TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE COACALCO DIVISION DE INGENIERIA QUIMICA

TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE COACALCO DIVISION DE INGENIERIA QUIMICA Asignatura: Procesos de Grupo: 8621 Semestre: 16-17/2 Separación II Problemario I : Evaporación (Segunda competencia) Competencia a desarrollar: El alumno resuelve problemas de evaporadores de simple y múltiple efecto usando los sistemas de unidades pertinentes, así como los métodos adecuados para aumento de productividad en la evaporación y de la economía haciendo arreglos adecuados en paralelo, mixto, en batería y en contracorriente de evapores de múltiple efecto, lo que le permitirá un aprendizaje situado y significativo de dicha operación unitaria básica en la industria e ingeniería química. Atributos de la competencia:  Plantea y resuelve problemas de evaporadores tanto de simple como de múltiple efecto de acuerdo a los procesos específicos presentes en la industria química, petroquímica y miscelánea.  Maneja e interpreta adecuadamente los sistemas de unidades pertinentes para la solución de problemas de evaporadores.  Maneja e interpreta pertinentemente tablas, nomogramas y gráficas para la solución adecuada de problemas de evaporación. Saberes de la competencia:  Balance de materia y energía  Factores de conversión de dimensiones y/o magnitudes de los sistemas Internacional e inglés de unidades.  Conversión de unidades  Flujo de fluidos  Diagramas de bloques  Diagramas de bloques  Algebra y aritmética 1. Una solución de NaOH al 9% en peso se concentra en un evaporador de circulación natural hasta el 48% en peso, con un gasto de 15,000 kg/hr. En el condensador de mezcla se efectúa un vacío de 580 mmHg y las pérdidas de presión entre el cambiador y evaporador son de 0.12 Kg/cm 2. La presión barométrica del lugar es cercana a las 30 pulg H2O . La temperatura de alimentación de la solución diluida es de 35°C, la densidad de la solución es de 1.47 g/cm3 y la altura de los tubos es de 7 pies. La presión de vapor de calentamiento es de 3.5 Kg/cm2 con una temperatura de 185°C. Calcular la masa de vapor necesaria y la economía de la evaporación. Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz 2. En un evaporador de circulación forzada, se concentra una solución de NaOH del 10 al 50% en peso. La presión en el condensador de mezcla es de 4 pulg Hg y el vacío en el espacio vapor es de 20% menor al del condensador de mezcla. El evaporador está instalado en un lugar donde a la presión atmosférica el agua hierve a 90° C. Calcule las temperaturas ta, tx y el APE. 3. Se está usando un evaporador de simple efecto para concentrar una solución de NaOH del 10 al 35%. El peso de la solución diluida es de 2 000 kg/h y su temperatura es de 65°C. La presión en el espacio vapor es de 10 cmHg. E l área de calentamiento es de 10 m2 , la fuente de calor es vapor saturado a 102°C. Medidas cuidadosas han mostrado que dentro de las condicione s indicadas anteriormente, se condensan 1300 kg/h de vapor de calentamiento. Calcular: a) El coeficiente aparente de transmisión de calor b) El coeficiente corregido por el aumento de la temperatura de ebullición debido a la concentración. c) El coeficiente corregido por concentración, si la profundidad del líquido en el evaporador es de 2.2 m. 4. Una solución de HNO3 se concentra en un evaporador de circulación natural desde el 7.5 hasta el 35 % en peso. La temperatura en la pierna de condensación es de 58°C y el vacío en el espacio vapor es un 1 5% menor al vacío en el condensador. El evaporador trabaja en Guanajuato a una presión de 630 mmHg. La presión de vapor es de 3 kg/cm2 manométricos con un contenido de humedad del 3%. La temperatura de alimentación es igual a la temperatura de ebullición correspondiente a la presión en el espacio vapor. La densidad de la solución se reporta como 1-x. El coeficiente de transmisión de calor