimento a evaporar.


6. CALOR ESPECFICO

Presenta unas ecuaciones empricas para el clculo de la

capacidad calorfica a presin constante para alimentos.

Cp = XwCw + XsCs

Donde:

Xw = es la fraccin en peso de agua

Cw = es la capacidad calorfica del agua (Cw = 4.18 kJ/kgK)

Xs = es la fraccin masa de slidos

Cs = 1.46 kJ/kgK es el calor especifico de los slidos. la mayor

contribucin se debe al agua.


6. CALOR ESPECFICO

Otra alternativa para calcular la capacidad calorfica en donde se

conozca el contenido grave de los slidos es:

Cp = (0.5mf+ 0.3mSNG + mw)(4.18kJ/kgK)

mf, mSNF y mW = son las fracciones en masa de grasa, slidos no

graves y agua respectivamente.

Si se conoce el anlisis del alimento se puede utilizar para calcular las

capacidades calorficas del siguiente modo:

Cp = xwCw + xCCC + xPCP + xFCF + xACA

xW, xC, xP, xF, xA = son las fracciones en peso del agua, los

carbohidratos, las protenas, las grasas y las cenizas.

CW, CC, CP, CF y CA = son los calores especficos de los componentes .


7. CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR

La capacidad de un sistema de evaporacin es la cantidad de masa de

solvente (agua) evaporado por hora.

Esta capacidad esta ntimamente relacionada con la velocidad de

transmisin de calor Q a travs de la superficie de calefaccin de un evaporador. El conocimiento de esta velocidad es un requisito

importante en el diseo, en la seleccin y en la operacin de

evaporadores.

Q = U A T................... (Ecc. N 01)

Donde:

Q= Capacidad del evaporador / Carga Termica

U= coeficiente de transmision.

A= Area Total / AT = diferencial de temperatura

SEMANA 02 - COMPONENTES DEL EVAPORADOR

Compresor * Manmetros

Condensador * Ventilador

Filtro deshidratador * Indicadora de Nivel de liquido

Vlvula de paso

Evaporador de vidrio

Presos tato

Voltmetro

Ampermetro

Botn pulsador con enclavamiento

Estructura de metal

Tubo flexible 3/8

Tubo flexible 5/16

Gas refrigerante SUVA R-134 a

SEMANA 02 - COMPONENTES DEL EVAPORADOR

SEMANA 02 - EVAPORADOR DE DOBLE EFECTO

SEMANA 02 - DISEO DE UN EVAPORADOR DE EFECTO SIMPLE

1. BALANCE DE MATERIA

Los balances de materia por Componente para

el Soluto y Solvente son:

F = V + L (Balance total)

a. Balance de Soluto

F . Xf = L . X + V l. Xv

F = Flujo de alimentacin (Kg/H)

L = Flujo de Liquido concentrado (Kg/H)

V = Flujo de Vapor (Kg/H)

Xf = Fraccin de masa del soluto alimentado

xl = Fraccin de masa de soluto en licor

Concentrado.


c. Balance Entalpico del Proceso:

F . hf + Q = V . hv + L . hl .(1)

F = Flujo de alimentacin (Kg/H)

L = Flujo de Liquido concentrado (Kg/H)

V = Flujo de Vapor (Kg/H)

hf = Entalpia de alimentacin

hv = Entalpia de licor concentrado

hl = Entalpia de vapor secundario a temperatura

Q = Velocidad de calor transferido a travs de

los tubos.

* F . hf + Q - V . hv L . hl = 0

* . de (1) => V = F - L

* F(hf hl) + Q (F L) (hv - h ) = 0


b. Balance de solvente

F . ( 1 X) = V + (1- X )


d. Balance Entalpico de Vapor de

Agua

Vo . Hv = Q + Vo . hl

Vo . Hv - Q - Vo . hl = 0

Q = Vo ( Hv - hl ) = 0

Q = Vo . hv-l

Hv-l = Vapor latente de vapor que ingresa



VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE

CALOR:

Q = U . A ( To T )

U = Coeficiente de Transferencia de calor A = rea superficial de los tubos disponibles p/

transferencia de calor.

To = Temperatura de saturacin del vapor de agua

que ingresa al primer filtro.

T = Temperatura de ebullicin del licor concentrado.

SEMANA 01 - EJEMPLO DE DIAGRAM DE PROCESO

EJEMPLO 1:

El diagrama de bloques de proceso se presenta como uno de los procesos utilizados para la obtencin de benceno, conocido como hidrodesalquilacion de tolueno.

HIDRODESALQUILACIN TRMICA DEL TOLUENO (C7H8) PARA OBTENCIN DE BENCENO (C6H6).

