Operaciones unitarias- Proyecto practico II Parcial.
Diseño de un evaporador de simple efecto con serpentín horizontal en el proceso de concentración de salsa de tomate.
Introducción.
Como bien se
sabe, la evaporación como tal es una operación unitaria en donde el objetivo
principal de esta operación es la de concentrar una solución que está
constituida por un soluto no volátil y un solvente volátil, por lo general
dicho solvente volátil es el agua.
En el
siguiente proyecto que se presentará, se va a diseñar un evaporador de simple
efecto con serpentín horizontal, el término simple efecto nos da a entender que
solo se utilizará un solo evaporador para llevar a cabo la operación. Como
grupo de trabajo hemos elegido el proceso de evaporación de la pulpa de tomate,
en donde a través del evaporador ya antes mencionado se eliminará el contenido
de agua presente en la materia prima, para de esta manera obtener un producto
final concentrado el cual es la salsa de tomate.
La importancia
de llevar a cabo este tipo de proyectos es que permite a los estudiantes
desarrollar las distintas destrezas que tienen y además de poner en práctica
todo el conocimiento que han adquirido durante el período de clases de la
materia de Operaciones Unitarias, además de ser una forma de estar al tanto de
los distintos procesos industriales que existen, mismo medio en el que se
desenvolverán los estudiantes en un futuro cercano ya como ingenieros industriales.
Justificación.
En las
distintas industrias se llevan a cabo una variedad de procesos, entre los que
se puede destacar la evaporación, por consiguiente, el siguiente proyecto
sustenta su importancia de desarrollo en que permitirá a los estudiantes plasmar
su conocimiento adquirido en la materia, al llevar a cabo la resolución de un
caso real dentro de la industria, misma que día a día presenta novedades a las
cuales se debe estar al tanto para poder aportar con un granito de arena.
Además de lo mencionado anteriormente, hay que destacar el objetivo fundamental
del proyecto el cual es el diseño del evaporador de simple efecto con serpentín
horizontal, el cual ayudará a desempeñar la tarea de concentrar la pulpa de
tomate para obtener un producto concentrado, el cual sería la salsa de tomate,
por lo tanto, ambas situaciones dan relevancia al desarrollo del proyecto.
Objetivos
Objetivo general
- Determinar las dimensiones adecuadas de un
evaporador de simple efecto con serpentín horizontal en el proceso de
concentración de pulpa de tomate para la producción de botellas con salsa de
tomate.
Objetivos específicos
-Determinar el coeficiente global de transferencia de calor (U).
-Determinar el área de transferencia de calor (As) necesario para que se complete la operación.
-Determinar las dimensiones del tanque y del serpentín de evaporación.
Fundamentos teóricos
Para
el desarrollo del diseño del evaporador de simple efecto con serpentín
horizontal para la obtención de la salsa de tomate se hace uso de los conceptos
y fundamentos que se describen a continuación, en donde se empieza con un breve
concepto sobre la evaporación.
Evaporación.
La evaporación es según (Rodríguez ,1999 como se citó
en Bonilla et al., 2019, p.2) “es una operación unitaria la cual consiste en la
separación de una mezcla líquida, en la que por ebullición se genera un vapor
integrado por los componentes más volátiles de aquella. Se utiliza para
concentrar disoluciones obteniéndose vapor del disolvente”.
Tal operación unitaria es la que usará en lo que
respecta al desarrollo de este proyecto, por lo que su concepto como tal debe
estar claro para un correcto entendimiento de la temática.
Salsa de tomate:
Es un
producto muy consumido por las personas, el cual le da un toque especial a
ciertos platos que se consumen en los distintos países del mundo, este producto
es obtenido a partir de la pulpa del tomate, en donde con la ayuda de la
operación unitaria evaporación se le extrae el contenido de agua presente en la
pulpa hasta obtener el producto con las características requeridas, dicha
operación se lleva a cabo en un equipo llamado evaporador, que para efecto de
estudio, se ha desarrollado un evaporador de simple efecto con serpentín
horizontal.
Evaporador.
Equipo de transferencia de calor en
donde su principal objetivo es el de concentrar soluciones diluidas, en
palabras más entendibles, este equipo elimina el porcentaje de agua u otro
solvente de una disolución con el objetivo de tener un producto más concentrado
y libre de agua.
Evaporación de simple efecto
En los procesos industriales donde solo se cuenta con un solo evaporador y en donde el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y desecha, se conoce como evaporación de simple efecto, este tipo de evaporación es utilizado cuando la capacidad necesaria de la operación es relativamente pequeña o el costo de vapor es relativamente barato comparado con el costo del evaporador (Flores, 2018).
Evaporador de simple efecto con serpentín horizontal
La principal característica de este tipo de
evaporadores radica en que en el interior de la marmita contiene al serpentín
horizontal el cual facilita la transferencia de calor entre dos medios, a nivel
industrial tiene dos usos, ya sea para enfriar o calentar algún líquido o gas.
Marmita:
La
marmita es un recipiente el cual está dentro del evaporador, es en donde
almacena la alimentación, operación de evaporación y descarga del producto,
misma que debe diseñarse acorde a los requerimientos del sistema.
Coeficiente
global de transferencia de calor
El
coeficiente total de transferencia de calor, o valor U, se refiere a qué tan
bien se conduce el calor a través de una serie de medios resistentes. Sus
unidades son W/(m2°C) [Btu/(hr-ft2°F)]. (TLV. Compañia Especialista en Vapor,
2017).