se calcula con la siguiente expresión: = ∆ �^ . / +µ ^ . Donde: ∆Tx [=] °C, µ[=] 1.2µagua[=] cp y U[=] Kcal/h m2°C La altura de los tubos es de 7 pies. Se obtiene 4800 kg/hr de solución. Calcular: a) La economía de operación b) El área de transmisión de calor del evaporador Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz 5. En un evaporador de circulación natural, instalado en Mazatlán, concentra una solución de cloruro de calcio del 8 al 40% en peso en las condiciones siguientes: Altura de los tubos: 2.5 m Densidad de la solución concentrada: 1.40 g/ml Presión en el condensador de mezcla: 5 pulg Hg Vacío en el evaporador: 75% del mantenido en el condensador. Calcule las temperaturas tc, ta tx, te y el APE. 6. En un evaporador de circulación natural se concentra una solución de cloruro de magnesio en las siguientes condiciones: Evaporador: tubos verticales que miden 2.5 m de largo La presión en el espacio vapor es 50% mayor a la del condensador La temperatura de condensación es de 55°C La presión del vapor de calentamiento es de 2.5 Kg/cm2 manométrico, su temperatura es de 160°C. El equipo está instalado al nivel del mar La alimentación es de 8 000 litros/h a 30 °C y 1.04 g/cm 3 y concentración de 15% peso El calor específico de la solución se determina con la ecuación: cp = 1- 0.15X – 0.001 t cal/g °C La densidad del producto es de 1.25 g/cm3 y concentración de 30% en peso = ࠟ� �ࠠ^ . ⁄ +µ ^ . = kcal/ h m2 °C Donde: µ = 10 µ agua en centipoises Calcule: a) El área del evaporador b) La economía c) La capacidad de evaporación 7. Una solución de un soluto orgánico de PM= 78 se concentra en un evaporador de circulación natural instalado en una ciudad don la presión atmosférica ocasiona que el agua ebulla a 95°C, la solución se alimenta al 12% a una temperatura de 5°C por debajo de la temperatura de la solución y se concentra hasta el 82% en peso. Al condensador de mezcla se alimentan 160 m3/h de H2O de condensación a una temperatura de 20°C y la temperatura de la pierna del condensador es de 48°C, las pérdidas entre vacíos son de 80 mmHg, la densidad de la solución esta dada por 1+x, el Cp Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz = 1-0.017x -0.001t, la altura de los tubos es de 1.88m, el coeficiente de transferencia de calor esta dado por la siguiente ecuación: = ∆ � 0. 2 / +µ 0. Donde: T [=] °C; µ [=] cp; U [=] Kcal/ h m 2 °C La viscosidad esta dada por 1.5 µ hidróxido de sodio a Tv a la misma concentración y la Pvc es igual a 3.8 kg/cm2 a 186°C. Calcular: a) La economía del sistema b) El área del evaporador 8. En un evaporador de circulación natural instalado en un lugar donde el agua ebulle a una temperatura de 95°C, se encuentra una solución de un soluto orgánico con un PM de 84 desde una concentración de 12% hasta 156 g de soluto por cada 100 g de agua. La temperatura de alimentación de la solución diluida es la misma que la temperatura de ebullición correspondiente a la presión del espacio vapor. La presión del vapor de calentamiento es de 3.5 kg/cm 2 y el contenido de humedad del vapor es del 5%. El vacío en el condensador de mezcla es de 500 mmHg y la presión en el espacio vapor es 75% mayor que la presión en el condensador. La temperatura de alimentación del agua de enfriamiento es de 20°C. El coeficiente de transmisión de calor se define por: = ࠟ∆ �ࠠ^ . / +µ ^ . [=] Kcal/ h m2 °C Donde: µ [=] 1.2 µ agua a la misma temperatura. El Cp de la solución es igual a 0.001T y la densidad de la solución es igual a 1+x. La longitud de los tubos del evaporador es de 2.8 m y el diámetro interior es de 1.5 pulg. Si la producción es de 150 ton de soluto/día. Calcular: a) El área del evaporador y el número de tubos b) La capacidad evaporativa y la economía del evaporador. c) La masa de agua de enfriamiento alimentado al condensador 9. Una solución de NaOH se evapora desde un 11% hasta un 48% en peso, bajo las siguientes condiciones de evaporación: a) Pv de calentamiento de 3.2 Kg/cm2 man. b) Vacío en el condensador de mezcla de 650 mmHg c) Pérdidas por presión entre el condensador y el evaporador: 10%. Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz d) Temperatura de alimentación de la solución diluida de 20°C e) Coeficiente de transmisión de calor de: ࠟ∆ �ࠠ^ . / + µ ^ . [=] Kcal/ h m2 °C = Se desea incrementar la producción en un 13.5% para lo cual se pretende precalentar la solución con el 11% del evaporado como medio de calentamiento. Mencione si esto es posible y calcule el incremento y decremento real de la producción. 10. Un evaporador de circulación natural concentra 14,000 kg/h de una solución de HNO3 al 9% hasta un 35% en peso. El evaporador se encuentra en un lugar a 1140 msnm y trabaja con un vacío de 6000 mmHg. La caída de presión en el evaporador y el condensador es de 1.7 psia. La temperatura de alimentación de la solución diluida es de 25°C, el Cp de la solución está dado por: Cp= 1-0.0012t [=] Kcal/ kg °C. La Pv de calentamiento es de 3.8 kg/cm2 con una calidad del 97%, la µsol´n se puede tomar µ=1.097 µ agua y la densidad es igual a 1+x, el coeficiente de transmisión de calor del evaporador es: = ∆ � 0. 2 / + µ 0.4 [=] Kcal/ h m2 °C Consta de tubos de 2 m de altura y diámetro interior de 1 ½ “. Se pretende concentrar una solución de NaNO3 desde un 7% hasta un 28% en peso manteniendo constantes todas las variables de producción. Calcule usted: a) El área del evaporador en el que esta trabajando y el número de tubos de éste. b) Si el precio de del HNO3 es de $10.85/Kg y el del NaNO3 de $ 12.90/Kg ¿Con que producto se tendrá un mayor volumen de ventas? 11. Un evaporador concentra un soluto orgánico desde 16 hasta el 88.5 en peso., el PM del soluto es de 76, las condiciones de operación son las siguientes: a) H2O utilizada en la condensación (w): 172 m3/h b) Temperatura de agua de condensación (tw): 21°C c) Temperatura en la pierna de condensación igual a 56°C d) ∆P = 2 psia e) Pbar =30 inHg f) Temperatura de alimentación de la solución diluida igual a 30°C: Pv de calentamiento de 3.2 Kg/cm2 man; g) calidad del vapor (x) : 96.5 % Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz h) Cp =1- 0.13 x - 0.007 t i) El coeficiente de transmisión de calor esta dado por: = ∆ � 0. 2 / + µ 0. 4 [=] Kcal/ h m2 °C j) La µsol´n se puede tomar µ=2 µagua a la misma temperatura Se descompone la bomba de vacío por lo que se utiliza en la condensación de mezcla el agua proveniente de otro proceso que se encuentra a 10°C y para contrarrestar esta falla del vacío, se aumenta la Pv en un 20%. Calcular: ¿Cuál es el efecto de la producción? 12. Un triple efecto en paralelo, concentra una solución de H2SO4 del 15 al 60% en peso, utilizando vapior de calentamiento de 5 Kg/cm 2 man y 185°C. La temperatura de la alimentación es igual a la de la solución en el último efecto. El Cp de la solución esta dado por: Cp= 1 – 0.12 x – 0.0012 t El vacío en el último efecto es 20% menor al del condensador de mezcla en donde el agua entra a 20°C y sale junto condensado a 53°C. La producción es de 9615 kg/h de solución concentrada U1=3000; U2= 2500 y U3 = 2000 kcal/ h m2 °C Calcular: a) Las áreas iguales del múltiple efecto b) La economía y el consumo del vapor de calentamiento c) El agua necesaria para la condensación 13. En cierta planta fabricante de nitratos, una de las materias primas requeridas es una solución de HNO3 al 45% en peso. Para obtenerla se dispone de una solución diluida de HNO3 al 11%peso la cual se concentra en un sistema de evaporación de doble efecto arreglado en contracorriente que trabaja bajo las siguientes condiciones de operación: Temperatura de condensación: 46°C Pérdidas de presión entre espacio vapor y condensador: 2 lb/in2 Temperatura de la solución diluida: 30°C Presión barométrica: 30 inHg Presión de vapor: 4 Kg/cm2 man. El Cp de la solución está dado