universidad tecnolÓgica de...
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE MANZANILLO
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN QUÍMICA, ÁREA INDUSTRIAL
“DISEÑO DE UN EVAPORADOR PARA LA RECUPERACIÓN DE METANOL Y
PURIFCACIÓN DE GLICEROL OBTENIDO COMO SUBPRODUCTO DE LA
FABRICACIÓN DE BIODIESEL”
T E S I N A
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
T É C N I C O S U P E R I O R U N I V E R S I T A R I O
EN Q U Í M I C A, Á R E A I N D U S T R I A L
P R E S E N T A
MANZANILLO, COL., AGOSTO DE 2017
PÉREZ RUIZ SAMARA TERESA GUADALUPE
I.Q. MIRIAM MINERVA JIMÉNEZ LARA ASESOR ACADÉMICO
Ing. OSCAR ESCAMILLA DELGADO ASESOR EMPRESARIAL
II
RESUMEN
La empresa Tecnologías Disruptivas S.A.P.I. de C.V. cuenta con una gran cantidad
de glicerol obtenido como subproducto tras la fabricación de biodiesel, el cual no es
utilizado de ninguna manera, ocasionando pérdidas económicas y de espacio en el
almacén, es por eso que decidió crear como proyecto el diseño de un evaporador
con el fin de recuperar el metanol que el glicerol contiene así mismo un grado más
alto de purificación del glicerol, al estar libre de metanol se pueden crear diversos
productos o por el contrario venderse a un precio más alto.
Se realizaron los cálculos correspondientes para crear el diseño correctamente,
como lo son los volúmenes necesarios del tanque, cilindro y cabezales, los
diámetros, la temperatura de diseño, el balance de materia, el coeficiente global de
transferencia de calor, entre otros.
Una vez obtenidos los resultados de los cálculos se procedió a realizar el diseño del
evaporador en el software Solidworks, en el cual se puede modelar y diseñar en 3D.
III
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer y dedicar esta proyecto principalmente a mis padres y mi
hermanita, Teresa Ruiz, José Luis Pérez y Natalia Pérez, ustedes me han apoyado
en todas las decisiones que he tomado, me dieron aliento, amor, paciencia y
comprensión en cada paso que di para llegar a esta meta, sin ustedes, no hubiera
logrado nada y mucho menos seria la persona que hoy soy, gracias por inspirarme y
motivarme a ser mejor cada día, los amo con todo mi corazón.
Quiero agradecer a Dios y a toda mi familia, que siempre estuvieron al pendiente,
preguntándome y dándome palabras de motivación, en especial a ti abuelita Gelos,
que a pesar de la distancia, tus bonitas palabras siempre me reconfortan y me dan
fuerza para seguir dando mi mayor esfuerzo.
Me gustaría agradecer también a mis asesores de tesina, tanto la escolar la Ing.
Minerva Jiménez como al empresarial el Ing. Oscar Escamilla, por su paciencia y sus
buenos consejos.
.
IV
PAG.
ÍNDICE
RESUMEN .................................................................................................................. II
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................ III
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... VII
CAPÍTULO 1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .......................................... 8
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 9
1.2 OBJETIVO ......................................................................................................
1.2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................
1.3 ESTRATEGIAS ...............................................................................................
1.4 METAS........................................................................................................ 10
1.5 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ................................................................
1.6 ¿CÓMO Y CUÁNDO SE REALIZÓ? ...............................................................
1.7 LIMITACIONES Y ALCANCES ................................................................... 11
CAPÍTULO 2 DATOS GENERALES DE LA EMPRESA .......................................... 12
2.1 RAZÓN SOCIAL. ........................................................................................ 13
2.2 DIRECCIÓN. ...................................................................................................
2.3 GIRO. ..............................................................................................................
2.4 TAMAÑO. ........................................................................................................
2.5 MISIÓN. ..........................................................................................................
2.6 ORGANIGRAMA. ............................................................................................
2.7 VISIÓN. ....................................................................................................... 14
2.8 VALORES. ......................................................................................................
2.9 OBJETIVO GENERAL. ...................................................................................
2.10 UBICACIÓN. ............................................................................................. 15
2.11 DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES. .................................................
2.12 PRODUCTOS. ..............................................................................................
2.13 PREMIOS. ................................................................................................ 16
V
CAPÍTULO 3 MARCO TEÓRICO ............................................................................. 17
3.1 ANTECEDENTES ....................................................................................... 18
3.2 EVAPORACIÓN ..............................................................................................
3.3 FACTORES DE EVAPORACIÓN. .............................................................. 19
3.4 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ......................................................... 21
3.5 TIPOS DE EVAPORADORES ........................................................................
3.6 CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR ......................................................... 24
3.7 SEPARACIÓN LÍQUIDO-VAPOR ............................................................... 25
3.8 ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN .............................................. 26