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Fundamentos específicos a la temática |
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Entalpía |
Energía microscópica
de un fluido |
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Calor latente |
Energía interna
asociada con la fase de un sistema |
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Balance de masa |
Concepto asociado a
la primera Ley de la Termodinámica, en donde todo lo que entra a un sistema
será lo mismo que sale de este. |
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E.P.E (Elevación del
Punto de Ebullición) |
E.P. E=0 Soluciones
muy diluidas, esta debajo del 8 a 10%. E.P. E |
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Calor específico |
Cantidad de calor
necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia
en un grado centígrado. |
Desarrollo.
1- Descripción del caso
Como observamos en la Ilustración 1, tenemos un proceso de evaporación, que consiste en aumentar la concentración de solido en la pulpa de tomate por medio de la eliminación de un porcentaje de agua en forma de vapor, tal operación pertenece a la producción de salsa de tomate, donde se requiere que la concentración final sea de 25 °Brix en 40 minutos de operación.
Por lo tanto, se requiere diseñar el equipo de evaporación que cumpla con todas las especificaciones de producción.
2- Presentación del esquema y datos relevantes.
a) Cálculo de datos y búsqueda de propiedades del agua en la base de datos.
Para el cálculo de los respectivos balances tanto de masa, por especie y de energía, se requieren datos como temperaturas, presiones, flujos másicos, entalpias (Liquido, vaporización y vapor), etc.
En la Tabla 1 y 2 se puede apreciar la conversión de presiones a Kpa con el objetivo de usar la base de datos de agua saturada.
Actualmente solo conocemos el flujo másico de alimentación, pero para futuros cálculos es necesario calcular todo el flujo que entra y sale del evaporador, por lo tanto usaremos las ecuaciones de balance de masa, por especie y de energía.
En la Tabla 3 se puede apreciar el flujo de cada corriente que interactúa en el sistema.
c) Cálculo del flujo de calor.
En este punto se calculará el flujo de calor que transmite el vapor de agua
al sistema mediante la siguiente ecuación:
d) Cálculo del coeficiente global de transferencia.
Para obtener el coeficiente global de transferencia de calor (U) del evaporador es necesario realizar el siguiente análisis tal y como se muestra en la ilustración y calcular en base a la ecuación proyectada:
Como se conoce, dentro del serpentín de acero
inoxidable va a fluir vapor de agua hasta condensarse, por lo tanto para el
calculo del coeficiente de transferencia de calor interno se va a usar la
siguiente ecuación:
Para el cual
contamos con los siguientes datos obtenidos en tablas las propiedades del agua
saturada:
El valor del
coeficiente de transferencia de calor del serpentín de acero inoxidable, lo
obtuvimos en tabla de conductividad térmica a 212°F.
Por último debemos calcular el coeficiente de transferencia de calor por el que fluye la pulpa de tomate, en ese punto sucederá la ebullición del agua contenida en la pulpa por lo tanto debemos usar la siguiente ecuación:
Para el cual contamos con los siguientes datos obtenidos en tablas de las propiedades del agua saturada:
e) Cálculo del área de transferencia de calor.
Luego
de calcular el flujo de calor y el coeficiente global de transferencia, se
procede a calcular el área de transferencia de calor mediante la siguiente
ecuación:
f) Cálculo de las dimensiones del tanque.
Se requiere una producción de 43,2 Kg cada hora de salsa de tomate, con una
alimentación inicial de 90 Kg de pulpa de tomate, por lo tanto podemos
determinar el volumen del tanque usando un factor de seguridad de 0,25.
Con ese volumen y considerando que el tanque tendrá un diámetro de 0,5 m
podemos calcular la altura con la siguiente ecuación:
g) Cálculo de las dimensiones del serpentín.
El
area del serpentín es de 3, 6175 m2 por lo que ahora podemos
calcular su longitud con la siguiente ecuación:
Luego procedemos a calcular el numero de vueltas en el serpentín con la siguiente ecuación considerando el diámetro del tanque de 0,75 m :
Ahora se procede a calcular la altura que tendrá el
serpentín dentro del tanque con la siguiente ecuación:
Conclusión.
Luego de
realizar los respectivos cálculos para el diseño de un evaporador de simple
efecto con serpentín horizontal, se concluye que se obtiene 40,2 Kg cada hora
de salsa de tomate a partir de una alimentación de 90 Kg de pulpa de tomate en
40 minutos que tarda la evaporación, en un tanque de acero inoxidable de 0,5 m
de diámetro con 0,51 m de altura, el serpentín de acero inoxidable tendrá una
longitud de 27, 42 m, con un diámetro externo de 4,2 cm el cual transportará
124,15 Kg/h de vapor de agua a 109°C, necesarios para concentrar la solución
hasta 25°Brix.
Bibliografía
-3SIT SAS. (11 de 07 de 2008). Marmita. Obtenido de https://www.youtube.com/watch?v=YK0TcytTAS8
-Cengel, Y., & Ghajar, A. (2011). Transferencia de calor y masa. México DF: Mc Graw Hil.
-Flores, P. (2018). Introducción a los prcoesos de separación. Obtenido de https://www.academia.edu/11365200/EVAPORADOR_DE_SIMPLE_EFECTO
-Miranda, J. (28 de 03 de 2014). Evaporador de tubos horizontales. Obtenido de https://www.youtube.com/watch?v=nNneoIStja4
-Novillo, S., Acosta, J., Gloria, M., Andrés, N., & Moreno, M. (2019). Operaciones Unitarias: Enfocadas a los evaporadores en la elaboración de productos de consumo humano. Ciencia Digital, 12.
-TLV. Compañia Especialista en Vapor. (2017). Obtenido de https://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/overall-heat-transfer-coefficient.html#:~:text=El%20coeficiente%20total%20de%20transferencia,ft2%C2%B0F)%5D.
Anexos.
Link del video explicativo.
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