Universidad Privada del Valle Servicios de laboratorio Laboratorio de Petrleo Gas y Energa

PRACTICA N 1 EVAPORACION

Nombre: Alarcn Moiss Docente: Ing. Martha siles Materia: Lab. Operaciones Unitarias II Fecha: 25 de Abril de 2011 Cochabamba - Bolivia EVAPORACIN 1. Objetivos. 1.1. Objetivo general.

Aplicar las ecuaciones de clculo para evaporadores en un proceso de concentracin de un producto en un evaporador de simple efecto y discontinuo por lotes. 1.2. Objetivos especficos. Calcular el balance de masa en el proceso. Calcular el balance de energa en el proceso. Extrapolar con los datos de la prctica a condiciones industriales.

2. Justificacin. En muchos casos no existe una evaporacin ptima de compuestos o soluciones especialmente en nuestro medio, por ejemplo en la evaporacin de salmuera para producir sal comn, la separacin entre evaporacin y cristalizacin dista mucho de ser ntida. El fin que se persigue con la presente prctica que hace referencia a la

evaporacin principalmente es la obtencin de un slido de pureza adecuada a partir de soluciones como un proceso de separacin no solo en salmueras sino tambin de otros productos muy solubles y as almacenaje de dicho slido. se facilite el transporte o

3. Fundamento terico. La evaporacin es un proceso por el cual una sustancia en estado lquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energa suficiente para vencer la tensin superficial. A diferencia de la ebullicin, este proceso se produce a cualquier temperatura, siendo ms rpido cuanto ms elevada aqulla. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullicin.

En este proceso

la concentracin, compuesta por soluciones diluidas, el

disolvente se elimina por ebullicin del mismo por calentamiento con diferentes energas o por simple calentamiento en grandes superficies que permite la prdida del solvente sin llegar a la ebullicin por ejemplo mediante la energa solar. Normalmente el disolvente universal que se remueve es agua pero en muchas industrias tambin se evaporan solventes orgnicos. La formacin de cristales en una solucin exige la condicin de que se alcance un estado de sobresaturacin ya sea por evaporacin, enfriamiento o adicin de un compuesto qumico. A medida que sube la temperatura normalmente se aleja de la composicin de saturacin, como la solubilidad crece con la temperatura, en la mayora de los casos, en necesario separar en caliente o esperar un enfriamiento. Vista como una operacin unitaria, la evaporacin es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullicin de una solucin lquida para as obtener una solucin concentrada. En la gran mayora de los casos, la evaporacin vista como operacin unitaria se refiere a la eliminacin de agua de una solucin acuosa. Factores que determinan la evaporacin a) Radiacin solar.- Es el factor determinante de la evaporacin ya que es la fuente de energa de dicho proceso. b) Temperatura del aire.- El aumento de temperatura en el aire facilita la evaporacin ya que: en primer lugar crea una conveccin trmica ascendente, que facilita la aireacin de la superficie del liquido; y por otra parte la presin de vapor de saturacin es ms alta. c) Humedad atmosfrica.- Es un factor determinante en la evaporacin ya que para sta se produzca, es necesario que el aire prximo a la superficie de evaporacin no est saturado (situacin que es facilitada con humedad atmosfrica baja).

d) El viento.- Despus de la radiacin es el ms importante, ya que renueva el aire prximo a la superficie de evaporacin que est saturado. La combinacin de humedad atmosfrica baja y viento resulta ser la que produce mayor evaporacin. El viento tambin produce un efecto secundario que es el enfriamiento de la superficie del lquido y la consiguiente disminucin de la evaporacin. e) Tamao de la masa de agua.- El volumen de la masa de agua y su profundidad son factores que afectan a la evaporacin por el efecto de calentamiento de la masa. Volmenes pequeos con poca profundidad sufren un calentamiento mayor que facilita la evaporacin. f) Salinidad.- Disminuye la evaporacin, fenmeno que slo es apreciable en el mar. Medida de la evaporacin La medida de la evaporacin de una superficie de agua se realiza por medio de unos equipos constituidos a base de unos tanques o bandejas de evaporacin, que tratan de reflejar en la medida de lo posible las caractersticas de inercia trmica, humedad, viento, etc., de la zona que se quiere medir. Existen varios tipos, todos ellos con una superficie del orden de 1 a 2 112, y que se sitan llenos de agua en la zona a medir. Todos ellos deben disponer de un pluvimetro ya que la evaporacin neta debe excluir el aporte de agua por precipitacin. La evaporacin se mide como volumen de dficit en el tanque, por lo que deben disponer de una medida precisa para el nivel del agua dentro del tanque.