3.9 TRANSFERENCIA DE CALOR ......................................................................
3.10 BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES. ............... 27
3.11 COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DE CALOR ...........................................
3.12 GLICEROL. ............................................................................................... 28
3.13 CONTROL DE PROCESOS. .................................................................... 29
3.13.1 SENSORES DE TEMPERATURA. ............................................................
3.13.2 SENSORES DE NIVEL. .............................................................................
3.14 RESISTENCIAS TERMICAS. ................................................................... 30
CAPÍTULO 4 DESARROLLO DEL PROYECTO DE ESTADÍA ............................... 31
4.1 BALANCE DE MATERIA ............................................................................ 32
4.2 CÁLCULO DEL ÁREA Y VOLÚMEN DEL EVAPORADOR. ....................... 34
4.3 CALCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR ...............................................
4.4 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR. ................... 35
4.5 TEMPERATURA DE DISEÑO ........................................................................
4.6 VÓLUMEN REAL DEL TANQUE ....................................................................
4.7 CÁLCULO DEL PORCENTAJE DE VOLUMEN A OCUPAR. .................... 36
4.8 CÁLCULO DE PRESIÓN HIDROSTATICA ....................................................
4.9 ESPESOR DE LOS CABEZALES. ............................................................. 37
4.10 CÁLCULO DEL DIAMETRO EXTERNO DE LOS CABEZALES. .............. 38
4.11 CÁLCULO DEL ESPESOR DEL CILINDRO. ................................................
4.12 CÁLCULO EXTERNO DEL TANQUE. ...................................................... 39
4.13 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LOS CABEZALES ......................................
4.14 CÁLCULO DE LA ALTURA TOTAL DEL TANQUE. ................................. 39
4.15 VÓLUMEN INTERNO Y EXTERNOS DE LOS CABEZALES .......................
VI
4.16 VÓLUMEN INTERNO Y EXTERNO DEL CILINDRO ............................... 40
4.17 PESO DEL TANQUE ................................................................................ 41
4.18 CÁLCULO DE POTENCIA ELECTRICA REQUERIDA PARA UN PROCESO ............................................................................................................
CAPÍTULO 5 RESULTADOS Y CONCLUSIONES .................................................. 44
5.1 RESULTADOS ............................................................................................ 45
5.2 CONCLUSIONES ....................................................................................... 53
5.3 TRABAJOS FUTUROS ...................................................................................
5.4 RECOMENDACIONES ...................................................................................
ANEXOS ................................................................................................................... 54
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 55
VII
INTRODUCCIÓN
En el presente proyecto se pretende diseñar el modelo de un evaporador para la
recuperación de metanol y purificación del glicerol obtenido como subproducto en la
fabricación de biodiesel. La evaporación es considerando como una de las
principales operaciones unitarias utilizadas en la industria. Al ingresar el glicerol a un
evaporador se podría recuperar metanol, reduciendo costos en el material y a su vez
se estaría purificando el glicerol para así venderlo con un costo más alto obteniendo
un incremento de ganancias o por el contrario utilizarlo en la fabricación de diversos
productos.
Al fabricar biodiesel se obtiene un subproducto denominado glicerol, este es un
compuesto que no es tóxico, ni irritante, es biodegradable y por sus propiedades
físico-químicas es un disolvente orgánico alternativo. Para poder darle un buen uso
a este subproducto es necesario que sea sometido a ciertos procedimientos, como lo
son la destilación y filtración al vacío las cuales sirven para eliminar los componentes
contaminantes del glicerol a su vez cambian su color a uno más claro, obteniendo
con esto su purificación.
Los principales usos del glicerol son en la elaboración de cosméticos, en el área
farmacéutica para elaboración de medicamentos como jarabes y cremas, también se
usa como combustible en calderas, lubricación de máquinas, fabricación de
explosivos, anticongelante, resinas, otra opción que se podría tener a nivel industrial
es la utilización de un evaporador.
8
CAPÍTULO 1
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
9
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿Cómo hacer del glicerol un producto viable económicamente y con un rango de
utilidad mayor al que ya posee?
La empresa Tecnologías Disruptivas S.A.P.I. de C.V. se dedica a la fabricación de
biodiesel, este trae consigo un subproducto denominado glicerol, al cual no se le da
uso alguno, generando pérdidas de dinero y espacio en el almacén, es por eso que
en busca de una alternativa viable para poder darle una aplicación, se ha decidido
crear el diseño de un evaporador, en el cual se podrá purificar el glicerol para obtener
glicerina, con esto se podrán tener ganancias al venderla con un costo más elevado
además de que se podrían crear diversos productos y al mismo tiempo se tendrá una
reducción de costos al recuperar el metanol que contiene y volver a reutilizarse.
1.2 OBJETIVO
Diseñar un evaporador para la purificación de glicerol obtenido como subproducto de
la fabricación de biodiesel.
