Embed Size (px)
Citation preview
BIBLIOTECA CENTRAL
UNIVERSIDAD POPULAR AUTÓNOMA DEL ESTADO
DE PUEBLA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EVAPORADOR
TIPO CALANDRIA
Por
ALEJANDRO MÁRQUEZ DE CEBALLOS
GALO ENRIQUE LIMÓN CABRERA
Trabajo Práctico presentado a la Escuela de ingeniería Química como requisito parcial para obtener el Título de
INGENIERO QUÍMICO
Julio de 1993
Puebla, Pue. a 10 de Mayo de 1993.
Este Trabajo Práctico, denominado DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
DE UN EVAPORADOR TIPO CALANDRIA, cumple con los requisitos
de calidad y contenido, por lo que los Sres. Alejandro
Márquez de Ceballos y Galo Enrique Limón Cabrera, pueden
promover la obtención del Título de Ingeniero Químico.
Atte.
M.C. RAFAEL LUCHO CHIGO
Aseso r d e l t r a b a j o
61302
RESUMEN
Este trabajo expone los principios básicos necesarios
(ecuaciones, normas, etc.) para el diseño y construcción de
un evaporador tipo calandria. El cual es de tamaño planta
piloto, construido en su totalidad de acero al carbón, tiene
en toda su superficie exterior un recubrimiento
anticorrosivo y se construyó en Grupo IDESA, donde fué
probado y se comprobó que funciona correctamente tanto con
pruebas hidrostáticas como en corridas de rutina, las cuales
fueron más de veinte, por lo que el equipo es seguro y fácil
de operar.
El equipo se encuentra instalado actualmente en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Escuela de
Ingeniería Química de nuestra Universidad, acompañándolo un
Manual de Operación que contiene la forma de manejar el
equipo desde el inicio de la corrida hasta su finalización,
además cubre algunos aspectos de seguridad y mantenimiento.
A DIOS
A NUESTRA ALMA MATER
ÍNDICE
Resumen. i n
Lista de Figuras. ix
Lista de Tablas. x
Nomenclatura. xi
Agradecimiento especial. xiii
Agradecimientos. xiv
CAPITULO 1 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes. 1
1.2 Objetivo del trabajo. 4
1.3 Descripción del trabajo. 4
CAPITULO 2
GENERALIDADES
1 Conceptos básicos sobre evaporación
2 Mecanismos y factores reguladores.
CAPITULO 3 14
CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE EVAPORADORES
1 Clasificación de los evaporadores y su descripción. 14
2 Diferentes formas de realizar la evaporación. 17
3 Selección del evaporador. 19
CAPITULO 4 28
DISEÑO
1 Ecuaciones de diseño. 28
2 Especificaciones del evaporador. 33
3 Definición del problema. 37
4 Balance global de materia. 37
5 Balance parcial de materia a presión atmosférica. 38
6 Area y coeficiente global de transferencia de calor. 40
7 Geometría de la calandria. 43
8 Altura del espacio de vapor. 45
9 Espejos y bridas. 46 vii
4.10 Tapones capa. 4 7
4.11 Presión de operación del evaporador. 48
4.12 Dimensiones del evaporador. 49
4.13 Especificaciones del condensador. 51
CAPITULO 5 55
EXPERIMENTACIÓN
5.1 Descripción del equipo. 55
5.2 Manejo de equipo. 55
5.3 Datos experimentales obtenidos. 63
5.4 Coeficiente global de transferencia de calor
a diferentes presiones. 64
CAPITULO 6 69
OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 Observaciones. 69
6.2 Recomendaciones. 71
CAPITULO 7 74
CONCLUSIONES
Bibliografía. v 111
LISTA DE FIGURAS
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
3
4
4
4
4.
4
4
4.
4.
4.
.1
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
.9
4.10
5. .1
Evaporador tipo calandria.
Esquema del evaporador.
Esquema del espacio de vapor.
Diagrama del pitch.
Esquematización del problema.
25
28
31
34
37
Diagrama del evaporador con sus variables. 38
Gráfica A vs. U.
Geometría de la calandria.
Dimensiones del evaporador.
Geometría del condensador.
Dimensiones del condensador.
Descripción del equipo.
41
44
50
52
54
56
LISTA DE TABLAS
Tabla 3.1 Materiales de construcción usados
en evaporadores. 21
Tabla 3.2 Efecto de la viscosidad en la
selección de evaporadores. 21
Tabla 5.1 Descripción del equipo. 57
Tabla 5.2 Datos experimentales obtenidos. 65
Tabla 5.3 Resumen de resultados experimentales. 68
NOMENCLATURA
A Area de la superficie de transferencia de calor.
A Area externa de "n" tubos.
D Diámetro interno del evaporador.
d Diámetro externo del tubo.
E-; Eficiencia de la conexión expresada como fracción.
F, mp Flujo másico ce la alimentación.
f Factor de presión.
H F Entalpia de la alimentación.
HL Entalpia de la solución concentrada.
Hy Entalpia del vapor.
Hy Altura del espacio de vapor.
Hff Altura del liquido por arriba de los tubos.
L,mL Flujo másico de la solución concentrada.
1 Longitud del tubo.
n Número de tubos.
P Pitch.
P Máxima presión interna permisible.
Q Velocidad de transferencia de calor.
rJ Radio interno de la coraza del evaporador.
S Esfuerzo admisible de trabajo.
Espesor de la coraza del evaporador.
Coeficiente global de transferencia de calor.
Flujo del vapor.
Variable "a".
Variable "b".
Concentración del compuesto de interés en la
alimentación.
Concentración del compuesto de interés en la
solución concentrada.
Concentración del compuesto de interés en el
vapor.
4
Nomenclatura especial.
Pulgadas.
Calda global de temperatura.
Densidad del vapor.
Siglas.
ASTM Asociación Americana de Medidores Térmicos.
BWG- Calibre o cédula "Birmingham" para tubos,
especial para intercambiadores de calor.
C- Cédula para tubería comercial.
xii
t
U
V
va
vb
xF
XL
Xv
AT
V
AGRADECIMIENTO ESPECIAL
Queremos agradecer de una manera muy especial al Ing.
Hector Graf Graf, Director de Producción del grupo IDESA,
asi como también al Ing. Alejandro Fraga Avalos, Asistente
de la Dirección de Producción del mismo, ya que gracias a
ellos este trabajo se pudo llevar a cabo.
Grupo IDESA, de manera incondicional, financió el 100%
de la construcción del equipo, que incluye: Asesoría,
materiales, mano de obra, instrumentación y pintura. Asi
mismo, nos proporcionó la solución a concentrar, vapor de
calentamiento, reactivos y equipo de laboratorio, una
sofisticada ropa de seguridad y lo más importante, una
atención y una calidad humana de cada una de las personas
con las que tuvimos trato.
Grupo IDESA, además donó este equipo- a la escuela de
Ingeniería Química de nuestra Universidad, para complementar
el aprendizaje de los estudiantes mediante prácticas con el
mismo.
Quisiéramos una vez más reiterar nuestro profundo
agradecimiento a grupo IDESA y a todas las personas que la
conforman.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se pudo llevar a cabo gracias a la valiosa
ayuda de muchas personas e instituciones, a las que deseamos
expresarles profundamente nuestra gratitud:
A Dios, a nuestros Padres y Hermanos, a Karina, a
Gisela, a todos nuestros Maestros, a la Ing. y M.A. Ma.
Josefina Rivero Villar, al Ing. y M.C. Rafael Lucho Chigo,
al Ing. Carlos Márquez Moreno de Acabados Santa Clara, al
Ing. Paolo Cecchetti Ayala de Volkswagen de México, al Ing.
Gustavo Pacualli Sánchez de Canamex, al Ing. Hector González
Aja de Camisetas de Puebla, al Ing. Jesús Viscarra López de
Calderas Full Fire, a los Ingenieros Hector Graf Graf,
Alejandro Fraga Avalos, Adolfo Pérez Diaz y a los Sres.
Miguel Pérez Diaz y Juan Manuel Pérez Rosales, de Grupo
IDESA, al Ing. Marcos Luis Vega Montes, al Ing. Luis
Martínez Vázquez, al C.P. Bernardo Gasparis Abed, a todos
nuestros compañeros y familiares.
GRACIAS.
Alejandro. Márquez Galo E. Limón.
Julio de 1993.
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES.
A lo largo de su lucha por dominar la naturaleza/ el
avance de la ciencia y la técnica le han permitido al hombre
modificar voluntariamente la magnitud y duración de ciertos
procesos naturales, mediante el control artificial de los
equilibrios físicos y químicos, pero la alteración de éstos
no pueden ser llevados más allá de los limites marcados por
las leyes naturales.
El hombre puede variar a voluntad la magnitud de la
carga térmica transferida entre dos fluidos, pero nunca
podrá variar el sentido de esta transmisión, es decir, el
fenómeno de irreversibilidad enunciado por el segundo
principio de la termodinámica permanecerá inalterable. (8)
Este dominio relativo de los procesos naturales ha sido
utilizado por el hombre para la satisfacción de sus diversas
necesidades materiales, principalmente mediante la
producción de bienes de consumo, para la cual, se aislan,
amplifican y se catalizan dichos procesos con la
consiguiente producción u observación de las grandes
cantidades de energía inherente a todo fenómeno natural.(8)
A través de su larga lucha por lograr el control de los
fenómenos naturales, el hombre se percató que esta
transferencia térmica acompañante de los procesos físicos y
químicos era un factor determinante de los equilibrios, y
por lo tanto, el grado de realización de dichos eventos.(6)
Los procesos de calentamiento y enfriamiento
actualmente conocidos como transferencia térmica fueron
probablemente de los primeros fenómenos naturales aplicados
por el hombre, para lograr la alteración de los equilibrios
de la naturaleza. (6)
A pesar del transcurso de los años y del inaudito
desarrollo de la tecnología, el estudio y la aplicación de
los fenómenos de transferencia térmica, conocidos en forma
empírica desde hace milenios, sigue siendo aún, hoy en día,
causa de gran inquietud e investigación por parte de
numerosas organizaciones. (6)
La importancia del estudio de los procesos de
transferencia térmica radica en el hecho que, en todas las
industrias actuales, se encuentra en mayor o menor grado una
cierta generación de calor, el cual, dependiendo de su
magnitud, es casi siempre, removido o producido con el
objeto de:(11)
a) Evitar alteraciones en procesos específicos.
b) Para aprovechamiento posterior.
c) Requerimientos del mismo proceso.
d) Protección del equipo.
