Proyecto II

UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABI INGENIERIA, INDUSTRIA Y CONSTRUCCION 

CARRERA: Ingeniería Industrial

Proyecto autónomo-segundo parcial

TEMA:

“DISEÑO DE EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS CON CIRCULACION FORZADA PARA CONCENTRACION DE LECHE AZUCARDA EN LA INDUSTRIA LÁCTIA JMMJ”

INTRODUCCIÓN.

Entre estas Operaciones Unitarias, podemos encontrar procesos que involucran la concentración de los componentes de una mezcla. Uno de esos procesos de separación más utilizado en la industria es la Evaporación, que consiste en separar un solvente de una solución por la vaporización parcial de este, con el consecuente aumento en la concentración del soluto en la mezcla. La evaporación es utilizada en procesos de concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche, jugo de naranja y cualquier otro proceso que involucre la concentración de una solución.

En determinados procesos de la industria alimentaria, la transmisión de calor adquiere una importancia relevante en procesos tales como los diferentes tratamientos para la destrucción de microorganismos y conservación de alimentos.

JUSTIFICACIÓN.

En el siguiente proyecto nos basamos en la realización de una simulación de una operación unitaria de un sistema evaporadores, puesto que permite colocar en práctica los conocimientos que han sido adquiridos a través del proceso de formación académica en el transcurso del estudio de ingeniera industrial, en especial en las asignaturas de operaciones unitarias, En este trabajo de diseño de evaporador vertical de tubos largos y simple efecto constituyen una fuente de conocimiento la cual desligará cualquier tipo de inquietudes en su desempeño laboral como ingenieros industriales, por el cual se tiene que realizar cálculos iterativos. Es entonces que se propone realizar previamente una metodología de procedimiento de los cálculos a realizar, puesto que una variable que se presenta con frecuencia al concentrar una solución es la elevación en el punto de ebullición, (EPE), la determinación de la superficie de calentamiento del evaporador, y la capacidad calorífica de los evaporadores. 

FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

Operaciones Unitarias.

Una operación unitaria puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada, son actividades básicas que forman parte del proceso.

Balance de materia._Cálculo estequiométrico de la materia entrante y saliente de un proceso.

Balance de energía._Proceso contable por el que se mide la energía entrante y saliente de un sistema de manera que se balanceen. Se basa en la ley de la conservación de la energía.

Evaporación._El proceso de evaporación se fundamenta en la eliminación de un líquido de una solución, suspensión o emulsión por tratamientos térmicos. Se dice entonces, que la solución, suspensión o emulsión se está concentrando, y para lograr dicho propósito debemos suministrar una fuente de calor externo; esta fuente calórica se logra generalmente con vapor de agua, el cual se pone en contacto con el producto a través de una superficie calefactora.

Evaporador._ Un evaporador es un equipo que consiste esencialmente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solución y un dispositivo para separar la fase vapor del líquido en ebullición. La superficie de la placa caliente es un intercambiador de calor simple y el vapor se desprende en la gran área para flujo de vapor y su consecuencia de baja velocidad de flujo.

Partes principales de un evaporador._ Haz da tubos: consiste en un arreglo de determinados números de tubos por el cual el fluido es distribuido uniformemente. Los diámetros normales de tubos son 5/8, 3⁄4 y 1 pulgada. Tubos de menor diámetro puede ser usados sin embargo el mantenimiento de estos es más complejos. Los rangos de espesor están entre los 0.0109 in a 0.065in. los tubos deberían ser aleteados para aumentar el área de transferencia de calor.

Espejo: son platos perforados provistos de agujeros por donde los tubos son insertados. Los tubos son propiamente asegurados el espejo para que el fluido en el lado de la coraza no se mezcla con el fluido dentro de los tubos. Los agujeros de espejo son perforados en dos patrones, triangular es mayormente usado debido a la reducción de espacio lo cual resulta en un equipo más compacto.

Baffles: tiene tres funciones una de ella es soportar los tubos, mantiene el espacio entre tubos y direccionan el flujo en el patrón deseado a través del lado de la coraza. 

Corazas: cobertura cilíndrica que envuelve a todos los elementos del intercambiador de calor. Su tamaño dependerá del arreglo, diámetro y largo de tubos que se encuentre dentro de la misma.

Economía de un evaporador.

Se define como la cantidad de disolvente vaporizado por cantidad de vapor vivo que entre en el evaporador (kg/kg). En un evaporador de un solo efecto la economía es menor que la unidad, pero en un evaporador de múltiple efecto puede llegar a ser mayor. Por tanto, el número de efecto será determinado en la economía de un evaporador. 

Viscosidad

Por la segunda ley de Newton del movimiento, el fluido ofrece una fuerza de resistencia al movimiento, opuesto a la dirección del esfuerzo cortante y paralela a la dirección de la superficie sobre la que es aplicada. Esta fuerza de resistencia es conocida como viscosidad. Es decir, entre mayor viscosidad presente un fluido, mayor será su resistencia al movimiento. Por lo tanto, el líquido muy viscoso tiende a reducir las velocidades de circulación y a reducir los coeficientes de transferencia de calor. 

Intercambiadores De Calor

Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada fluido y conducción a través de la pared que los separa. 

Conductividad térmica

Se refiere a la habilidad intrínseca de un material de transferir o conducir calor. Es uno de los tres métodos de transferencia de calor, siendo los otros dos: convección y radiación. 

Factor de Corrección

El factor de corrección en un intercambiador de calor se lo puede definir como una medida de la desviación de la variación media de la temperatura.

Entalpia de vaporización-condensación:

Para el cálculo de esta propiedad se tomó la correlación propuesta por Watson por su simplicidad de uso y exactitud, la cual extrapola la entalpia de vaporización desde una temperatura de referencia hasta la temperatura del cálculo.