1.2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
º Determinar el tipo de evaporador a utilizar basado en las características del sub
productos deseables.
º Especificar las características fisicoquímicas de los productos y evaporador.
º Diseñar un evaporador adecuado para el glicerol.
1.3 ESTRATEGIAS
Las estrategias a seguir para lograr este proyecto son las siguientes:
1. Investigar los tipos de evaporadores.
2. Conocer las características químicas y físicas de la sustancia a evaporar.
3. Elegir el evaporador más conveniente para la sustancia que se va a utilizar.
4. Elegir los materiales ideales para la realización del diseño del evaporador.
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5. Realizar los cálculos correspondientes para el diseño del evaporador.
6. Realizar el diseño del evaporador.
1.4 METAS
Apoyar en cálculos y diseño para el evaporador más conveniente y conforme sus
necesidades para la empresa Tecnologías Disruptivas S.A.P.I. de C.V, para
posteriormente realizar la construcción de este.
1.5 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Al tener un diseño de un evaporador conforme a las necesidades con las que
empresa Tecnologías Disruptivas S.A.P.I de C.V cuenta, se obtendrían ganancias y
reducción de costos al purificar el glicerol para la fabricación de diversos productos o
en su caso para venderse a un mayor costo, al mismo tiempo que se estaría
recuperando el metanol y este podría ser utilizado nuevamente.
1.6 ¿CÓMO Y CUÁNDO SE REALIZÓ?
11
1.7 LIMITACIONES Y ALCANCES
Un alcance que se busca obtener con este proyecto es la fabricación del evaporador,
para generar ganancias a la empresa Tecnologías Disruptivas S.A.P.I. de C.V. Al
contar con la glicerina se podría abrir el paso a la fabricación de diversos productos
creados con esta.
Este proyecto no solo podría beneficiar a Tecnologías Disruptivas S.A.P.I de C.V, si
no que podría llegar a las demás empresas productoras de biodiesel en el país, que
cuentan con el mismo problema al no dar un uso al glicerol.
CAPÍTULO 2
DATOS GENERALES DE LA EMPRESA
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2.1 RAZÓN SOCIAL.
Tecnologías Disruptivas S.A.P.I de C.V
2.2 DIRECCIÓN.
Carretera Manzanillo- Minatitlán Km 0+200, Minatitlan-Manzanillo, Tapeixltes, C.P:
28876 Manzanillo, Col., México
2.3 GIRO. Industrial.
2.4 TAMAÑO. Micro Empresa
2.5 MISIÓN.
Mejorar la calidad de vida de las personas, así como la competitividad de las
empresas mediante la comercialización de tecnologías de carácter disruptivos,
desarrolladas a través de procesos de innovación colaborativa y orientados a
aprovechar oportunidades de mercado de tamaño significativo, con gran dinamismo y
con un ritmo de crecimiento sostenido.
2.6 ORGANIGRAMA.
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2.7 VISIÓN.
Ser una empresa líder, de alto impacto en México y a nivel global, para bienestar de
las personas y la competitividad de las empresas, que aporta soluciones exitosas a
los campos de biotecnología, tecnología de información y logística.
2.8 VALORES.
Innovación
Compromiso
Disciplina
Calidad
Sustentabilidad
Liderazgo
2.9 OBJETIVO GENERAL.
Desarrollar tecnologías de carácter disruptivos que mejoren la calidad de vida de las
personas, así como la competitividad de las empresas, mediante procesos de
innovación colaborativa y orientados a aprovechar oportunidades de mercado de
tamaño significativo, con gran dinamismo y con un ritmo de crecimiento sostenido,
para lo cual se identifican las tecnologías claves y las tecnologías emergentes de
mayor potencial.
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2.10 UBICACIÓN.
2.11 DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES.
La superficie total del terreno es donde se encuentra localizada la planta de
producción de biodiesel es de 3,343.74 m2, la zona perimetral del complejo de
producción y almacenaje cuenta con 700.98 m2, la superficie total del almacén de la
planta de producción de biodiesel es de 94.4 m2, teniendo de ancho 8.4m y de largo
11m.
2.12 PRODUCTOS.
Tecnologías Disruptivas S.A.P.I. de C.V. es la empresa operadora de la primer planta
de producción de biodiesel a partir de aceite vegetal usado en el estado de Colima y
en el Occidente del país, pioneros en la producción y generación de tecnología en
materia de biocombustibles.
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2.13 PREMIOS.
Actualmente ha participado en distintas convocatorias en las cuales ha tenido
reconocimientos y menciones por su estrategia de captación de residuos enfocada
en la innovación social y el correcto aprovechamiento de biomasas que utiliza como
materia prima para la generación de biodiesel, entre los cuales se destacan una
mención especial del premio el Meteorito Ecológico 2016 de la Secretaria del Medio
Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) en la categoría empresarial por la
contribución al conocimiento, aprovechamiento sustentable, protección y
conservación de la biodiversidad biológica de México mediante el número de oficio
CECADESU No. 1159/2016 de fecha 23 de septiembre de 2016, por otro lado la
estrategia tecnológica de la empresa es catalogada como uno de los mejores 300
proyectos de empresas verdes del país por Cleantech Challenge México (CTCM), el
cual es el concurso de empresas verdes más importante de México.