Durante la evaporacin el sistema aumenta la concentracin hasta la saturacin y se produce la cristalizacin pudindose calcular la cantidad de cristales en funcin de la cantidad de agua evaporada. Sc = E K E = cantidad de agua evaporada Sc = cantidad de componente que cristaliza K = constante del sistema

Hay tres tipos principales de equipos de evaporacin utilizados en la industria: Calderas Evaporadores Plantas de fuerza Qumicos Intercambiadores - Vaporizadores Rehervidores Vaporizadores Los procesos de evaporacin en plantas de fuerza se clasifican en cuatro entidades: a) Evaporadores de agua de compensacin para alimentar a la caldera. b) Evaporadores de proceso para la produccin de agua purificada. c) Evaporadores transformadores de calor. d) Destiladores de salmuera.

El propsito principal de la mayora de los evaporadores en las plantas de fuerza, es la separacin de agua pura a partir de agua cruda o tratada. Las impurezas se retiran continuamente del sistema mediante purga. Un evaporador puede ser operado de forma intermitente (las operaciones de llenado, evaporacin y vaciado se ejecutan en pasos sucesivos), semi-intermitente (la alimentacin se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga se efecta hasta que alcanza la concentracin final), de forma continua-intermitente (la alimentacin es continua y, en ciertas partes del ciclo, la descarga tambin es continua y, finalmente, tambin se pueden operar en continuo, en cuyo c aso la alimentacin y la descarga son continuas, permaneciendo la concentracin de la alimentacin y del producto prcticamente constante. En la siguiente prctica tenemos un evaporador de efecto simple, que opera de forma discontinua o intermitente, por lotes. 4. Procedimiento. Se determina la cantidad de agua evaporada y la cantidad de sal obtenida en un determinado tiempo de calentamiento y evaporacin utilizando un flujo constante de GLP. Preparar una solucin de NaCl de concentracin conocida pesando 1500g de sal y disolviendo en 5 L. de agua, usando una olla de acero inoxidable. Pesar la solucin preparada. Calentar y evaporar durante 1 horas usando la cocina a gas y medir la temperatura al inicio y al final. Esperar que la mezcla enfri hasta el da siguiente, medir la temperatura y luego pesar todo el producto (salmuera y cristales). Realizar la separacin del precipitado por filtracin al vacio.

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Pesar el precipitado antes y despus de secar si se cuenta con un horno de secado en caso contrario pesar el precipitado hmedo.

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Pesar la salmuera filtrada y medir su volumen con un cilindro graduado.

5. Equipos, reactivos y materiales. 5.1 Equipos y materiales.-

1 olla de 10Lt. de capacidad 1 balanza 1 cocina con garrafa con GLP 1 vaso de precipitados de 2Lt. 1 vaso de precipitados de 600 ml. 1 esptula o cuchara de madera 1 piseta 1 termmetro 1 cronmetro 1 embudo Buchner 1 Kitasatos 1 bomba de vacio Papel filtro 2 probetas de 1Lt.