Dentro de estos cuatro grupos, quedan englobados una
infinidad de razones por las cuales se hace necesaria la
transferencia de calor.
Las formas en que el calor producido por cualquier
fuente puede ser transferido son bien conocidos, ellos son:
Conducción, Convección, Radiación y normalmente cualquier
combinación de los tres. (11)
Estas tres fuentes de transmisión de calor encuentran
su aplicación en una amplia gama de operaciones, que en
forma general pueden ser clasificados en tres grupos:(11)
1) Calentamiento: Calor sensible.
2) Enfriamiento: Calor sensible.
3) Cambios de Fase: Calor latente.
Dentro de estos tres grupos quedan englobados una
infinidad de aplicaciones a las diferentes operaciones
unitarias de las industrias, entre ellas está la de
Evaporación, la cual utiliza calor sensible de calentamiento
y calor latente en cambios de fase.(11)
En este trabajo se hará mención de los fenómenos y
equipos relacionados con la operación unitaria denominada
Evaporación. 3
1.2 OBJETIVO DEL TRABAJO.
Se presenta este trabajo, que consta del diseño y
contrucción de un evaporador tipo calandria, que partirá con
el planteamiento del problema y cumplirá con las
especificaciones de este tipo de evaporadores, con el
propósito de complementar el aprendizaje teórico de este
equipo.
Para ello, el que lo opere será capaz de efectuar
prácticas de evaporación y poder determinar la velocidad
de transferencia de calor (Q) , y el coeficiente global de
transferencia de calor (U).
Acompaña al presente trabajo un manual de operación,
conteniendo prácticas de aprendizaje, la manera en que el
equipo debe utilizarse para su aprovechamiento óptimo, cómo
realizar la limpieza del equipo y los factores de seguridad
a considerar en el mismo.
1.3 DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO.
En el Capitulo 2, se incluyen conceptos básicos sobre
evaporación, asi como los mecanismos y factores que regulan
a la vaporización.
4
En el Capítulo 3, se anexa una clasificación de los
evaporadores y su descripción, diferentes formas de realizar
una evaporación, así como todo lo que involucra su
selección.
En el Capítulo 4, se presentan las ecuaciones y el
desarrollo de los cálculos para el diseño del evaporador.
Así como las especificaciones y dimensiones del equipo y la
definición del problema.
En el Capítulo 5, se clasifican las partes que
constituyen al equipo y la instrumentación que lo acompaña.
Así como el manejo del equipo, seguridad y los resultados
obtenidos de la experimentación.
En el Capítulo 6, se describen las observaciones y
recomendaciones, en cuanto a la forma de limpieza y
mantenimiento del equipo y de la instrumentación.
En el Capítulo 7, se presentan las conclusiones finales
sobre este trabajo.
5
CAPITULO 2
GENERALIDADES
2.1 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EVAPORACIÓN.
La evaporación es la eliminación, por vaporización, de
una porción del solvente a partir de la solución de un
sólido o de un liquido que prácticamente no es volátil, y en
el cual, el vapor formado no es de valor en comparación con
el residuo (excepto, quizás, en lo que respecta a su
contenido de calor).(8)
Es decir, es el proceso, por medio del cual se puede
concentrar una solución consumiendo el solvente por
ebullición.(5)
Aun cuando los evaporadores químicos son capaces de
altas eficiencias térmicas, son incapaces, en ciertas
condiciones/ de una alta utilización de los potenciales
térmicos, ya que requieren grandes superficies.
Esto se debe al hecho de que las soluciones acuosas
concentradas experimentan un aumento en el punto de
ebullición sobre la temperatura de saturación
correspondiente al agua pura a la misma presión. La
elevación del punto de ebullición puede calcularse solamente
para soluciones diluidas, las que son relativamente ideales.
Para soluciones reales, los datos de la elevación del punto
de ebullición deben obtenerse experimentalmente midiendo la
curva de presión de vapor para una concentración dada, a dos
diferentes temperaturas.(5)
Para determinar la elevación del punto de ebullición de las
soluciones resulta útil la regla de Dühring. Los puntos
de ebullición de una solución de composición constante,
cuando se transportan sobre el papel de acuerdo a la regla
de Dühring, darán una linea recta en el intervalo de
presiones utilizado ordinariamente, en el funcionamiento de
los evaporadores. Sin embargo, en los intervalos muy amplios
de presiones, las líneas de Dühring no son rectas. La regla
de Dühring hace posible estimar la elevación del punto de
ebullición de una solución dada a cualquier presión que se
desee, si se conocen las elevaciones correspondientes a dos
presiones cualesquiera, L 9 J ̂ [11]
7
2.2 MECANISMOS Y FACTORES REGULADORES.
La transferencia de calor por vaporización sin
agitación mecánica, es obviamente una combinación de la
convección en el liquido y la convección adicional producida
por el ascenso de las burbujas de vapor. Bajo diferencias de
temperatura muy pequeñas entre la pared del tubo y el
líquido en ebullición, la formación de las burbujas tiene
lugar lentamente y la velocidad de transferencia de calor es
escencialmente la de convección libre.(5)
2.2.1 Mecanismos de vaporización.
Cuando a través de un tubo fluye vapor de agua y aquél
se encuentra sumergido en un recipiente a presión con un
líquido, se forman pequeñas burbujas de vapor, de una manera
completamente al azar en la superficie del tubo bañada por
el líquido. El calor que pasa a través de la superficie del
tubo, donde no se forman burbujas, entra por convección al
líquido que lo rodea. Algo de calor del líquido fluye
entonces hacia la burbuja, provocando evaporación desde su
superficie interna hacia el interior de la burbuja.(5)
En base a ésto, a continuación se presentan las siguientes
definiciones, para una mejor comprensión:
8
Presión de vapor: Se considera que las moléculas de un
liquido dentro de un recipiente a presión/ se encuentran en
un estado de movimiento constante y desordenado, moviéndose
algunas de ellas a gran velocidad, mientras que otras se
mueven con menos rapidez. Sin embargo, para cualquier
temperatura existe cierta velocidad promedio de las
moléculas, la cual, para las temperaturas inferiores a la
del punto de ebullición de los líquidos, no es suficiente
para impulsarlas fuera de la superficie liquida. No
obstante, existen siempre algunas moléculas que poseen una
velocidad lo suficientemente mayor que esta velocidad
promedio, de suerte que, cuando se aproximen a la superficie
libre del liquido, sobrepasan la atracción mutua que ejercen
entre si y otras moléculas en el liquido y, al continuar su
movimiento, salgan al espacio circunvecino, en donde ejercen
presión sobre las paredes del recipiente, como resultado que
su movimiento produce. Ya que se mueven en todas
direcciones, cierto número de ellas chocará contra la
superficie del liquido y de nuevo volverán a formar parte
del mismo. Cuando el número de moléculas que retornan a la
superficie es justamente igual al número de moléculas que se
desprenden de ésta, existe cierta condición de equilibrio
dinámico, y la presión ejercida por las moléculas sobre las
paredes del recipiente se denomina presión de vapor de la
sustancia a la temperatura existente.(8)
9
Calor de vaporización: Si las moléculas que escapan de
la superficie de un cuerpo pasan al aire u otro gas inerte
dentro de un recipiente, inicialmente se establece la
condición de equilibrio en la superficie interior de la
película relativamente estacionaria de gas con que cada
superficie se rodea. De la superficie exterior de esta
película, las moléculas pasan hacia el espacio remanente,
tanto por su propio movimiento (difusión), como por
convección, hasta que se establece el equilibrio en todo el
sistema. Cuando el recipiente no está cerrado, tanto el
proceso de difusión como el de convección, llevan el vapor
desde la superficie de la película estacionaria hacia el
aire exterior, del cual se devuelve una porción
correspondiente al espacio, manteniendo constante ia presión
atmosférica normal.
Por lo tanto, para que la vaporización pueda continuar a
temperatura constante, es necesario destruir el equilibrio
dinámico que tiende a establecerse por si mismo. Si la
superficie de la sustancia se encuentra expuesta a la
atmósfera, las moléculas que se desprenden de dicha
superficie, pueden ser arrastradas por una corriente de
aire, ésto se realiza durante la evaporación de líquidos en
aire. W
En la volatilización de un liquido, la temperatura no se
mantiene constante por si misma. Aquellas moléculas que
tienen la mayor velocidad son también las que poseen mayor
cantidad de energía cinética. En consecuencia, a medida que 10
abandonan el líquido, la energía cinética promedio de éste
disminuye y la temperatura decrece. Con el fin de mantener
una temperatura definida, debe suministrarse calor desde una
fuente de suministro exterior. Este calor de vaporización
varía con la sustancia y también, ligeramente, con la
relación entre la presión y la temperatura. *°*
Temperatura de ebullición: Ya que el movimiento
molecular es una función de la temperatura, se tendrá, que
mientras más caliente se encuentre el líquido, mayor será el
porcentaje de sus moléculas que tengan la velocidad
necesaria para escapar de la superficie y, por lo tanto,
mayor será su presión de vapor. Así mismo, debe existir
cierta temperatura, a la cual, las moléculas que escapan de
la sustancia mantienen una presión propia que es igual a la
presión atmosférica. En esta forma, el aire puede hacerse
retroceder indefinidamente y la sustancia se vaporizará
también indefinidamente, al menos en lo que a la presión
concierne. Esta temperatura se denomina temperatura de
ebullición de la sustancia.(8)
2.2.2 Factores que regulan la vaporización.
Para que la vaporización se lleve a cabo en forma
continua, debe satisfacer dos condiciones:
11
a) El calor necesario para la vaporización debe
suministrarse continuamente..
b) El equilibrio que se establece entre la presión de
vapor del liquido y su presión parcial en el espacio
circunvecino debe destruirse de manera continua.