CAPÍTULO 3
MARCO TEÓRICO
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3.1 ANTECEDENTES
Desde el principio de la civilización humana la evaporación vista como proceso ha
sido fundamental en los fenómenos naturales; a su vez es una etapa indispensable
en el ciclo del agua, gracias a esto se ha estudiado, aplicado y aprovechado por el
hombre para hacerla una operación unitaria. Fue a partir de la revolución industrial
que este proceso comienza a ser aplicado para la obtención de productos de todo
tipo para satisfacer las necesidades de la población.
La evaporación como Operación Unitaria comenzó a ser aplicada en la revolución
industrial, ya que se empezó a utilizar vapor de agua como medio de calefacción a
través de la máquina de vapor, conforme avanzo la revolución industrial, se empieza
a aplicar el vapor de agua con el objetivo de concentrar soluciones diluidas;
obteniendo productos más valiosos que los de origen, por lo tanto la evaporación se
considera una operación unitaria por su método de separación de soluciones líquidas
en una disolución sòlido-lìquido por ebullición, este es una de los procesos más
importantes en las industrias alimentarias, farmacéuticas, petroleras, y azucareras.
3.2 EVAPORACIÓN
El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución. En la mayoría de las
evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una
parte del disolvente para producir una disolución concentrada. La evaporación difiere
del secado en que el residuo es un líquido en vez de un sólido; difiere de la
destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el
vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en
fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una
disolución y no en formar y obtener cristales. (McCabe, Smith, & Harriot, 1991)
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La evaporación es una operación industrial que se utiliza mediante unas secuencias
de transformaciones físicas con transporte de masa y de energía simultáneas para
obtener un producto final con las características que se requieren, esta a su vez va
con la separación que consiste en eliminar cierta cantidad de solvente de una
solución para poder concentrarla. Normalmente, en evaporación el producto valioso
es el líquido concentrado mientras que el vapor se condesa y se desecha. El agua
salubre se evapora con frecuencia para obtener un producto exento de sólido para la
alimentación de calderas, para procesos con requerimientos especiales o para el
consumo humano, a esta técnica se le conoce con frecuencia con el nombre de
destilación de agua, pero se trata en realidad de evaporación. Se han desarrollado
procesos de evaporación a gran escala utilizándose para la recuperación de agua
potable a partir de agua mar. En este caso el agua condensada es el producto
deseado.
3.3 FACTORES DE EVAPORACIÓN.
Para lograr que la evaporación se logre de una forma continua necesita contar con 2
condiciones:
1. El calor para el proceso de evaporización debe de ser de forma continua.
2. El equilibrio que existe entre la presión del vapor del líquido y su presión
parcial en el espacio dese de ser eliminada de forma continua.
Cualquier sistema de evaporación necesita contar con:
1. Suministro de vapor de agua sobre la superficie de calentamiento.
2. Formas para eliminar el condensado y los gases que no se pueden
condensar.
3. Espacio de desprendimiento para la separación del vapor del líquido en
ebullición
4. Medios de entrada y salida de la solución a concentrar.
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(Basantes Montenegro, Montesdeoca Pichucho, & Santos Torres, 2013) Según (McCabe, Smith, & Harriot, 1991) La solución práctica a un problema de
evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se
concentra.
Concentración: Aunque la disolución que entra como alimentación de un
evaporador puede ser suficiente diluida teniendo muchas de las propiedades
físicas del agua, a medida que aumenta la concentración la disolución
adquiere cada vez un carácter más individualista. La densidad y la viscosidad
aumentan con el contenido del sólido hasta que la disolución o bien se
transforma en saturada o resulta inadecuada para una transmisión de calor
adecuada. La temperatura de ebullición de la disolución puede también
aumentar considerablemente al aumentar el contenido de sólido, de forma que
la temperatura de ebullición de una disolución concentrada puede ser mucho
mayor que la del agua a la misma presión.
Formación de espuma: Algunos materiales, especialmente sustancias
orgánicas, forman espuma durante la evaporación. Una espuma estable
acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un importante
arrastre. En casos extremos toda la masa de líquido puede salir con el vapor y
perderse.
Sensibilidad a la temperatura: Muchos productos química finos, productos
farmacéuticos y alimentos se daña cuando se calientan a temperaturas
moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de
estos materiales se necesitan técnicas especiales para reducir tanto la
temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento.