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5.2. Reactivos. Cloruro de sodio

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Agua

6. Seguridad, medio ambiente y salud (SMS) 6.1. Las medidas bsicas de seguridad que contemplaremos para esta prctica sern: Mochilas, bolsones, cuadernos y otros no podrn estar sobre los mesones de trabajo, estos debern estar completamente libres. Utilizar guardapolvo durante la realizacin de toda la prctica. Maneje con mucho cuidado los equipos de laboratorio, principalmente material de vidrio. Verifique que los equipos no estn calientes antes de manipularlos. Maneje con mucho cuidado los quipos de laboratorio, principalmente material de vidrio. No utilice ni manipule ningn reactivo o sustancia fuera de los que se utilizaran en la prctica. Revise las fichas tcnicas de las sustancias que se utilizaran en la prctica.

Manipule con mucho cuidado la hornilla de calentamiento. Use el siguiente procedimiento: Verifique que nos existan fugas en la hornilla ni en la garrafa. (esto es posible solo sintiendo el olor a gas en el ambiente). Verifique que todas las llaves de gas estn cerradas. Abra la llave de la garrafa completamente justo al momento de encender la llama pero de manera gradual. Acerque a una distancia adecuada el encendedor.

Abra lentamente la llave de la hornilla. (NO ABRA DE GOLPE LA LLAVE DE LA HORNILLA puede ocasionar demasiada salida de gas y este encenderse ms de lo debido).

6.2. Medio ambiente. No deseche salmuera ni ningn tipo de solvente por el lavadero sin antes consultar al docente. No deseche salmuera ni ningn tipo de solvente a los jardines.

6.3. Salud. Antes de iniciar la prctica: Notifique al docente si usted es alrgico a algn material o reactivo que se va a utilizar en la prctica. Notifique al docente si sufre de algn tipo de enfermedad que se podra ver potenciada o empeorada por el desarrollo de la prctica. Evite manipular sustancias y equipos si usted tiene alguna cortadura o herida abierta. No aspirar ni ingerir sustancias desconocidas en el laboratorio.

7. Clculos y resultados Llenar la tabla con los datos y los clculos realizados de la prctica. DATOS Masa inicial de agua Masa inicial de sal Masa de la solucin VALOR 4.951 1.5 6.4455 UNIDAD Kg Kg Kg

Temperatura inicial Temperatura final Masa final total salmuera Mas del precipitado Flujo de gas utilizado

18 97 3.895 ---0.2

C C Kg ---L/seg

TIEMPO (min) 0 15 30 45 60 75 90

TEMPERATURA (C) 18 75 94 94 94 95 97

8. Resultados y conclusiones Determinar la composicin en % de la solucin preparada

Con la masa final del producto tanto de la salmuera como de los cristales, aplicar el balance de masa para determinar la composicin de la salmuera obtenida despus de la evaporacin. Msal+ MH2O1 = Msal2+ MH2O2 + Mvapor

En funcin al tiempo de evaporacin y el poder calorfico de GLP determinar la cantidad de calor cedido por el combustible en el proceso. Poder calorfico del GLP = 10000 [Kcal/Kg] Flujo de GLP = 0.2 [L/seg] Densidad a 15 C & 1 bar como vapor (kg/m3)(considerado como propano) = 1.86 kg/m3 Tiempo = 1 hr. Poder calorfico del Poder calorfico del *3600 seg/1 hr Poder calorfico del Entonces GLP = 13392 [Kcal/ hr] 13392 [Kcal/ hr] *1.5 hr = 20088 [Kcal] CONSUMIDOS GLP = 10000 [Kcal/Kg] * 1.86 kg/m3 = 18600 [Kcal/ m3] GLP = 18600 [Kcal/ m3]* 1 m3 /1000 L * 0.2 [L/seg]

Determinar la relacin de vapor eliminado vs. el flujo de gas consumido para extrapolar los resultados a condiciones industriales. Flujo de Vapor eliminado= Masa de la solucin Masa final total Flujo de Vapor eliminado= 6,455 3,895 Flujo de Vapor eliminado = 2,5505 Kg Flujo de gas= 0.2 L/seg

Completar los datos de la tabla anterior que contenga los resultados calculados. VARIABLE Composicin inicial FORMULA RESULTADO 23.272% UNIDAD

x 100 Composicin final x 100 Calor cedido por el combustible Flujo de Vapor eliminado Relacin de vapor eliminado Vs flujo de gas consumido Masa de la solucin Masa final total vapor eliminado/flujo de gas consumido 20088 [Kcal] 38.51%