por: Cp= 1 – 0.11 x – 0.002 t dónde: x [=] %peso y t [=] °C Los coeficientes de transmisión de calor son: U1= 2200 [=] Kcal/h m2 °C y U2 =1950 Kcal/ h m2 °C Área media de transmisión de calor del sistema de evaporación: 148 m2 Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz Calcular: a) La masa de vapor b) La economía del doble efecto 14. En un triple efecto en contracorriente, instalado en Toluca Edomex (Presión barométrica: 520 mmHg), se va a concentrar una solución de NaOH del 8 al 50% en peso, con las siguientes condiciones de operación: A1 = A2 = A3 = 200 m2 Temperatura de alimentación: igual a t3 Presión de vapor de calentamiento: 180°C Vacío en el último efecto: 395 mmHg Temperatura de Condensación del Evaporador 3: 50°C U1 = U2 = 3000 kcal/h m2 °C; U3= 2000 Kcal/h m2 °C Las pérdidas de calor son equivalentes al sobrecalentamiento de los vapores de calentamiento de cada efecto y que los condensados se circulan a través de las calandrias hasta el último efecto. Calcular: 1. La cantidad de NaOH pura/ h producida 2. El consumo del vapor de calentamiento y la economía Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz 15. En un evaporador de múltiple efecto con arreglo 3 4 2 1 MIXTO, concentra una solución, cuyo soluto de tipo orgánico tiene un PM de 75 g/mol, del 10 al 80% en peso, en las condiciones siguientes: A1 = A2 = A3 = A4 = 200 m2 U1 = U2 = 3000 kcal/h m2 °C U3 = U4 = 2500 kcal/h m2 °C Temperatura de alimentación: 70°C Presión en el último efecto: 50% mayor a la del condensador Presión de vapor de calentamiento: 4 Kg/cm2 manométrico El Cp de la solución está dado por: Cp= 1 – 0.08 x – 0.001 t dónde: x [=] %peso y t [=] °C Nota: Al soluto no le afecta la temperatura Calcular: 1. La cantidad de soluto que se está obteniendo en Ton/día si el evaporador está instalado en Naucalpan Edo. Mex. 2. El consumo del vapor de calentamiento y la economía del múltiple efecto 16. Un sistema de evaporación de 3 efectos en PARALELO, concentra una solución, cuyo soluto organico tiene un PM = 75 g/mol, del 10 al 70% peso Condiciones de operación:  Vacío en el condesador de mezcla: 506 mmHg  Presión en el último efecto: 47% mayor a la del condensador  Presión barométrica: 0.8 atm  Presión del vapor de calentamiento:6.8 kg /cm2  Temperatura del vapor de calentamiento: 190°C  Pérdida de calor en el evaporador :10%  Cp= 1-0.08x -0.001 t  Producción: 11.5 ton solución concentrada/h  Temperatura de la alimentación: 40°C  U1= 2100; U2 = 1900; U3 = 1700 kcal/ h m2 °C Calcular:  Las áreas iguales de los efectos  El consumo de vapor y la economía 17. En un triple efecto en BATERIA, se está concentrando una solución de soluto orgánico de alto PM, del 10 al 60% peso en las siguientes condiciones de operación:  Producción total 20,000 kg de soluto/h  Vacío en el último efecto : 85% del mantenido en el condensador  Temperatura de condensación: 50°C  Presión del vapor de calentamiento: 5 kg /cm2 Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz   Cp= 1 - 0.075 x - 0.001 t U1= 3000; U2 = 2800; U3 = 2500 kcal/ h m2 °C La temperatura de la alimentación es igual a la de ebullición en el último efecto. Los condensados de los evaporadores se circulan por las calandrias de los efectos siguientes. Las pérdidas de calor se consideran equivalentes a los sobrecalentamientos de los evaporadores. Calcular:  Las áreas iguales de cada efecto  La alimentación en cada efecto  El producto obtenido en cada efecto  El consumo de vapor de calentamiento  La economía 18. Se usa un evaporador triple efecto y de alimentación hacia delante para evaporar una solución de azúcar que contiene una 10% de sólidos en peso, hasta una concentración de 50% en peso. Se usa vapor de agua saturado a 205.5kPa para el calentamiento. La presión en el espacio de vapor del tercer efecto es de 13.4kPa. La velocidad de alimentación es de 22680 kg/h a 26.7°C. Calcule los flujos de licor en cada evaporador, la cantidad de vapor utilizada. 