Formación de costras: Algunas disoluciones depositan costras sobre las
superficies de calefacción. En estos casos el coeficiente global disminuye
progresivamente hasta que llega un momento en que es preciso interrumpir
las operaciones y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles,
la limpieza resulta difícil y costosa.
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3.4 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Los evapores normalmente deben de construirse con algún tipo de acero, pero
existen disoluciones atacan a los metales férreos y esto produce contaminación. En
este tipo de casos hay que utilizar materiales específicos como cobre, níquel, acero
inoxidable, grafito y plomo. Ya que algunos de estos materiales resultan caros, se
espera obtener velocidades elevadas de transmisión de calor para minimizar el coste
del equipo.
La persona que diseñe un evaporador debe de tener aún más características del
líquido, como el calor específico, el calor de concentración, la liberación de gas en la
ebullición, la temperatura de congelación, los peligros de explosión, la toxicidad,
reactividad.
3.5 TIPOS DE EVAPORADORES
Evaporadores con un paso: el líquido alimentado pasa solamente una vez por los
tubos, desprende el vapor y sale como disolución concentrada, este tipo de
evaporador son muy útiles para materiales sensibles al calor, usando el vacío para
mantener una temperatura baja del líquido, pero solamente por un corto tiempo y
tiende a enfriarse muy rápidamente a su salida.
Evaporadores con circulación: Se mantiene una masa líquida dentro, la
alimentación se mezcla con esta y después pasa por los tubos, el líquido no
evaporado se queda en los tubos y retorna al equipo, no son muy recomendado para
líquidos sensibles al calor.
Evaporador de tubos largos con flujo ascendente: En la imagen 1 se puede ver
esta clase de evaporador, el cual cuenta con entradas de alimentación de líquido y
vapor de agua, así mismo también tiene salidas para el vapor, disolución
concentrada, vapor condensado y gases no condensables. El líquido y vapor
ascienden por los tubos, una vez separado el líquido retorna al fondo de los tubos.
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Imagen 1. Evaporador de tubos largos de flujo ascendente (McCabe, Smith, & Harriot, 1991)
Evaporador de película descendente: El líquido entra por la parte superior,
bajando por el interior de los tubos calientes por el vapor, este procede del líquido
arrastrado hacia abajo saliendo por el fondo de la unidad.
Evaporadores de circulación forzada: en la imagen se muestra este evaporador
una bomba centrifuga impulsa al líquido por los tubos a una velocidad de 6 a 18
pies/s. Los tubos que posee el evaporador son sometidos a una carga estática
suficiente para que no se produzca ebullición en los líquidos, así que este comienza
a calentarse al mismo tiempo que se reduce la carga hidrostática, hasta que se
genera una mezcla de vapor y líquido a la salida del cambiados y antes de entrar al
evaporador. Este tipo de evaporador se utiliza con líquidos de alta viscosidad ya que
su coeficiente global puede ser demasiado bajo, en un evaporador de circulación
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natural el líquido tendría una velocidad normal llegando a la velocidad final muy
rápidamente.
Imagen 2. Evaporador de circulación forzada (McCabe, Smith, & Harriot, 1991)
Evaporador de Película agitada: la resistencia a la transmisión de calor reside en el
líquido, cualquier método usado para disminuir resistencia produce un aumento
considerable en el coeficiente global de transmisión de calor, un ejemplo de esto
puede cuando el flujo del líquido es muy turbulento y la transmisión de calor es alta,
una forma de incrementar la turbulencia puede ser por agitación mecánica de la
película del líquido, (véase la imagen 3) La alimentación entra por la parte superior
dispersándose en forma muy turbulenta, el concentrado sale por la parte inferior y el
vapor asciende de la zona de vaporización a un separador. El vapor restante de
líquido sale por los orificios situados en la parte superior. (McCabe, Smith, & Harriot,
1991)
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Imagen 3. Evaporador de película agitada (McCabe, Smith, & Harriot, 1991)
3.6 CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR
La velocidad de transmisión de calor q, en la superficie de calefacción de un
evaporador definida por el coeficiente global de transmisión de calor es igual al
producto de tres factores: el área A de la superficie de transmisión de calor, el
coeficiente global de transmisión de calor y la caída global de la temperatura AT.
Cuando la alimentación entra en el evaporador está a la temperatura de ebullición
correspondiente a la presión que existe en el espacio de vapor, todo el calor que se
transmitió por la superficie de calefacción es utilizado en la evaporación y su
capacidad es proporcional a q. En caso de que la alimentación sea fría, el calor que
requiere para que se caliente a la temperatura de ebullición podría ser bastante
grande y por consecuencia reducir la capacidad para un valor dado de q, por el
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contrario cuando la alimentación se encuentra a una temperatura mayor a la de
ebullición , una parte de la alimentación se evapora espontáneamente con el
equilibrio adiabático con la presión del espacio de vapor y su capacidad superior a la
que le corresponde a q, a este último proceso se le conoce como evaporación flash.