En caso de no satisfacerse cualquiera de estas dos
condiciones la vaporización será retardada o aún
interrumpida.(8)
2.2.3 Comparación entre evaporación en las plantas de
fuerza y la evaporación química.
El propósito principal de la mayoria de los
evaporadores en las plantas de fuerza es la separación de
agua pura a partir de agua cruda o tratada. Las impurezas se
retiran continuamente del sistema mediante la purga. En la
industria química la manufactura de agentes químicos tales
como la sosa cáustica, sal de mesa y azúcar, empieza con
soluciones acuosas diluidas de las que deben eliminarse
grandes cantidades de agua antes de poder llegar a la
cristalización en equipo adecuado para este fin. En los
evaporadores de plantas de fuerza la porción no evaporada
del alimento es el residuo, mientras que en los evaporadores
químicos es el producto. Esto nos lleva a varias diferencias
12
entre la evaporación química y la evaporación de plantas de
fuerza: (5)
Ausencia de purgas: Los evaporadores químicos no operan
con el sistema de purgas y en lugar de que el líquido se
alimente en paralelo a cada evaporador usualmente se
alimenta a sistemas de múltiple efecto en serie. Cuando el
alimento líquido fluye en la misma dirección del vapor, se
llama alimentación en paralelo, y cuando el alimento lo hace
en dirección contraria se llama alimentación en
contracorriente.(5)
Propiedades del fluido: En el evaporador de la planta
de fuerza el proceso de ablandamiento de agua se modifica en
diferentes localidades de manera que la composición del
alimento del evaporador cause un mínimo de espuma y otras
dificultades en la operación. En el evaporador químico, el
residuo, una solución concentrada, es el producto deseado, y
usualmente no se pueden hacer ajustes a la solución para
prevenir la espuma o eliminación del depósito
incrustante.(5)
13
CAPITULO 3
CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN
DE LOS EVAPORADORES
3 . 1 CLASIFICACIÓN DE LOS EVAPORADORES Y SU
DESCRIPCIÓN.
En cua lqu ie ra de los s i s temas de evaporación siempre
debe d i sponerse de:
1) Suminis t ro de vapor de agua a l a s u p e r f i c i e de
ca l en tamien to .
2) Medios para e l iminar e l condensado y los gases
incondensab les .
3) Espacio de desprendimiento para la separac ión d e l
vapor de l l i qu ido en e b u l l i c i ó n .
4) Medios para la admisión y remoción de la so luc ión
a c o n c e n t r a r s e .
5) Sistema para la e l iminación del vapor desprend ido .
La superficie de calentamiento de un efecto,
generalmente está formada de tubos de tipo recto, tomando en
cuenta la facilidad de construcción y de limpieza, ya sean
horizontales, verticales o inclinados.
El liquido en ebullición puede encontrarse dentro o
fuera de estos tubos, mientras el vapor de agua estará
localizado en la otra superficie en cualquiera de los casos.
Finalmente, el liquido en ebullición puede encontrarse sobre
la superficie de calentamiento a modo de una capa profunda,
es decir, los tubos sumergidos dentro del liquido, o el
liquido en ebullición puede distribuirse sobre la superficie
de calentamiento como una película fina.(8)
3.1.1 Evaporación para plantas de fuerza.
Uno de sus principales propósitos es proveer de agua
relativamente pura para la alimentación de la caldera.
Cuando una cantidad de vapor se desprende de un recipiente
con agua hirviendo muchas de las impurezas originalmente
presentes en el agua permanecen en ella y tienden a formar
depósitos en la superficie de calentamiento sumergida, todas
las aguas naturales contienen sales minerales, de las que
aquellas de calcio y magnesio en particular, forman
incrustaciones, mismas que se forman más rápidamente en
superficies calientes y es una resistencia adicional al
flujo de calor.(5) 15
Los evaporadores de planta de fuerza se clasifican de la
siguiente manera:(5)
a) Evaporadores de agua de compensación para
alimentación de calderas.
b) Evaporadores de proceso para la producción de agua
purificada.
c) Evaporadores transformadores de calor.
d) Destiladores de salmuera.
3.1.2 Evaporación química.
Los evaporadores que realizan este tipo de evaporación,
se clasifican en dos grupos: de circulación natural y de
circulación forzada.
Los evaporadores de circulación natural se usan
unitariamente o en efecto múltiple para los requerimientos
más simples de evaporación.
Este tipo de evaporadores se clasifican de la forma
siguiente:(5)
a) Tubos horizontales.
b) Calandria con tubos verticales.
c) Tubos verticales con canasta.
d) Evaporadores con chaqueta externa.
Los evaporadores de circulación forzada se usan para
líquidos viscosos, para los que forman sales, y las 16
soluciones que tienden a incrustarse. Estos tipos de
evaporadores pueden ser tan económicos en operación como los
evaporadores de circulación natural, pero son necesarios
cuando los problemas de concentración involucran soluciones
de flujo pobre y ciertas características térmicas.(5)
Los evaporadores de este tipo se fabrican en gran variedad
de arreglos y se clasifican de la forma siguiente:(5)
a) Evaporador de circulación forzada con elemento
calefactor vertical.
b) Evaporador de circulación forzada con elemento
calefactor externo vertical.
c) Evaporadores de película descendente.
d) Evaporadores de película ascendente.
3.2 DIFERENTES FORMAS DE REALIZAR LA
EVAPORACIÓN.
La evaporación que se lleva a cabo comúnmente en
plantas químicas puede involucrar desde un solo evaporador
hasta una serie de éstos, los cuales hacen de la operación
un proceso más eficiente.(6)
17
3.2.1 Evaporación en simple y múltiple efecto.
Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor
procedente de la ebullición del líquido se condensa y se
desprecia, este método se denomina evaporación en efecto
simple, y si bien resulta sencillo, no utiliza en cambio
eficazmente el vapor. Ahora bien, si el vapor procedente de
un evaporador se introduce como alimentación a la caja de
vapor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de
éste se lleva después a un condensador, la operación recibe
el nombre de doble efecto. Procediendo de la forma indicada
se pueden adicionar más efectos, este método de evaporación
recibe el nombre de evaporación de múltiple efecto.(6)
3.2.2 Evaporadores de un solo paso y de circulación.
En los evaporadores de un solo paso, el líquido de
alimentación pasa sólo una vez a través de los tubos,
desprende el vapor y sale de la unidad como líquido
concentrado. Toda la evaporación se produce en un único
paso.(5)
Estos evaporadores, son especialmente útiles para el
tratamiento de materiales sensibles al calor. Con un solo
paso rápido a través de los tubos, el líquido concentrado
está durante un corto periodo de tiempo a la temperatura de
18
evaporación, y. se puede enfriar bruscamente a medida que
abandona el evaporador.(5)
Los evaporadores de circulación operan con una carga
de líquido dentro del aparato. La alimentación que entra se
mezcla con el líquido contenido en el evaporador y la mezcla
pasa posteriormente a través de los tubos.(5)
Estos evaporadores no son adecuados para concentrar líquidos
sensibles al calor. Pero si se utiliza un sistema de vacío,
desciende la temperatura de ebullición del líquido, haciendo
ahora sí, esta operación posible.
Los evaporadores de circulación pueden operar en un amplio
intervalo de concentraciones, comprendidas entre las de la
alimentación y el líquido concentrado en una sola unidad, y
se adaptan muy bien a la evaporación de simple efecto. (5)
3.3 SELECCIÓN DEL EVAPORADOR.
Para seleccionar el evaporador con el cual se va a
trabajar se tienen que tomar en cuenta diferentes factores
que proporcionan una guía muy importante para la toma de
decisiones. Entre estos factores se encuentran:
19
3.3.1 Materiales de construcción.
Para seleccionar el material de construcción, se
consideran los siguientes puntos:(4)
a) Tendencias corrosivas y erosivas del fluido en
proceso.
b) De la aplicación industrial. Por ejemplo en
plantas farmacéuticas o de alimentos, donde los
requerimientos de higiene para prevenir
contaminaciones, depende del uso de aleaciones
especiales.
c) De los recursos económicos disponibles.
d) De la preferencia del usuario.
La Tabla 3.1, es una guia parcial para seleccionar
materiales de construcción usados en evaporadores.(4)
3.3.2 Factores relacionados al proceso.
Las caracteriscas físicas y químicas del fluido en
proceso son claves para la selección del evaporador. Una de
ellas es la viscosidad ya que entra directamente en el
cálculo del coeficiente global de transferencia de calor,
luego entonces, afecta directamente al área de transferencia
de calor. Entre más alta sea la viscosidad, más bajo será
este coeficiente y más grande esta área.(4) 20
PRODUCTO
Nitrato de amonio. Sulfato de amonio. Sosa cáustica.
Fármacos.
Acido Fosfórico, urea pura o diluida. Alimentos procesados, jugos de frutas, productos perecederos. Sal (cloruro de sodio). Acido Sulfúrico.
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Acero inoxidable tipo 304 o 304L, Acero inoxidable tipo 316. Acero al carbón resistente a los esfuerzos, acero monel o aleaciones de níquel, según la concentración y contaminantes. Acero inoxidable tipo 304 o 316, acero monel o titanio. Acero inoxidable tipo 316.
Acero inoxidable tipo 304 o 316.
Acero inoxidable tipo 316L. Acero al carbón ahulado, plomo, grafito, etc. según la concentración.
Tabla 3.1 Materiales de construcción usados en evaporadores.
VISCOSIDAD DEL FLUIDO
8aja.(hasta 20 cP)
Baja a moderada (20 a 150 cP)
Moderada. (150 a I.OOOcP)
Alta. (más de 1,000 cP)
CONDICIONES DEL FLUIDO
No cristalización, alta formación de sales, ensuciamiento moderado. Cristalización, formación de sates, ensuciamiento alto a moderado. Ensuciamiento moderado no cristalización ni formación de sales. Todo tipo de condiciones.