19. Una alimentación que contiene 2% en peso de sólidos orgánicos disueltos en agua se introduce a un evaporador de efecto doble con alimentación en retroceso. La alimentación entra a 37.77 ºC y se concentra hasta un 25% de sólidos. Tanto la elevación del punto de ebullición como el calor de disolución pueden despreciarse. Cada evaporador tiene un área de 9,29 m2 y los coeficientes de transferencia de calor son U1 = 2838.98 y U2 = 3974.57 W/m2ºK, la alimentación se introduce al efecto 2 y en el efecto 1 se alimenta vapor de agua a 689,5 KPa. La presión en el espacio del vapor del efecto 2 es de 6,75 Kpa. Supóngase que el calor especifico de todos los líquidos es igual al del agua líquida. Calcular la velocidad de alimentación F y la velocidad de producto P1 de una solución conteniendo 25% de sólidos. Suponer una velocidad de alimentación F. 20. Un evaporador de efecto triple con alimentación hacia adelante esta evaporando una solución de azúcar desde 25% de sólidos. El EPE puede estimarse de la siguiente expresión: EPE (ºC) = 1,78 + 6,22x2. se está usando vapor de agua saturado a 205 KPa. La presión en el espacio de vapor del Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz tercer efecto es de 13,65 Kpa. La velocidad de alimentación alcanza 22680 kg/hr y la temperatura es de 300K. la capacidad calorífica del liquido puede calcularse mediante la siguiente expresión: Cp = 4,19 – 2,35 x, donde Cp esta en kJ/kg K y X es la fracción en peso. Los coeficientes de transferencia de calor son U1 = 3123, U2 = 1987 y U3 = 1136 W/m2 K. calcular el área de cada uno de los efectos cuando todos ellos tiene la misma área, así como la misma velocidad de vapor de agua. Calcular también el suministro de agua y la economía de vapor. 21. Un evaporador de doble efecto con alimentación inversa se utiliza para concentrar 4536 kg/h de una solución de azúcar del 10 % al 50 % en peso. La alimentación entra al segundo efecto a 37,6 ºC. En el primer efecto entra vapor saturado a 115,6 ºC y el vapor de este efecto se usa para calentar el segundo efecto. La presión absoluta en el segundo efecto es de 13,65 kPa absolutas. Los coeficientes globales son: U1 = 2270 w/m2 .ºK y U2 = 1705 w/m2 .ºk. Las áreas de calentamiento para ambos efectos son iguales. La elevación del punto de ebullición (independiente de la presión) puede estimarse con la expresión: IPE (ºC) = 1,78x + 6,22x2 , donde x es fracción en peso de azúcar en solución. La capacidad calorífica de la disolución liquida puede estimarse por la expresión: CP (kJ/kg.ºK) = 4,19 – 2,33x. Calcular el área y consumo de vapor. 22. En un triple efecto MIXTO 231, se concentra una solución del 15 al 40% en peso de KOH, con las siguientes condiciones de operación:  Temperatura de alimentación: 40°C  Presión en el condensador de mezcla: 1.8 psi  Vacío en el último efecto: 10 % menor que en el condensador  Presión barométrica: 0.82 atm  Presión del vapor de calentamiento: 6.8 kg/cm2  U1=U2= 2000; U3=1800 kcal/ h m2 ºC  A1=A2=A3= 350 m2  Temperatura del vapor de calentamiento: 185ºC  Pérdida de calor por radiación : 10% Calcular: 1. Solución concentrada 2. Consumo de vapor y la economía 23. En un triple efecto en BATERIA, se concentra una solución de NaOH del 12 al 42 % en peso. Condiciones de operación:  Temperatura de alimentación: es igual a la temperatura de ebullición de la solución en el último efecto.  Vacío en el último efecto: 12% menor al del condensador  Temperatura de condensación: 50%  Presión del vapor de calentamiento: 10 kg/cm2 manométrico Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz     Temperatura del vapor de calentamiento: 200ºC Presión barométrica: 610 mmHg U1=U2= 2300; U3=1800 kcal/ h m2 ºC A1=A2=A3= 350 m2 Calcular:  La producción en Kg NaOH/h que se obtiene en cada evaporador  El consumo de vapor y la economía Elaboró y compiló: Ing. Tarsicio Nava Arzaluz