Elevación del punto de ebullición y regla de Duhring: normalmente la presión de la
mayor parte de las disoluciones es menor que la del agua a la misma temperatura
así que por esto para una presión dada, la temperatura de ebullición de las
disoluciones es mayor que la del agua pura. Al aumento del punto de ebullición
respecto al del agua se le conoce como elevación del punto de ebullición, para
disoluciones diluidas suele ser pequeño, por el contrario para las disoluciones de
coloides orgánicos alcanza una temperatura mayor. El incremento del punto de
ebullición se le resta la caída de temperatura que se puede predecir mediante las
tablas de vapor de agua.
La regla de Duhring hace que sea más fácil obtener el punto de ebullición en
disoluciones concentradas, en esta regla empírica dependiendo de la temperatura
de ebullición de una disolución determinada es una función lineal de la temperatura
de ebullición de agua a la misma presión, por lo tanto si se representa la temperatura
frente a la del agua a la misma presión se obtendrá una línea rectas. (McCabe,
Smith, & Harriot, 1991)
3.7 SEPARACIÓN LÍQUIDO-VAPOR
En el diseño de un evaporador de cualquier clase, la separación líquido-vapor es una
parte importante dentro de su construcción, ya que da calor para realizar la
evaporación y así recuperar o separar los vapores del líquido. Las cámaras que
separan vapor son diseñadas para que se logre tener la máxima capacidad, disminuir
el arrastre y a su vez permitir la adecuada sanidad del equipo.
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Cuando el líquido entra en su punto de ebullición, los vapores forman burbujas en su
superficie que al reventarse producen gotitas que dan el origen a lo que se le conoce
como arrastre, y este último no algo más que la salida de las gotas del líquido del
evaporador. (Basantes Montenegro, Montesdeoca Pichucho, & Santos Torres, 2013)
3.8 ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN
El punto de ebullición de una solución, en presencia de un sólido disuelto, depende
de la concentración y presión hidrostática obtenida por la altura, se puede calcular
mediante la relación de Clausius-Clapeyron, esto se debe a que el grado de
elevación del punto de ebullición es proporcional a la concentración molal de la
solución.
ΔT= Elevación del punto de ebullición.
K= Constante ebullición, depende de las propiedades del solvente, se puede calcular
K=RTM/ ΔT(R= constante de gas, T= temperatura del solvente puro, M= Masa y ΔH=
calor de vaporización del solvente).
b= Molalidad de la solución.
3.9 TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor es el principal factor en el diseño de un evaporador, ya que
la superficie de calentamiento es la que genera un mayor costo, la transferencia de
calor en un evaporador esta dicha de esta manera:
Q=U.A. ΔT Q= Cantidad de calor transferido (Kj/h)
U= Coeficiente global de transferencia de calor (Kj/h*m2*ºC)
A= área de transferencia de calor (m2)
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ΔT= Diferencia de temperatura (ºC)
3.10 BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES.
Los balances de materia y energía son la herramienta más importante, se usan para
poder tener un control de los flujos de materia y energía, por lo tanto podremos
conocer los caudales másicos así como las necesidades energéticas.
La forma general del balance de materia total a un sistema es:
Entrada de materia = Salida de materia + Acumulación de materia. Cuando existe reacción química, será así:
Entrada del componente + Generación neta el componente = Salida del
componente + acumulación del componente.
Para poder resolver un balance se pueden tomar estas estrategias:
1. Resolver el balance en el proceso global con los datos obtenidos en el
balance de la primera unidad.
2. Tomar en base el cálculo del caudal de la materia prima, y resolver si se
puede secuencialmente.
3. Si no se puede secuencialmente, empezar hacia atrás, empezando por la
última de las unidades de proceso.
3.11 COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DE CALOR
La capacidad del evaporador y la densidad de flujo de calor son dependientes de la
caída de temperatura así mismo también se ve afectada por el coeficiente global de
transmisión de calor, este último está relacionado por el diseño y la forma del
28
evaporador. Como es muy difícil medir los altos coeficientes en un evaporador, los
resultados experimentales normalmente se expresa como función de coeficientes
globales, los cuales están hechos basados en la caída de temperatura corregida y
así poder tener en cuenta el punto de ebullición, en la tabla 1 se pueden observar los
coeficientes globales los evaporadores más típicos.
Tipo Coeficiente global U
Btu/pie2-h-f W/m2-ºC
Circulación natural 200-600 1000-3000
Circulación forzada 400-1000 2000-5000
Película agitada:
1 Cp 400 2000
1 P 300 2000
100 P 120 600 Tabla 1. Coeficientes típicos de un evaporador. . (McCabe, Smith, & Harriot, 1991, p.496)
3.12 GLICEROL.
El 1,2,3, propanotriol, mejor conocido como el glicerol o glicerina es un tipo de
alcohol con tres grupos hidroxilo (-OH), es uno de los productos principales de la
degradación digestiva de lípidos, este se puede obtener como subproducto en la
producción de biodiesel, en la Tabla 2, se muestra su contenido En temperatura
ambiente de 25 ºC se encuentra en forma líquida, tiene un alto coeficiente de
viscosidad alto. Es un compuesto que no es toxico ni irritante, es biodegradable y
puede reciclarse, cuenta con un alto punto de ebullición y no tiene miscibilidad en
agua.