TIPO DE EVAPORADOR
Circulación natural.
Circulación forzada con o sin supresión de ebullición. Tipo laminar.
Lámina delgada agitada.
Tabla 3.2 Efecto de la viscosidad en la selección de evaporadores.
21 61302
La Tabla 3.2 (4), muestra diferentes rangos de viscosidades,
asi como las condiciones del fluido, para la selección del
evaporador a emplear.
3,3.3 Sustancias a evaporar.
Al seleccionar un evaporador y el material con el que
debe ser construido, se debe tomar en cuenta en mayor grado,
las propiedades físicas de las sustancias y las condiciones
económicas con que se cuentan.
Por ejemplo, para producir sosa cáustica a una concentración
más o menos elevada, seria necesario un evaporador de efecto
sencillo o doble, ya que las pérdidas de la diferencia de
temperatura aprovechable en más efectos, originadas por la
gran elevación del punto de ebullición que tiene la sosa
cáustica, hace ineficaces a éstos. Se podria utilizar
circulación natural a bajas concentraciones pero conforme
aumenta ésta, la sosa se vuelve más viscosa, reduciendo en
mucho el coeficiente global de transferencia de calor por la
baja velocidad de la convección natural.(4)
Por otro lado las soluciones concentradas de sosa
cáustica, pueden tener efectos adversos en el acero causando
fragilidad cáustica, que se puede prevenir recubriendo con
niquel todas las partes del equipo que tengan contacto con
la misma.(4)
22
Tomando en cuenta lo descrito anteriormente, hay que diseñar
el evaporador con la superficie de calentamiento más pequeña
posible.(4)
3.3.4 Características del equipo a construir.
El evaporador tipo calandria proporciona una serie de
ventajas muy importantes para poder utilizarlo, como por
ejemplo:
a) Estos evaporadores pueden ser utilizados para
líquidos incrustantes, ya que como la evaporación
tiene lugar en el interior de los tubos, es muy
accesible a su limpieza. [8]
b) Estas unidades son relativamente bajas en su costo
ya que se pueden fabricar de acero al carbón.(8)
c) Tienen un rango muy amplio de coeficientes de
transferencia de calor.(6)
d) Este tipo de evaporador puede ser construido a muy
bajo costo en tamaños grandes, y es uno de los tipos
importantes de evaporadores para muy grandes
volúmenes de liquido.(6)
e) Estos evaporadores han funcionado satisfactoriamente
en todas las clases imaginables de servicio y es,
probablemente el más versátil de todos los
tipos. EnJ
23
3.3.5 Descripción del evaporador tipo calandria.
En la Figura 3.1 se muestra un evaporador tipo
calandria. Consiste en un haz de tubos verticales,
colocados entre dos espejos que se soldán en las bridas del
cuerpo del evaporador. La solución hierve en la parte
interior de los tubos verticales y ésto ocasiona un flujo
hacia arriba (5). Esta fuerza que hace fluir al líquido a
través de los tubos, es la diferencia de densidad entre el
líquido de la parte inferior y la mezcla bifásica en los
tubos. [8]
Mientras ésto sucede, el líquido no evaporado fluye hacia
abajo por un gran paso circular de derrame, que se localiza
en el centro del haz de tubos. (5)
Los tubos en estos evaporadores, consisten de tubos cortos
para así reducir la caída de presión y permitir una rápida
circulación del fluido que se maneja.(8)
El espacio sobre el nivel del líquido en estos evaporadores
sirve para liberar al líquido que es arrastrado por el
vapor, '^
Se le da el nombre de calandria a cualquier elemento de
calefacción, pero el término aplicado a evaporadores tiene
la connotación especial de una superficie de calefacción del
tipo que a continuación se describe:(6)
El cuerpo es un cilindro vertical que contiene un haz
de tubos, los cuales proporcionan la superficie de
calentamiento. Estos tubos pueden Ser de veinticinco a 24
Ventila Vapor
Alimentación
Purga del Condensado
Vapor de calentamiento
Solución Concentrada
Figura 3.1 Evaporador tipo calandria.
25
setenta y cinco milímetros de diámetro, y de veinticinco a
ciento ochenta centímetros de largo. Unas dimensiones muy
comunes son veinticinco milímetros de diámetro por un metro
cincuenta centímetros de largo. En el centro de la
calandria se deja una abertura que forma un conducto, por el
cual se efectúa la circulación, y se le denomina muchas
veces como "cañón". (4),(6)
£1 líquido queda dentro de los tubos y del cañón, y el
vapor por el exterior de los mismos llenando todo el espacio
comprendido entre las dos láminas o espejos de la
calandria.(6)
La conexión para alimentar la solución a concentrar, se
localiza en el espacio de vapor, por arriba de la calandria.
La solución concentrada se retira en la parte más baja del
fondo del evaporador. La alimentación del vapor de
calentamiento se realiza en la parte superior de la
calandria, mientras que el condensado de este vapor se
retira por la parte inferior de la calandria, a ras de
brida. [6]
El líquido evaporado es conducido a un condensador por
medio de un tubo, el cual, de acuerdo a lo observado
industrialmente, debe tener por lo menos un diámetro externo
del 25% del diámetro del cuerpo del evaporador, y el cual se
coloca en la parte superior del mismo. Para lograr la
condensación del vapor saturado o sobrecalentado obtenido de
la evaporación, se puede emplear un rocío directo de agua
26
fria bajo condiciones apropiadas de temperatura y
presión.(5)
Otra forma de realizar la condensación, es mediante un
condensador de superficie, por lo tanto, una vez que el
evaporador se encuentre generando vapor, éste se necesitará
condensar, realizando el cambio de fase y hasta también el
subenfriamiento del condensado.(5)
Finalmente, estos evaporadores no pueden ser utilizados
con materiales sensibles al calor y no son recomendables
para productos que cristalizan, a menos que una propela sea
utilizada para producir una circulación forzada.(8)
27
CAPITULO 4
DISEÑO
4 . 1 ECUACIONES DE DISEÑO.
A cont inuación se enumeran y d e t a l l a n todas l a s
ecuaciones u t i l i z a d a s en los c á l cu lo s para e l d i seño del
evaporador .
4.1.1 Evaporador.
QM>
1 ^ * V, X v , H v
0 ̂ T.. Y , _ H . _ m .
'V * " 1 J ' " J J * — J J
Figura 4.1 Esquema del evaporador .
Referido a la Figura 4.1:
BALANCE GLOBAL:(5)
F = L + V ( 1 )
F = Flujo másico de la alimentación, (kg/h).
V = Flujo másico del vapor, (kg/h).
L = Flujo másico de la solución concentrada, (kg/h).
BALANCE PARCIAL DE MATERIA:(5)
F* (XF) = V* (Xv) + L* (XL) { 2 )
Xp = Concentración del compuesto de interés en la
alimentación, (fracción en peso).
Xv = Concentración del compuesto de interés en el
vapor, (fracción en peso).
XL = Concentración del compuesto de interés en la
solución concentrada, (fracción en peso).
VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR: ^ 9 ]
Q = (mF - m L }*H v - (mF*HF) + (mL^HL) ( 3 )
Q = Velocidad de transferencia de calor, (kcal/h). 29
H F = Entalpia de la alimentación, (kcal/kg).
H-y = Entalpia del vapor, (kcal/kg).
H^ = Entalpia de la solución concentrada, (kcal/kg).
mF = Flujo másico de la alimentación, (kg/h).
m L = Flujo másico de la solución concentrada, (kg/h).
ECUACIÓN GENERAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR: [ 5 ]
Q = U*A*AT ( 4 )
Q = Velocidad de transferencia de calor, (kcal/h).
U = Coeficiente global de transferencia
de calor, (kcal/mzh°Cí.
A = Area de tra.n5-fere.ncia de calor, (m-?).
AT = Caída global de temperatura, (°C).
AREA EXTERNA DE "n" TUBOS:(7)
A = n*7i*d+l ( 5 )
A - Area externa de "n" tubos, (m*).
d = Diámetro externo del tubo, (m).
1 = Longitud del tubo, (m).
n - Número de tubos.
30
4.1.2 Cálculo de la altura del espacio de vapor. [3]
Figura 4.2 Esquema del espacio de vapor
Referido a la Figura 4.2:
VARIABLE ~Va : el
. [3]
V = 500 + {40/[0.01 + (Hv)2/2]} ( 6 )
Va = Variable "a", (m3/m3h) .
Hv = Altura del espacio de vapor, (m)
VARIABLE Vb: [3Í
Vb - Va + { [1/(1 + 1.1+HJ4]* (4500 - VJ }
W ( 7 )
Vb - Variable "b", (m3/m3h) .
Hfl - Altura del líquido por arriba de los tubos, (m) . 31
ALTURA DEL ESPACIO DE VAPOR:(3)
Hv = (4+V)/ (7ü*D2*^V* í*Vb) ( 8 )
#V = Altura del espacio de vapor, (m).
V = Flujo de vapor, (kg/h).
D = Diámetro interno del evaporador, (m).
* Y = Densidad del vapor, (kg/m3) .
f = Factor de presión.
Vb = Variable Mb", (m3/m3h) .
4.1.3 Presión interna permisible, (12)
PRESIÓN INTERNA PERMISIBLE EN RECIPIENTES A PRESIÓN:
P= (S*Ej+t*0.07032)/(ri + 0.6*t) ( 9 )
P = Máxima presión interna permisible, íkg/cm2).
S = Esfuer'zo admisible de trabajo, (lb/pulg2}.
Ej = Eficiencia de la conexión expresada
como fracción.(12)
t = Espesor de la coraza del evaporador, (pulg) .
r.¡ = Radio interno de la coraza del evaporador, (pulg).