2,5505

Kg g L/h

9. Conclusiones y recomendaciones

En la presente prctica pudimos aplicar satisfactoriamente las ecuaciones de clculo para evaporadores en el proceso de concentracin de la salmuera en un evaporador de simple efecto y discontinuo, primeramente realizando el balance de masa y energa en el proceso. Se pudo observar que cuando se realiza el experimento paso a paso, cuidadosa y detalladamente se puede obtener un precipitado ptimo y ntido, es un gran avance, ya que aplicando la misma metodologa en condiciones industriales el podremos obtener mejores resultados.

Se debe tener mucho cuidado al momento de tomar los datos, ya sea la medicin del volumen, peso y temperatura de las soluciones, para as obtener mejores resultados en los clculos que realicemos.

10. Cuestionario 10.1 Cules son las formas y los tipos de evaporacin de la operacin unitaria? Las formas son:

1. Evaporadores de flujo de tubos largos verticales a. Evaporador de flujo ascendente b. Evaporador de flujo descendente 2. Evaporador de pelcula agitada 3. Evaporador de tubo vertical 4. Evaporador de tubo horizontal

Los tipos de evaporadores Los evaporadores se pueden clasificar en funcin del cometido que se le asigne, es decir:

-

Evaporadores para enfriamiento de aire. Evaporadores para enfriamiento de lquidos.

Circulacin natural

Enfriamiento de aire

Circulacin forzada

Evaporadores De inmersin De doble tubo a contracorriente Enfriamiento de lquidos De lluvia

10.2 qu variables se pueden controlar en un proceso de evaporacin y con cual finalidad?

Las variables que influyen son la Temperatura y el tiempo la finalidad es saber la temperatura de ebullicin para poder saber el vapor de agua que se elimine en un determino tiempo 10.3 cuando se recomienda trabajar en un proceso de evaporacin al vacio? Son compuestos pesados que tiene alto peso molecular a altas temperatura son compuestos termolbil y se craquea por ejemplo en la pasteurizacin 10.4 en una planta para la produccin de sal, de grado alimentario se trabaja con una solucin de NaCl al 3%, esta solucin se evapora hasta alcanzar el 15% en un evaporar simple. El calor especifico de la alimentacin es de 0.98 Btu/ lbF el de la solucin al 15% es de 0.90 Btu/lbF . La temperatura de alimentacin es de 70 F el punto de ebullicin del evaporador es de 220 F. Se requieren 970 Btu para evaporar 1 lb de agua de la solucin hirviendo. El vapor de calefaccin cede solamente se calor latente de vaporizacin que es de 946 Btu/lb. a) Cuantas libras de vapor hora se requieren para alimentar 100 btu/h de salmuera?b) Modifique las condiciones de alimentacin y concentracin de salidad

para el diseo de este equipo y determine E TE=220 FHE= 970 btu/lb

W w= 946

F =100btu/h Xf=0.03 TF=70F cp=0.98btu/lb

S =20 btu/h XS=0.15 TS=220F cp=0.90 btu/lb W

BALANCE DE MASA GLOBAL F=E+S S= F ( S=100( =20btu/h

tb=0 calor de dilucin es apreciable entonces: HE HE, hs=0 w w= E HE + S hS+ F cp (TF-TS) W= 11. Bibliografa. Clyde R. Metz, Fisico Quimica, Coleccin Schaum, Editorial MCGraw Hill do Brasil, 1979

= 97.57 Btu/lb

Robert

C. Weast, handbook of Chemistry and Physics, CRC Press,

Cleveland, Ohio 2001 J.L. Otero de la Gandara, Operaciones de separacion en metalurga extractive, Editorial Alhambra S.A., Espaa, 1990. C.J. Geankoplis, Procesos de transporte y operaciones unitarias, Editorial Contintental, S.A., Mexico, 1993