Compuesto Porcentaje en peso %
Glicerol 60.05%
Metanol 32.59%
Catalizador 2.62%
Grasas 1.94%
Cenizas 2.80%
Tabla 2. Contenido de glicerol crudo. (Posada, Higuita, & Cardona, 2011)
29
3.13 CONTROL DE PROCESOS.
El control de procesos basa en manipular y controlar de forma automática las
principales variables dentro de un proceso con los valores más próximos y reales a
pesar de las perturbaciones que pudieran ocurrir dentro de dicho proceso. La
recuperación de datos, es llevada a cabo matemáticamente por un equipo central
que resuelve los procedimientos.
3.13.1 SENSORES DE TEMPERATURA.
Existen infinidad de formas de medir la temperatura, los sensores son una de estas
tantas, ayudan a controlar y medir los cambios de temperatura durante los procesos
industriales. En la tabla 3, podemos observar la clasificación de estos tipos de
sensores.
Dispositivos de Medición de Temperatura
Eléctricos Mecánicos Radiación Térmica
-Termocuplas -Sistemas de dilatación -Pirómetros de radiación
-Termo resistencias -Termómetros de vidrio -Total (banda ancha)
-Termistores -Termómetros bimetálicos -Óptico
-Diodos * -Termómetro infrarrojo
-Sensores de Silicio -Pasa banda
Tabla 3. Dispositivos de Medición de Temperatura. (Bausa Aragones, y otros, pág. 5)
3.13.2 SENSORES DE NIVEL.
Los sensores de nivel de líquidos trabajan mediante lecturas directas como lo son la
sonda, cinta y los flotadores, también existen métodos indirectos como los de presión
y membrana. Los tipos de sensores de nivel que existen son los siguientes.
Desplazamiento (flotador)
Presión diferencial.
Burbujeo.
Radioactivo.
Capacitivo.
30
Ultrasonido.
Conductivímetro
Radar
Servoposicionador (Leal)
3.14 RESISTENCIAS TERMICAS.
El calentamiento por resistencias eléctricas puede ser de diferentes maneras, de
forma directa la corriente pasa por las piezas, indirectamente se calientan por
radiación, convección o por una combinación de ambas. Por resistencia directa el
calentamiento es favorable y adecuado para piezas metálicas de gran longitud.
Distribuir la temperatura por la sección de calentamiento puede ser ajustable por el
tiempo y se puede obtener una temperatura ligeramente mayor a la que se tiene en
la superficie, mientras se lleva acabo el calentamiento la oxidación es mínima y no
afecta la calidad del producto ni del tanque.
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DEL PROYECTO DE ESTADÍA
32
4.1 BALANCE DE MATERIA
El glicerol está compuesto por 60.05% de glicerina, 32.59% de metanol, 2.62% de
catalizador, 1.94% de grasas vegetales y 2.8% de cenizas, se introducirán 100 lts/h
de glicerol crudo para su purificación y la recuperación de metanol entrando a
temperatura ambiente d 30ºC hasta llegar a los 80ºC para así lograr la evaporación
del metanol debido a que su punto de ebullición es esta temperatura.
Balance general
Balance del glicerol.
Glicerol
Glicerina
Metanol Xm1=?
Glicerol
Xg= 60.05% Xm= 32.59% Xo= 7.36%
Xg1=?
33
Donde:
Volumen inicial= volumen inicial del glicerol
Xv= Fracción inicial del glicerol.
Volumen final= volumen final de glicerol sometido a calor.
Xvf= Fracción final del glicerol sometido a calor.
Balance general
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Imagen 4. Imagen representativa del cilindro
4.2 CÁLCULO DEL ÁREA Y VOLÚMEN DEL EVAPORADOR.
Radio = 30 cm = .30 metros. Altura = 60 cm = .60 metros.
4.3 CALCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Temperatura ambiente = 28 ºC
Temperatura final = 80ºC
Cp glicerol =
Masa= 100 lts.
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4.4 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
De acuerdo a la formula dada por la transferencia de calor .
4.5 TEMPERATURA DE DISEÑO
4.6 VÓLUMEN REAL DEL TANQUE
36
4.7 CÁLCULO DEL PORCENTAJE DE VOLUMEN A OCUPAR.
4.8 CÁLCULO DE PRESIÓN HIDROSTATICA
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4.9 ESPESOR DE LOS CABEZALES.