32
4.2 ESPECIFICACIONES DEL EVAPORADOR.
Un dato importante para el diseño del equipo, es que el
valor tipico del coeficiente global de transferencia de
calor (U), para evaporadores tipo calandria, se encuentra en
el rango de (750 - 2500) kcal/m2h°C. [9]
4.2.1 Calandria.
La calandria es la parte del evaporador donde se lleva
a cabo la -transferencia de calor. Está formada por una
coraza y una serie de tubos arreglados alrededor de un tubo
central, todo entre dos espejos. ^
El medio de calentamiento, que es vapor de agua saturado,
fluye por afuera de los tubos y la solución a concentrar por
el interior de éstos.(5)
4.2.2 Arreglo del haz de tubos.
Se seleccionó un arreglo triangular, que es más
eficiente que el cuadrado (5),ya que en éste existe una
mayor turbulencia, debido a que el fluido, en este caso
vapor, fluye entre los tubos adyacentes a alta velocidad
golpeando directamente en la hilera siguiente. 33
4.2.3 Distancia entre tubos (pitch).
En la geometría de los tubos, el pitch (P) , es la
distancia entre dos tubos mínima permitida, desde el centro
de uno hasta el centro del otro.(1),(2)
Figura 4.3 Diagrama dei pitch.
El pitch adecuado para estos arreglos es máximo 1.5
veces el diámetro externo del tubo empleado.81),(2)
4.2.4 Tubo central o "cañón".
El tubo central o cañón, también conocido como tubo de
descenso, tiene por objeto llevar a cabo en la calandria una
circulación natural de la solución a concentrar.(14)
El cañón, debe cumplir con una especificación que dice que
el área transversal externa de este tubo debe ser del 50 al
34
100% el área externa conjunta de todos los demás tubos
arreglados a su alrededor.(14)
4.2.5 Area de transferencia de calor.
El área efectiva y total de transferencia de calor está
formada por el área externa lateral de todos los tubos que
forman a la calandria, tanto por aquellos en donde asciende
la solución, colocados alrededor del cañón, asi como también
por éste.
4.2.6 Diámetro y altura de la calandria.
Para calcular el diámetro y la altura de la calandria
se necesita conocer antes el área de transferencia de calor
(Sección 4.6), con ésta se seleccionan el calibre y cantidad
de tubos de ascenso, asi como el calibre del "cañón", todos
con una misma altura, y cumpliendo las especificaciones
antes vistas. Una vez que el área calculada sea igual a la
externa lateral de todos estos tubos, la altura seleccionada
será la de la calandria. Se procede a seleccionar el
arreglo y el "pitch", por último la coraza será el tubo
comercial que cumpla con la norma de que entre su pared
interna y el tubo más cercano a ésta exista por lo menos una
distancia de 8 mm.(13) 35
Finalmente el diámetro de la calandria, que es el mismo en
todo el evaporador, será el diámetro externo del tubo
seleccionado como coraza.
4.2.7 Espacio libre en los espejos.
No existe alguna especificación que diga un cierto
valor para el espacio libre en los espejos. Una vez
seleccionados los tubos, tan sólo resta jugar con el "pitch"
y tomar en cuenta que se cumpla la norma de los 8 mm, antes
descrita.
4.2.8 Espacio de vapor.
El espacio de vapor tiene la función de separar la
mezcla ascendente de solución a concentrar y de vapor, de
tal manera, que el vapor debe estar completamente libre de
la misma al pasar al condensador. [3]
4.2.9 Material de construcción.
El equipo en su totalidad debe estar construido de un
material que la solución de interés no lo afecte en su
funcionamiento, ni lo oxide y/o corroa (4)
4.3 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA.
Como problema de diseño se planteó concentrar 30 Kg/h
de una solución de hidróxido de sodio (NaOH) , desde el 10%
hasta el 30% en peso, empleando como medio de calentamiento/
vapor de agua saturado, a una presión manóme trica de
5 kg/cm2., en un evaporador tipo calandria, mismo que
operará a la presión atmosférica de la ciudad de Puebla.
4.4 BALANCE GLOBAL DE MATERIA.
A F = 30 kg/h. NaOH = 10% en peso.
™
^ "
L r^ NaOH =
* n2°
= 30% en peso. 70% en peso.
Figura 4.4 Esquematización del problema.
37
Realizando un balance de materia, con las Ecuaciones
(1) y (2), se obtiene:
L = 10 kg/h.
V = 20 kg/h.
4.5 .BALANCE PARCIAL DE MATERIA A PRESIÓN
ATMOSFÉRICA.
El siguiente cálculo se realiza considerando todas las
variables de proceso (presión, temperatura de ebullición,
etc.), operando a nivel de la cuidad de Puebla, en la que
el agua ebulle a 92 °C. y se tiene una presión atmosférica
de 585 .mm Hg.
F, Hp NaOH = 10% en peso. T = 30° C.
Vapor de calentamiento P= 5 kg/cm2.
•» V, Hv
NaOH = 0% en peso
s Q 1 • NaOH = 30% en peso
Figura 4.5 Diagrama del evaporador con sus variables. 38
De Tablas de Vapor (15)por experimentación, la
temperatura de ebullición del agua a nivel de la ciudad de
Puebla es de 92 °C.
Apoyados de la Figura 4.5, con los datos
representados, se procede a realizar las siguientes
lecturas:
La temperatura de ebullición de la solución concentrada al
30%, obtenida de las lineas de Dürhing (9), de 107 °C.
La entalpia de alimentación, es de:(9)
H F = 27 kcal/kg,
La entalpia de la solución concentrada, es de:(9)
H L = 96 kcal/kg.
La entalpia del vapor a 107 °C., se obtuvo de las
Tablas de Vapor (15),es igual a:
H v = 643.61 kcal/kg.
Empleando la Ecuación (3), se obtiene la velocidad
de transferencia de calor (Q) , desde la superficie de
calentamiento hacia el liquido, necesaria para alcanzar la
concentración deseada:
Q = 13,022.2 kcal/h. 39
Del Apéndice 6, del Me. Cabe l9l, la temperatura de
condensación, a la presión absoluta (5.7 951 kg/cm2), del
vapor de calentamiento es de 156.68 °C. , por lo que la
diferencia de temperaturas es igual a:
AT = 49.68 °C.
Ahora bien, con estos dos últimos datos y con el rango
de los coeficientes globales de transferencia de calor (U) ,
(Sección 4.2}, para este tipo de evaporadores, y empleando
la Ecuación (4), se construye la Figura 4.6, denominada
gráfica A. vs. U., misma que muestra el comportamiento del
área de transferencia de calor (A) , en función del rango de
los coeficientes globales de transferencia de calor (U).
4 .6 AREA Y COEFICIENTE GLOBAL DE
TRANSFERENCIA DE CALOR,
Como se aprecia en la Figura 4.6, para los coeficientes
globales de transferencia de calor, en el rango especifico
de 750 a 1000 kcal/m2h°C., existe un cambio o incremento de
área notable, que en los rangos sobrantes no hay, por lo que
se considera que entre estos coeficientes se encuentra el
adecuado para el evaporador.
40
"ü c 0
£ tn
£& •Q CO 0
<
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0 0 500 1000 1500 2000
Coeficiente de Transferencia de Calor Kca!/(h)(m2)(°C)
2500 3000
Figura 4 .6 Grá f i ca A v s . U.
Se seleccionó el coeficiente de 800 kcal/m2h°C, ya que
dentro de este rango especifico, es el que posee el área
ideal para un equipo planta piloto, y que es igual a
0.32765 m2.
Esta área incluye únicamente a la de los tubos
alrededor del cañón, y para los cuales se nos facilitaron
por parte de Grupo IDESA, tubos de 1" BWG-14, seleccionando
12 de estos tubos con 35 centímetros de largo, ya que estos
tubos con este diámetro y con esta longitud tienen un área
externa, empleando la Ecuación (5), de 0.33514 m2 ., que
es casi igual a la preestablecida. Pero para esta nueva
área, el coeficiente global de transferencia de calor ideal,
obtenido de la Ecuación (4), es de 782.12 kcal/m2h°C.
Ahora bien, se seleccionó como "cañón" un tubo de
3" C-4 0, con también 35 centímetros de largo y con un área
externa de 0.09775 m2.
Por lo tanto, el área total de transferencia de calor
del evaporador la conforman la sumatoria de las dos áreas
anteriores, quedando igual a:
A = 0.4329 m2.
Asi mismo, de la Ecuación (4), para esta nueva área el
coeficiente global de transferencia de calor para el
evaporador es de:
U = 605.50 kcal/m2h°C. 42
4.7 GEOMETRÍA DE LA CALANDRIA.
La calandria queda entonces formada por 12 tubos de
1" BWG-14, colocados en un arreglo triangular, con un pitch
de 3.8 centímetros, que es 1.496 veces el diámetro de estos
tubos.
El cañón lo forma un tubo de 3" C-4 0, ya que su área externa
es el 100% el área externa conjunta de los 12 tubos a su
alrededor.
La coraza la forma un tubo de 8" C-40, ya que con él, se
cumple con la distancia de 8 milímetros del tubo más alejado
del centro de la calandria a la pared interna de la coraza,
además se tiene un espacio libre adecuado, ya que con un
tubo de 10" este espacio sería enorme, los ocho milímetos no
se cumplirían y el "pitch" se saldría de especificaciones, y
con un tubo de 6" como coraza, los tubos se tocarían con lo
que se tendría muy poco espacio libre entre tubos.
Finalmente la calandria en su totalidad tiene un largo
de 35 centímetros y un diámetro de 20.27 centímetros, que es
el diámetro interno del tubo de 8" C-40.
En la Figura 4.7, se muestra la geometría de la calandria.
43
TUBOS DE LA CALANDRIA CORAZA
Tubos de la calandria Tubos de T BWG-14 Dlnt 0.834" 2.118cm Dext 1.000" 2.540cm Espesor 0.083' 0.211 cm
Coraza Tubo de 8" C-40 Dlnt 7.981" 20.27crrt Dext 8.625" 21.90crrt Espesor 0.322" 0.818cm
Tubo de descenso Tubo de 3" C-40 Dlnt 3.068' 7.790cm Dext 3.500' 8.890cm Espesor 0.216* 0.550cm
Esc: 1:1.7
Figura 4.7 Geometría de la calandria.