Número de Prandtl

Es un número adimensional proporcional al cociente entre la velocidad de difusión de la cantidad de momento y la difusividad térmica. Se obtiene el número de Prandtl (Pr), para el lado de la carcasa.

Tipo de Evaporadores 

El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido. A continuación, se analizan los tipos generales de equipo.

Marmita abierta o artesa

En este equipo permite hierve el líquido, el suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos equipos son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo.

Evaporador vertical con circulación natural

Un evaporador es un sistema que tiene la capacidad de extraer agua y convertir, en este caso, la leche en un concentrado, físicamente el aspecto es un tubo vertical de 1 metro de diámetro aproximadamente y de altura de entre 3 y 10 metros según se requiera en el proceso, el diagrama de un evaporador de película descendente básico de una etapa sin reconversión de vapor.

Evaporador de película descendente con circulación forzada.

Existe una variante del evaporador de película descendente, en la que se hace recircular el líquido a través de la calandria hasta obtener la concentración adecuada, gracias a la recirculación se pueden hacer evaporadores más cortos, además se resuelve el problema de recubrimiento en los tubos lo cual afecta la evaporación, ya que hay un mayor contenido de sólidos en la mezcla. Parte del líquido se mantiene recirculando a través de la calandria el cual es mezclado de nuevo con el producto que alimenta el evaporador

Evaporadores de tubos horizontales con circulación natural.

El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior.

Evaporador Vertical de tubos largos

Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el del lado del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el líquido, ya que el líquido está en el interior de los tubos

.

Evaporador de caída de película

Una variación del modelo de tubos largos es el evaporador de caída de película, en el cual el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Por lo general, la separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentración de materiales sensibles al calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a que el tiempo de retención es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de transferencia de calor es alto.

DESCRIPCIÓN DEL CASO.

La industria láctea MILK JNNJ, es una de las industrias alimentaria más importante, ya que en el mercado existe una gran variedad de productos lácteos, el cual la empresa busca disminuir costo de espacio de almacenamiento para la conservación de leche ya que en algunos casos son para consumo inmediato, mientras que otros son productos que transforma para obtener una vida útil mayor. Como la leche concentrada, las cuales tienen características muy peculiares y son la base para la elaboración de otros productos lácteos como la leche evaporada, leche condensada azucarada y leche en polvo.

PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA

La industria láctea MILK JNNJ desea diseñar un evaporador vertical de tubos largos de circulación forzada que se emplea, para evaporar una solución de leche al 20% hasta obtener una concentración del 61% en sólido. Para calentarlo se utiliza vapor de agua a una temperatura de 115°C y a una presión de 15 KPa. La alimentación del evaporador tiene una temperatura de 50°C. Este evaporador es alimentado de 1500 kg/h de leche, cuya presión es de 12.50 kPa y temperatura de salida del producto es de 100°C.

PRESENTACIÓN DEL ESQUEMA Y DATOS RELEVANTES

CONCLUSIÓN Y RECOMENDACIÓN.

Conclusión

Con base en los cálculos realizados en el proceso de diseño de evaporador para la concentración de leche, se observar a través de esto los correspondientes valore de la cantidad de vapor que se obtiene en esta operación unitaria, se puede observar que se obtiene una cantidad de vapor de 1008,2 kg/h por cada 1500 kg/h que se carga de leche endulzada que se carga al evaporador. También se obtuvo que el área superficial sobre la que actual la transferencia de calor en este evaporador es de 18,85 m2 de superficie, y por último se obtuvo que el coeficiente global de calor fue de 14,29KW/m2°C dándonos a entender que este evaporador puede llegar a soportar mayores cargas de sustancias y no verse afectado por las pérdidas de energía que conlleva el intercambio de calor entre las sustancias que actúan en esta operación unitaria. Adicional se obtuvo ventajas ya que se pone en práctica lo aprendido durante las clases, aplicando fórmula para la resolución de los objetivos planteados, tales como temas relacionado a la transferencia de masa ya que esto abarca mucha importancia dentro de la industria y a la vez comprende el comportamiento.

Recomendaciones

Como recomendación para ejecutar un proyecto de dicha índole se recomienda verificar los valores de tablas de propiedades entres otras que son necesarias para la ejecución correcta del diseño, debido a que esta puede no llegar a tener los datos pertinentes para los respectivos cálculos, se puede complicar y no llegar a calcular lo deseado por falta de información. Adicionalmente se debe también tomar en consideración las unidades con las que se trabaja, ya que algunos datos se trabajan con unidades precisas en la formulación de ecuaciones o formulas ya establecida, con el fin de obtener resultados correspondientes a dichas ecuaciones.

Bibliografía

Andrés, M. (12 de 2011). Obtenido de https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/2941/Informe_final.pdf?sequen ce=1&isAllowed=y

Colcha, K. (2017). Obtenido de https://www.dspace.espol.edu.ec/retrieve/99258/D- Geankoplis, C. J. (1998). Procesos de Transporte y operaciones unitarias . Mexico:

Continental, S.A. de C.V.
Jaume Goméz. (07 de 2019). Obtenido de

https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/2941/Informe_final.pdf?sequen

ce=1&isAllowed=y
Rubén, M. (s.f.). Obtenido de https://marcanord.files.wordpress.com/2013/06/tema-2-

evaporadores.pdf
Vélez, J. (s.f.). Obtenido de https://docplayer.es/205192803-Leche-concentrada-evaporada-

y-o-condensada.html

INFORME PDF - PROYECTO

SIMULADOR 3D - PROYECTO

EXCEL- DISEÑO DE CALCULOS

VIDEO EXPLICATIVO