En este proceso se hace reaccionar tolueno e hidrogeno para obtener benceno y metano, de acuerdo a la siguiente reaccion:

C7H8 + H2 ------ C6H6 + CH4 Tolueno + Hidrogeno ---- Benceno + Metano

TOLUENO

H2

Reactor Secador

Destilador

GASES

Tolueno: Kh/H

Tol + Benc: Kh/H

BENCENO

SEMANA 01 - EJEMPLO DE DIAGRAM DE PROCESO

EJEMPLO 1:

C7H8 + H2 ------ C6H6 + CH4 Tolueno + Hidrogeno ---- Benceno + Metano

Se alimenta dos corrientes:

De hidrogeno gaseoso con una concentracin del 98% mol y otra de tolueno liquido. Es exotrmico (-41830 KJ/Kmol), la reaccin se lleva en fase gas con rendimiento del 70 % mol. La reaccin no se lleva al 100%. La Reaccin produce BENCENO, como producto principal y Metano como subproducto.

El tolueno recircula al reactor y el benceno sale del proceso. Mediante el proceso de Hidrodesalquilacion; de tolueno, se debe obtener 5000 kg/h de benceno, se sabe que la conversin de tolueno en el reactor es del 70% mol.

TOLUENO

H2

Reactor Secador

Destilador

GASES

Tolueno: Kh/H

Tol + Benc: Kh/H

BENCENO

Calcular las cantidades de materia prima, subproductos de acuerdo al diagrama de bloques?

Kh/H=??

Kh/H=??

Kh/H=??

Kh/H=??

5000Kh/H

=

CH4= Kg/h

H2 = Kg/h


EJERCICIO 1:

Una columna de destilacin procesa 100 kg/h de una mezcla de 60% de

NH3 y 40% de agua. El producto de cabeza contiene 99% NH3 y el fondo

0.5% de NH3. del condesado se extraen 1000000 Kcal/h.

Todas la entalpias se toman de la temperatura de flujo correspondiente.

Se desea conocer que cantidad de destilado y de producto de fondo se

obtendr y que calor debe entregarse en el evaporador de fondo.

Datos:

Hv = 119 Kcal/Kg

Hl= 195 Kcal/Kg

Hf= 133 Kcal/Kg

EJERCICIO 1:


EJERCICIO 2:

Un evaporador continuo de efecto simple concentra 9 072 kg/hr (20 000

lbm/hr) de una solucin de sal al 1.0% en peso que entra a 311.0 K

(37.8C), hasta una concentracin final de 1.5% en peso.

El espacio del vapor en el evaporador est a 101.325 kPa (1.0 atm abs) y

el vapor de agua que se introduce est saturado a 143.3 kPa (20.78

lb/plg2 abs). El coeficiente total U = 1 704 W/m2 K (300 btu/hr pie2 F).

Calclar las cantidades de vapor y de lquido como productos, as como el

rea de transferencia de calor que se requiere. Puesto que se trata de

una solucin diluida, suponer que el punto de ebullicin es igual al agua.

Datos:

Cp= 4.14 Kj K / Kg (0.99 BTU F /VLb)

Ti = 373.2 K = 100 C => hv = 2257 KJ/kg (970.3 BTU/lb)

Ts=383.2 K = 230 F => = 2230 KJ/kg (958.8 BTU/lb)

Tf= 311 K

EJERCICIO 2:


EJERCICIO 3:

Un evaporador se alimenta con una solucin de NaCl al 25 %. Se van a

producir 14670 lb de sal humeda por hora. La sal formada retiene 20 %

con respecto a su peso de la salmuera (26,9 % de la sal)

Cuntas libras de solucin se cargan al evaporador por cada hora?

F= ??????

Datos:

Xv = 0

Xl = 1


EJERCICIO 4:

se alimenta a un evaporador con 2500 lb/min de una solucin de Soda

Caustica al 10% en contenido de solidos. Se sabe que los lquidos

concentrados producen 500 lb/min. Se desea saber la fraccin del liquido

concentrado Xl y la cantidad de vapor por la parte superior de agua V=???

En Kg/hora.

Datos:

Xv = o


EJERCICIO 5:

A un evaporador de efecto simple con sistema de eliminacin de cristales

se alimenta 25000 kg/h de una composicin de 10% de NaOH, 10% NaCl

y 80%H2O. Las fracciones parciales de los lquidos son: 50 % NaOH,

2%NaCl y 48%H2O. As mismo se obtiene cristales solidos al 100% de

NaCl.