44
4.8 ALTURA DEL ESPACIO DE VAPOR
Realizando una iteración con las Ecuaciones (6), (7)
y (8), con las siguientes condiciones:
La altura del liquido por arriba de los tubos es de:
Hw = 0.1 m.
El diámetro interno del evaporador es igual a:
D = 0.2027 m.
La densidad del vapor a 585 mm Hg, es de: (11)
^ v = 0.5833 kg/m\
El flujo de vapor es igual a:
V = 20 kg/h.
El factor de presión a 585 mm Hg, es de:(4)
f =1.05
Se obtiene que la altura del espacio de vapor es de 0.30 m.
Pero conociendo la importancia de que exista un vapor libre
de la solución de interés en el domo del evaporador, se le
añade un 50% más al cálculo, por lo tanto la altura de éste
es de:
Hy = 0.45 m.
Otra manera de conocer esta altura es de lo que se
maneja en la industria. En donde, para estos evaporadores
tipo calandria, se considera que su altura total está 45
formada por la altura de la calandria y por la del espacio
de vapor, excluyendo las tapas. La calandria con un
promedio del 4 0 al 4 5 % d e la altura total, y el espacio de
vapor del 55 al 60% de la misma.
En el presente diseño la calandria representa el 43,75%
y la altura del espacio de vapor el 56.25%, por lo que el
diseño está dentro • de los limites que la experiencia
industrial ha demostrado.
4.9 ESPEJOS Y BRIDAS.
En los espejos, los tubos que forman la calandria
entran a presión y se soldan,de manera que no existan
fugas, y de este modo un tubo puede ser cambiado, sin
afectar a los demás.
Estos espejos son de placa de acero al carbón, y por
conveniencia las bridas y los espejos que van unidos al tubo
de 8" y que forman las tapas de la calandria, están los dos
fabricados en una sola pieza, que se denominará en adelante
como "espejo-brida".
El espesor de la placa que forma los espejos-bridas
debe ser entre la mitad y el total del diámetro externo de
los tubos utilizados como medio de calentamiento. (14) En
este caso estos tubos son de 1" BWG-14, por lo tanto el
espesor de la placa puede ser de 1.27 a 2.54 centímetros. 46
Finalmente se utilizó placa de acero al carbón de H", para
construir los espejos-bridas y las bridas de ocho pulgadas
del cuerpo del evaporador.
Cabe mencionar que estas bridas se manufacturaron de
acuerdo a las especificaciones que marca el código de
tuberías para refinerías petroleras (ANSI) *•11^ para bridas
de 150 psia, para uso con tuberías de acero al carbón.
i
4.9.1 Mirillas.
Las mirillas están formadas por bridas de 4" S.O.
(Slip-on) , de 150 psia, para uso con tuberías de acero al
carbón, empleando vidrio de boro silicato para altas
temperaturas.
4.10 TAPONES CAPA.
Se utilizaron tapones capa semielipsoidales de 8" C-4 0,
tanto para el fondo como para el domo del evaporador. Estos
son los indicados para recipientes a presión (1), y tienen
una altura de 10 centímetros y un espesor de 8 milímetros.
47
4 . 1 1 PRESIÓN DE OPERACIÓN DEL EVAPORADOR.
Empleando l a Ecuación (9) y tomando en cuen ta que la
coraza e s t á formada por un tubo de 8" C-4 0, con l a s
c o n d i c i o n e s s i g u i e n t e s :
El e speso r de l a coraza de l evaporador es d e :
t = 0 .322" .
El radio interno de la misma es igual a:
r¿ = 3.99".
El esfuerzo admisible de trabajo para el acero al carbón es
de: (12)
S = 13,700 psi.
La eficiencia de las uniones expresadas como fracción: I-12]
Ej = 0.8
Se obtiene la presión máxima de operación del equipo:
P = 59.32 kg/cm2.
Se concluye, que con el espesor del tubo empleado como
coraza, está muy sobrado el diseño en cuanto a soporte de
presión, ya que en la calandria se tiene una presión de
5 kg/cm2 y en el espacio de vapor no se tiene más de
1 kg/cm2.
48
4.12 DIMENSIONES DEL EVAPORADOR.
Las dimensiones finales del evaporador son las
siguientes:
Una calandria, con una altura de 0.35 metros.
Un espacio de vapor, con una altura de 0.45 metros.
Dos tapones capa, con una altura de 0.10 metros cada uno.
Por lo tanto la altura total del evaporador es de 1
metro y tiene un diámetro exterior de 21.9 centímetros.
En la Figura 4.8, se pueden aprecian las dimensiones
del evaporador.
49
Espesor de bridas
1.27
0 = 3.35
4.3
12
2
h ' 1
.
•
Cf~
; 0=20 <*=10 : —7
V^y x ^ —
- 0 = 6.04
.
4> =2.13 / -s
t :
^ 0=3.35
0 = 2.13
/
Espesor
1.27
R
15.7
1
,
0=2.13
y * /¿
J
*
. 6 .
V : ^ \ ' '
_̂ C \ ; 0 = 3.35
21.9 • 1—h-
6
•
~í>=
3.3 1
4
2.13
Acot: cm Esc: 1:6.78
10
45
35
10
Figura 4 .8 Dimensiones d e l evaporador . 50
4.13 ESPECIFICACIONES DEL CONDENSADOR.
Uno de los equipos adicionales para el evaporador es un
condensador. Este es de coraza y tubos, fluyendo el vapor
por la coraza, y el agua de enfriamiento, por los tubos.
La coraza la forma un tubo de 4" C-40, la cual tiene
arreglados en forma triangular siete tubos de 1" BWG-14, con
un pitch de 3.2 centímetros, o 1.26 veces el diámetro
externo de estos tubos.
En la Figura 4.9, se muestra la geometría del condensador
empleado.
La coraza y los tubos tienen un largo de 75
centímetros, por lo tanto, empleando la Ecuación (5) , se
tiene que el área de transferencia de calor, del condensador
es de 0.4189 m2.
El condensador no tiene tapones capa, sino el mismo tubo de
4" C-40, con 5 centímetros de largo, con una placa de acero
al carbón soldada que hace la función de tapa. Por lo que,
el condensador tiene un largo total de 85 centímetros y un
diámetro de 11.43 centímetros, que e$ el diámetro externo
del tubo de 4" C-40.
El condensador se encuentra en posición vertical y con
el flujo del agua de enfriamiento a contracorriente, ya que
ésta es la forma más adecuada.(5) 51
Pltch=3.2cm
Tubos interiores Coraza Tubos de 1" BWG-14 Tubo de 4" C-40 Dint 0.834" 2.118cm DInt 4.026" 10.22cm Dext 1.000" 2.540cm Dext 4.500" 11.43cm Espesor 0.083" 0.211 cm Espesor 0.238" 0.ó05cm
Esc: 1:1.14
Figura 4.9 Geometría del condensador.
52
El tubo que alimenta el vapor al condensador es de
acero al carbón, de 2" C-40.
Las bridas y los espejos-bridas son de placa de acero
al carbón de H" de espesor.
La recolección del condensado se realiza por medio de
un tubo de V C-4 0, colocado en la parte inferior del
condensador, a ras de brida.
La alimentación y descarga del agua de enfriamiento se
realiza por medio de tubos de 1/2 c-40
Finalmente, cabe mencionar que el condensador empleado,
cumple tanto en diseño, como en sus materiales y en su
construcción con las normas del código ASME (2), asi como
las del código ANSI, (1l]
En la Figura 4.10, se pueden apreciar las dimensiones del
condensador.
53
Espesor de bridas
1.27
1-6.04
11.43
Espesor de bridas
1.27
5.6
¿"2.13
¿-2.13
5.6
75
•¿-2.13
Acot : c m Esc: 1:5.78
Figura 4.10 Dimensiones del condensador
54
CAPITULO 5
EXPERIMENTACIÓN
5.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.
Misma que se señala en la Figura 5.1, en la que se
aprecia el lugar donde se encuentra cada instrumento y
accesorios, y en la Tabla 5.1, se describen cada uno de
éstos. Asi se facilita la comprensión del manejo del equipo
que a continuación se describe.
5.2 MANEJO DEL EQUIPO.
Para realizar una corrida con el equipo {evaporador y
condensador), tomando como guia la Figura 5.1, se llevan a
cabo los siguientes pasos:
Figura 5.1 Descripción del equipo.
56
(A) Válvula de alimentación, válvula roscada de esfera de 1" para 600 psia
(B) Tubo indicador de nivel, de 1/2' de diámetro.
( Q ) V á l v u l a para la solución concentrada, válvula de esfera de 11/2",
(D) Válvula de alivio, válvula de esfera de 1/2".
(E) Válvula del condensado, válvula de esfera de 3/4'
(F) Válvula del vapor de calentamiento.
(G) Manómetro de entrada de vapor de calentamiento, carátula de 4", de 0 a 4 kg/cm2.
(H) Trampa de vapor, termodinámica, roscada, 1/2".
(1) Mirillas, vidrio de boro silicato, 4", bridas S. 0. de 4".
(J) Válvula de entrada del agua de enfriamiento, válvula de.esfera, roscada, de 1/2".
(K) Termómetro del fondo, bimetálico con salida posterior roscada de 1/2", carátula de 3", O a 200°C, vastago largo de 5".
(L) Termómetro del domo, bimetálico con conexión inferior roscada de 1/2", carátula de 5",0 a 200°C, vastago largo de 12".
(M) Manovacuómetro del domo, carátula de 3.5", de 760 mm de Hg a 17 kg/cm2.
(0) Purga de la calandria, tubo de 1/2", C-40.
(P) Tubo evaporador-condensador, tubo de 2", C-40-
(Q) Tapón capa, tubo de 8", C-40.
(R) Válvulas de nivel, válvulas en ángulo, de 3/4 NPT, roscadas, anillos bitón, con llaves de plástico.
(S) Bridas, placa de acero de 1/2".
Tabla 5.1 Descripción del equipo.
57
1) Cerrar todas las válvulas del equipo, excepto las
de nivel.
2) Abrir la válvula de alimentación (A) agregando
" la solución a evaporar hasta 5 centímetros por
arriba del haz de tubos, el tubo indicador de nivel
(B), facilita esta operación.
3) Abrir la válvula de alimentación del vapor de
calentamiento (F), verificando la presión con la
que se desee trabajar, mediante la lectura del
manómetro (G), ubicado en la entrada del vapor a la
calandria.
4) Asegurarse que la trampa de vapor (H), trabaje
correctamente, si no es asi, se golpea en su parte
inferior varias veces, y si aún no trabaja, se
suspende el suministro de vapor y se desaloja el
mismo contenido en la calandria abriendo la purga
(0) . Una vez que se ha reemplazado la trampa,
regresar al paso 3) .
5) Abrir la válvula de alivio (D) del evaporador, asi
como la del condensado (E) y la del agua de
enfriamiento (J) del condensador,
6) Para verificar que ha comenzado la ebullición, se
mira a través de las mirillas (I), y que también se
comprueba en la válvula de alivio (D), ya que se
observa la presencia de vapor en ella, la cual se
cierra posteriormente.
7) Cumplido el paso 6), abrir y regular de inmediato 58
la válvula de la solución concentrada (C), hasta
obtener el flujo requerido, él cual se obtiene del
balance de materia.
8 ) A l igual, se regula la válvula de alimentación (A),
al flujo requerido, manteniendo siempre el embudo
de alimentación lleno o a nivel con la solución a
evaporar, y en todo momento Verificar que el nivel
de la solución dentro del evaporador no baje de los
5 centímetros por arriba del haz de tubos.
9) Una vez obtenidas las primeras gotas de condensado
se regulan las temperaturas, tanto de éste, como la
de la salida del agua de enfriamiento, mediante
la regulación de la válvula {J), la temperatura de
la entrada de esta agua será la del ambiente, y se
buscará que la temperatura del condensado sea de
25 a 30 °C, por motivos ecológicos.
10) La válvula de condensado (E) siempre se abre a toda
su capacidad, ya que al regular las válvulas de
alimentación (A) y de solución concentrada (C), el
flujo de condensado se ajusta perfectamente al
balance global de materia.
11) Después de aproximadamente quince minutos, de
operación en estado estable, se toman muestras de
solución concentrada, las cuales se titulan,
mediante el método ácido-base, empleando como
titulante ácido clorhídrico (HC1) 0.1 N, y
fenoftaleina como indicador.(10) 59
Hay que estar constantemente verificando, que los
flujos másicos se cumplan en las válvulas (A) y
(C) , y si no, regularlos.
Se verifica que no exista arrastre de sosa cáustica
en el condensador, ésto se realiza agregando unas
gotas de fenoftaleina a una muestra del condensado
obtenido de la válvula (E), la ausencia de sosa
cáustica se verificará al no colorearse la
muestra. (10)'
En caso de existir arrastre, en este momento se
suspende la corrida, se siguen los pasos de la
Sección 5.2.1, lavando con abundante agua, sobre
todo el condensador, y no iniciar otra corrida
hasta comprobar que el condensador está libre de
sosa cáustica.
Se construye una tabla con los siguientes datos, de
los cuales algunos son experimentales, ya que se
requieren para realizar los cálculos, por ejemplo:
balance global de materia, determinación del
coeficiente global de transferencia de calor del
evaporador, etc.
- Flujo de la solución alimentada. (A)
- Concentración de la solución alimentada. (A)
- Temperatura de la solución alimentada. (A)
- Presión del vapor de calentamiento. (G)
- Presión de operación. (M)
- Flujo de la solución concentrada. (C) 60
- Concentración final en el fondo. (C)
- Temperatura de la solución concentrada. (K)
- Flujo de vapor en el domo.
- Temperatura del vapor en el domo. (L)'
- Flujo del condensado. (E)
- Temperatura del condensado. (E)
- Temperatura de la entrada del agua de
enfriamiento. (J)
- Temperatura de la salida del agua de
enfriamiento.
- Flujo del agua de enfriamiento. (J)
- Existencia de arrastre de sosa cáustica en
el condensado (E).
De donde las letras, referidas a la Figura 5.1, indican
el lugar de la medición de la variable.
Al ver que todos estos datos no tienen variación y
verificando que la operación es continua, es decir, el flujo
de la alimentación, de la solución concentrada y del
condensado se mantienen constantes al igual que la presión
del vapor de calentamiento, finaliza la corrida, la cual se
realiza, desde que se prepara la solución de alimentación,
hasta obtener un estado estable, en una hora.
61
5.2.1 Finalización de la corrida.
Para terminar se procede a vaciar y limpiar el equipo,
siguiendo los pasos que a continuación se enumeran:
1) Se cierra la válvula de alimentación del vapor de
calentamiento (F).
2) Se cierra la válvula de la solución alimentada (A) .
3) Se deja abierta la válvula del agua de enfriamiento
(J), unos 10 minutos, para asegurar que el vapor
que se siga formando se condense, para después
cerrarla.
4) Se abre la válvula de alivio (D).
5) Se purga el evaporador por medio de la válvula (C) .
6) Se purga el condensador a través de la válvula (E) .
7) Se limpia el equipo suministrándole abundante agua.
8) Dejar el equipo con todas sus válvulas abiertas.
5.2.2 Seguridad.
Para protección del operador del equipo se tienen que
cubrir los siguientes dispositivos de seguridad:
1) El usuario debe protegerse físicamente con el equipo
de seguridad, que consta de:
- Careta de acrilico.
- Lentes de seguridad.
- Traje de cuerpo completo de plástico. 62
- Guantes.
- Botas largas de hule.
2) No usar zapato tenis.
3) Asegurarse que no existan fugas en el equipo, ni en
las conexiones del vapor de calentamiento.
4) Alejarse de la salida de la trampa de vapor.
5) No tocar directamente al equipó.
6) Evitar hasta donde se pueda, cualquier contacto con
el equipo una vez que esté en funcionamiento, ya que
se puede encontrar a altas temperaturas.
7) Cuando se alimenta la solución a concentrar,
mantenerse alejado de la persona que la realiza.
8) Verificar que la presión del Vapor de calentamiento
permanezca siempre constante.
9) En caso de contacto directo con la sosa cáustica,
lavar la parte afectada con abundante agua.
5.3 DATOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS.
Se operó el equipo a las siguientes presiones
manométricas de vapor de calentamiento: 1, 1.5 y 3. 5 kg/cm2.
La razón de ésto fué que en Grupo IDESA, donde se llevaron a
cabo las corridas, se contaba con esta$ tres presiones a las
horas en que se realizaban las mismas, y para utilizar
una presión de 5 kg/cm*, se tenia que transportar el equipo 63
al interior de la planta, mientras que en la planta piloto
donde se encontraba, se contaba con todos los servicios y es
un lugar seguro. Ahora bien, con las presiones utilizadas,
se puede apreciar como varia el coeficiente global de
transferencia de calor (U) , y la cantidad de calor (Q) ,
requerida para llevar a cabo la evaporación.
En la Tabla 5.2, se conjuntan todos los datos
experimentales obtenidos a estas tres presiones operadas
en el evaporador.
5.4 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE
CALOR A DIFERENTES PRESIONES.
A continuación se ejemplifican estos cálculos para una
presión, seleccionando la de 3.5 kg/cm2, ya que es la que
más se aproxima a la presión de diseño.
Utilizando el mismo procedimiento de cálculo de la
Sección 4.5, y apoyados con los datos correspondientes de la
Tabla 5.2, se obtiene:
La temperatura de ebullición de la solución concentrada es
de 98 °C.
La entalpia de la alimentación, es de:(9)
HF = 28 kcal/kg.
64
EVAPORADOR
Flujo de la solución alimentada (kg/h).
Concentración de la solución alimentada (%).
Temperatura de la solución alimentada (*C).
Presión de operación (mmHg).
Flujo de la solución concentrada (kg/h).
Concentración final en el fondo (%).
Temperatura de la solución concentrada (*C).
Flujo de vapor en el domo (kg/h).
Temperatura del vapor en el domo (*C).
CONDENSADOR
Flujo del condensado (kg/h).
Temperatura del condensado (*C).
Temperatura entrada agua de enfriamiento (*C).
Temperatura salida agua de enfriamiento (*C).
Flujo del agua de enfriamiento (It/rnin).
Arrastre de NaOH en el condensado.
Presión manóme trica del vapor
(kg/crrr1)
1
30 5
30
585
15.15
9.9 93
14.85
93
14.85
30
20
26
24
No
1.5
30 5
30
585 12.50
12 94
17.50
94
17.50
30
20
26
28
No
3.5
30 5
30
585
7.6
19.7
98
22.4 98
22.4
30
20
26
40
No
Tabla 5.2 Datos experimentales obtenidos.
65
La entalpia de la solución concentrada, es de: Lyj
HL = 85 kcal/kg.
La entalpia de vapor, a partir de las Tablas de vapor Ll5]^
es igual a:
Hv = 634.4 kcal/kg.
Empleando la Ecuación (3) , con estas entalpias, y con los
flujos correspondientes tomados de la Tabla 5.2, se obtiene
la velocidad de transferencia de calor:
Q = 14,016.56 kcal/kg.
Del Apéndice 6 (9)la temperatura de condensación del vapor
a la presión absoluta de 4.2951 kg/cmz., es de 145.48 °C.
Por lo que la diferencia de temperaturas es igual a:
AT = 47.48 °C.
El área de transferencia de calor de todos los tubos de la
calandria es de:
A = 0.4329 m2.
Y el área de transferencia de calor específicamente para los
tubos BWG de la calandria, es igual a:
66
A = 0.33514 m2.