Calcular:

a. Contenido liquido L en Kg/hr.

b. Cantidad de cristales solidos S en Kg/hr

c. Determine el Vapor V que se producen considerando Xv=0


EJERCICIO P/ CASA 6:

Una columna de destilacin procesa 230 Lg/h de una mezcla de 45% de

metanol, 55% de agua; salen vapores al 96% de CH3OH y lquidos

concentrados al 2.3 % de CH3OH.

Datos:

Qc= 2450 000 Kcal/h

hf= 124 kcal/Kg

hv= 108 kcal/Kg

hl= 176 kcal/Kg

Calcular:

a. Vaporizacin V en Kg/h

b. Lquidos condensados Kg/h

c. Calor requerido en el ingreso al evaporador Qr= Kcal/h


EJERCICIO 7 - P/ CASA:

1200 lb de Ba(NO3)2 se disuelven en cantidad suficiente de agua para

formar una solucin saturada a 90 C, temperatura a la cual se tiene que

la solubilidad es de 30.6 g / 100 g H2O. La solucin luego se enfra a 20

C, temperatura a la cual la solubilidad es de 8.6 g / 100 g H2O. Cuntas

libras de agua se requieren para la solucin a 90 C y qu peso de

cristales se obtienen a 20 C? obtendr y que calor debe entregarse en el

evaporador de fondo.

Datos:

Hv = 119 Kcal/Kg

Hl= 195 Kcal/Kg

Hf= 133 Kcal/Kg

SEMANA 02 - DISEO DE UN EVAPORADOR DE VIDRIO

Los evaporadores inundados de vidrio trabajan con

refrigerante con lo cual se llenan por completo a fin de

tener humedecida toda la superficie interior del tubo y en

consecuencia la mayor de transferencia de calor.

El evaporador inundado de vidrio est equipado con un

acumulador o colector de vapor que sirve como receptor

de lquido, desde dicho acumulador el refrigerante es

circulado por gravedad a travs de los circuitos del

evaporador.


El objetivo de este depsito es separar lquido del vapor,

volviendo el lquido al evaporador y regresando el vapor al

compresor.

El depsito alimentador tambin separa el vapor que se

produce en la vlvula de expansin, de tal forma que este

vapor no contribuye a la cada de presin del evaporador.


Se consideran tubos de pared gruesa cuando el espesor

de dicha pared es igual o mayor a la dcima parte del

dimetro interior. Con clculos previos que a continuacin

se presentan se designa un tubo de pared gruesa para

este evaporador.

P= st (R2 r2)

(R2 + r2)

Donde:

St = Esfuerzo en Kg-f/cm2

R = Radio Exterior cm

r = Radio Interior cm

P= Presin kg/cm2


El espesor del tubo se determina de la sgte. Manera:

x = R r

Donde:

x = Espesor del tubo de vidrio (cm, pulg)



SEMANA 02 - Determinacin de carga trmica en vitrina

Se requiere emplear la siguiente ecuacin:

Q = A x U x T

DONDE:

Q = Carga Trmica BTU/hr

T = Diferencial de temperatura.

U = Coeficiente de transmisin de calor: Pulg/Hr F ft2

A = rea total: ft2

As mismo:

U = k / x

k = Conductividad trmica: BTU-pulg / hr F ft2

x = Espesor del vidrio: pulgadas


PROBLEMA 1. Determinar el espesor de un Tubo de

vidrio instalado a un evaporador que tiene un esfuerzo

unitario de 25.49 kg/cm2 y contiene un presin de 10.546

kg/cm2. El tubo de vidrio empleado contiene un radio

interior de 0.375 cm.

SOLUCION

P= st (R2 r2)

(R2 + r2)

Donde: St = Esfuerzo en Kg-f/cm2



P= Presin kg/cm2

X = espesor cm o pulgadas

x = R r

x


PROBLEMA 2. Una Vitrina de vidrio que contiene un

evaporador, esta compuesto por un compresor de H.P.

pesado de marca DANFOSS. Mod. NF9FX, Se considero

una temperatura de enfriamiento de -15 C y una

Temperatura de medio ambiente de 33 C. El espesor del

vidrio de la vitrina es de 60 cm y se considero una

conductividad trmica del vidrio de 0.212 BTU-plg/hr oF ft2.

Determine La Carga Trmica Q en BTU/Hr??

Datos:

X = 0.208 cm. Espesor de vidrio.

T interna = -15 C

T externa = 33 C

Solucin:


PROBLEMA 2. Determine La Carga Trmica Q en

BTU/Hr??

Datos:

X = 0.208 cm

T interna = -15 C

T externa = 33 C

Solucin:

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