Finalmente, despejando de la Ecuación (4), el coeficiente
global de transferencia de calor, para el área de 0.4329 m7-,
es igual a:
U = 681.93 kcal/m2hQC.
Y para el área de 0.33514 ra?, el coeficiente global es de:
U = 880.85 kcal/m2h°C.
A continuación se presenta la Tabla 5.3, la cual muestra un
resumen de estos resultados experimentales, para el
evaporador, a las tres diferentes presiones de vapor de
calentamiento utilizadas.
67
Cantidad de calor, Q (Kcal/kg)
Coeficiente global de transferencia de calor, U para A = 0.4329 m2.
Kcal/thXm2)^)
Coeficiente global de transferencia de calor, U para A = 0.33514 irf.
Kcal/íhHmXC)
Diferencia de temperaturas, AT
(°C)
Presión manométrica del vapor (kg/crrr2)
1
9633.80
938.99
1212.89
23.7
1.5
11117.47
857.18
1107.23
29.9G
3.5
14016.56
681.93
880.85
47.48
Tabla 5.3 Resumen de resultados experimentales.
68
CAPITULO 6
OBSERVACIONES Y
RECOMENDACIONES
6.1 OBSERVACIONES.
Antes que nada, cabe mencionar que el equipo operó a la
perfección, fue preciso, no se tuvieron problemas de ninguna
especie/ es un equipo seguro y fácil de operar.
Basados en las Tablas 5.2 y 5.3, se observa que:
1) Para cumplir con el balance global de materia del
proceso en estado estable, basta con mantener
constantes los flujos de alimentación (A), y de la
solución concentrada (C).
2) Al aumentar la presión del vapor de calentamiento
(G), aumentan las temperaturas del fondo y domo. Y
se logra una mayor concentración de la solución
alimentada.
3) El equipo es capaz de perfeccionarse, por lo que se
recomienda instalarle un sistema de vacio, con el
objeto de obtener mejores resultados.
4) Si se quiere conservar las mismas temperaturas en
el condensador, tanto la de la 'entrada como la de la
salida del agua de enfriamiento, asi como la del
condensado (E), en cada experimento a diferentes
presiones, hay que aumentar o disminuir el flujo de
esta agua (J), según se aumente o disminuya la
presión del vapor de calentamiento (G),
respectivamente.
5) Por observación, si se mantiene a no más de 10
centímetros por arriba del haz de tubos el nivel de
solución en evaporación, se asegura que no existe
arrastre de la misma al condensador, ya que al pasar
este limite se corre un alto riesgo de arrastre.
6) Realizar una práctica con el equipo es de bajo
costo, y mediante el mantenimiento y cuidados
citados del mismo, puede utilizarse por un tiempo
indefinido.
70
6.2 RECOMENDACIONES.
Además de lo que se mencionó en la Sección 5.2, de como
operar el equipo y hacerlo con la seguridad y precauciones
requeridas, otra recomendación primordial es la de la
limpieza y mantenimiento del equipo.
Las sustancias alimentadas en evaporadores no pueden
recibir un tratamiento previo, ya que aunque se trata de
soluciones acuosas, cualquier tratamiento influye en la
concentración o en la calidad de la sustancia obtenida. Por
eso, como no se pueden hacer tratamientos previos, es
necesario desarrollar un programa de mantenimiento y
limpieza, después de utilizar el equipo, para conservar el
área de transferencia de calor lo más limpia posible. (11)
Cuando se utilicen soluciones que formen incrustaciones
se puede seguir el siguiente procedimiento:
Cada tres meses de utilizar el equipo frecuentemente con
este tipo de soluciones, hervir en el evaporador a la
presión atmosférica una solución acuosa al 5% de ácido
clorhídrico (HC1), durante un tiempo razonable para después
purgar la solución. 13-11
Aunque no se utilicen soluciones incrustantes, y si el
agua de las soluciones acuosas no fué tratada, se recomienda
cada seis meses hacer el lavado con la solución al 5% de
ácido clorhídrico. [11]
71
Cada seis meses se tienen que revisar el estado en que
se encuentren todas las válvulas del equipo, ajustarías si
es necesario, y si no se puede, cambiarlas. Limpiar los
vastagos de los termómetros, y revisar que no estén tapados
los conductos de los manómetros ni de la trampa de vapor.
Para calibrar los termómetros bimetálicos, se calienta
agua a cierta temperatura y se mantiene constante, la
lectura de ésta se realiza mediante un termómetro de
referencia (ASTM). Después se introduce el vastago del
bimetálico en el agua, y por medio de girar el tornill'O de
ajuste colocado en la parte posterior del instrumento, se
lleva la aguja del mismo hasta la temperatura indicada.
Esto mismo se realiza a varias temperaturas, y se comprueba
que quedó bien calibrado al ver que se comporta
correctamente a diferentes temperaturas.
Para calibrar los manómetros, se realiza algo
semej ante. Después de haber revisado que los conductos del
instrumento no se encuentren sucios o tapados, se procede a
colocar el manómetro a calibrar, en un manómetro patrón,
cuya carátula mide hasta décimas de presión. Este aparato
además tiene diferentes conexiones, donde se colocan los
manómetros descalibrados, a los cuales se les ejerce una
misma presión, la cual es registrada por el manómetro
patrón, y que debe ser la misma en todos. En caso de que no
coincidan las lecturas de éstos con la del patrón, se
calibran por medio del tornillo de ajuste, colocado en la
parte interior del manómetro. 72
La compañía Walace norteamericana, fabrica estos aparatos,
cuya marca es reconocida mundialmente.
Se recomienda llevar un registro del uso del equipo a
fin de poder establecer un control sobre éste, y conocer en
cualquier momento las condiciones en las que ha operado y
las soluciones que han sido empleadas.
73
CAPITULO 7
CONCLUSIONES
El evaporador tipo calandria, instalado en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Escuela de
Ingeniería Química, cumple así el propósito señalado en el
Objetivo de este trabajo práctico, de proporcionar al
estudiantado un nuevo equipo de proceso para reforzar sus
conocimientos teóricos al realizar prácticas, en el que
podrá obtener determinadas concentraciones de la solución
alimentada, calcular la velocidad de transferencia de calor
(Q) , y el coeficiente global de transferencia de calor
(U) , a partir de datos reales de proceso.
Algunos de los coeficientes globales de transferencia
de calor obtenidos en el Capítulo 5 tienen una pequeña
variación a los reportados en la Sección 4.2, ésto se
explica a que los últimos son valores típicos y que no
forzosamente se deben de cumplir, además de que no se
especifica un rango de presión de operación para los mismos
y el área a la que están referidos.
Ahora bien, se calcularon los coeficientes globales
considerando solamente el área de los tubos BWG arreglados
alrededor del cañón para las tres presiones del vapor de
calentamiento, asi como estos mismos coeficientes tomando el
área de todos los tubos en la calandria. La razón de ésto
es que el cañón es el medio para efectuar la convección
natural, su espesor es tal que ofrece resistencia a la
transferencia de calor y que además no es de cédula BWG,
pero por otro lado, es parte de la calandria y está en
contacto con el vapor de calentamiento todo el tiempo, y que
en el mercado se carece de tubos de 3" BWG.
Los coeficientes globales considerando únicamente el
área de los tubos BWG están dentro del rango
(7 50 -2500) kcal/m^h°C, al igual que para los del área de
todos los tubos, pero en estos últimos para la presión de
calentamiento de 3.5 kg/cm^, el coeficiente global no está
dentro del rango.
El coeficiente global de transferencia de calor
observado en el evaporador, para las condiciones en que se
realizaron las corridas, disminuye al aumentar la presión
del vapor de calentamiento.
75
BIBLIOGRAFÍA
1. ASME. Boiler and Pressure Vessels Code. Sección
VIII. 1976.
2. ASME. Heating Boilers Code. Sección IV. 1976.
3. BILLET, REINHARD. Evaporation Technology. Princi
ples, Aplication, Economics. la. ed. en inglés.
1989. Editorial V.C.H. Weinheim, Germany.
4. DAVINDA, MEHRA K. / BROWN ROOT. Selecting of Eva
porators. Chemical Engineering. February 1986.
5. KERN, DONALD Q. Procesos de Transferencia de Calor,
la. ed. en español. 1987. cía. Editorial Continen
tal. México D.F., México.
6. KIRK, RAYMOND E. / OTHMER, DONALD F. Enciclopedia
de la Tecnología Química, la. ed. en español. 1961.
Editorial ÜTEHA. México D.F., México.
7. LEHMAN, CHARLES H. Geometría Analítica. Novena
reimpresión en español. 1985. Editorial Limusa.
México D.F., México.
8. Mc.ADAMS, WILLIAM H. / GILLILAND, EDWING A. Prin
cipios de Ingeniería Química. 3a. ed. en español.
1985. Editorial McGraw-Hill. México D.F., México.
9. Mc. CABE, WARREN L. / SMITH, JULIAN C. Operaciones
Básicas de Ingeniería Química. la. ed. en español.
1981. Editorial Reverte. Madrid, España.
10. OROZCO, FERNANDO D. Análisis Químico Cuantitativo.
3a. edición. 1956. Editorial Porrúa, S.A.
México D.F., México.
11. PERRY, ROBERT H. Biblioteca del Ingeniero Químico.
5a. ed. en español. 198 6. Editorial McGraw-Hill.
México D.F., México.
12. PETERS, MAX S. / TIMMERHAUS, KLAUS D. Plant Design
and Economics for Chemical Engineers. 3D. Edition.
1978. International Student Edition. U.S.A.
13. PHADKE, P. S. Determining Tube Counts for Shell and
Tube Exchangers. Chemical Engineering. September
1984.
14. SINNOTT, R. K. An Introduction to Chemical En
gineering Desing. 1983. Editorial Beramond.
Volume 9. Oxford, England.
15. SMITH, J. M. / VAN NESS, H. C. Introducción a la
Termodinámica en Ingeniería Química, la. ed. en
español. 1980. Editorial McGraw-Hill. México D.F.,
México.
77