Dónde:
Tcab=espesor de los cabezales (mm)
Pt= Presión tanque
L= Diámetro Interno (550 mm)
M= Factor que depende la relación.
E= Factor de la soldadura (.85)
C.A=Tolerancia de corrosión (2mm)
S=Esfuerzo del Material (bar)
Ver tabla en los anexos con los valores correspondientes de “M”
Para 100ºC = 212ºF la tensión máxima es 18.8 para el acero inoxidable Ver tabla en los anexos.
38
4.10 CÁLCULO DEL DIAMETRO EXTERNO DE LOS CABEZALES.
Donde:
Dext,cab=Diámetro externo cabezal.
Dint=Diámetro interno
Tcab=Espesor del cabezal.
4.11 CÁLCULO DEL ESPESOR DEL CILINDRO.
Dónde:
Tc=Espesor del cilindro
Ph=Presión Hidrostática
Rint,c=Radio interno del cilindro
S= Esfuerzo del Material
E= Factor de soldadura (.85)
C.A= Tolerancia de corrosión (2mm)
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4.12 CÁLCULO EXTERNO DEL TANQUE.
4.13 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LOS CABEZALES
Según la página web “Koening-co” la cual es proveedora de cabezales las fórmulas son las siguientes:
4.14 CÁLCULO DE LA ALTURA TOTAL DEL TANQUE.
40
4.15 VÓLUMEN INTERNO Y EXTERNOS DE LOS CABEZALES
4.16 VÓLUMEN INTERNO Y EXTERNO DEL CILINDRO
41
4.17 PESO DEL TANQUE
42
4.18 CÁLCULO DE POTENCIA ELECTRICA REQUERIDA PARA UN
PROCESO
43
CAPÍTULO 5
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
45
5.1 RESULTADOS
De acuerdo a las especificaciones obtenidas en el desarrollo de este proyecto las
cuales pueden observarse en la tabla 4 , se realizó el diseño (imagen 5, en los
anexos del CD, se encontrara el diseño realizado) del evaporador en el software
CAD (Diseño asistido por computadora) Solidworks, el cual es para modelar en 3D,
en el cual se puede hacer piezas, conjuntos y extraerlos de planos técnicos.
Descripción. Medida
Radio 30 cm
Altura 60 cm
Transferencia de calor 3016 Kcal
Coeficiente global de transferencia de calor
34.11765Kcal/m2*ºC
Temperatura de diseño 100ºC
Volumen real del tanque 0.169646 m3
Volumen a ocupar 58.95%
Presión 1.088bar
Espesor de cabezales 2.66 mm
Diámetro exterior de los cabezales
0.55032m
Espesor del cilindro 2.5 mm
Diámetro exterior del tanque 60 cm
Altura de los cabezales 11.45247cm
Altura total del tanque 82.9 cm
Volumen interior de los cabezales
0.0166375 m3
Volumen exterior de los cabezales
0.01688 m3
Volumen de la pared de los cabezales
0.0002425 m3
Volumen Interior del cilindró 0.14255 m3
Volumen exterior del cilindró 0.169646 m3
Volumen de la pared del cilindró
0.0271 m3
Volumen de la pared del tanque
0.027585 m3
Peso del tanque vacío 241.54 Kg
Peso del tanque lleno 463 Kg
Tabla 4. Especificaciones obtenidas para el evaporador
46
Imagen 5. Diseño del evaporador realizado en Solidworks.
47
Imagen 6. Vista seccionada del evaporador.
Imagen 7. Vista inferior seccionada del evaporador
48
Imagen 8. Vista superior del evaporador.
Imagen 9.Vista trasera del evaporador.
49
Imagen 10. Cono parte del evaporador.
Imagen 11. Vista Seccionada del cono parte del evaporador.
50
Imagen 12. Manguera parte del evaporador.
Imagen 13. Vista seccionada del tubo parte del evaporador.
51
Imagen 14. Resistencia
Imagen 15. Sensor de temperatura
52
Imagen 16. Sensor de Nivel
Imagen 17. Tubo parte del evaporador
53
5.2 CONCLUSIONES
Los objetivos propuestos en este proyecto se consiguieron satisfactoriamente se
diseñó un evaporador para la recuperación de metanol y la purificación de glicerol
obtenido como subproducto tras la fabricación de biodiesel, en base a la tabla 4 la
cual contiene las especificaciones del evaporador.
Una vez que se conocieron y se investigaron las características físico-químicas de la
sustancia a evaporar en este caso el glicerol se determinó que el evaporador más
adecuado era de efecto simple.
Tras una larga investigación y teniendo en cuenta las características de la sustancia
se eligió el material preciso del evaporador el cual es acero inoxidable esto debido a
que las peculiaridades que posee este material y a su bajo índice de corrosión.
5.3 TRABAJOS FUTUROS
El diseño llevado a cabo durante este proyecto tiene como fin tener una propuesta de
diseño de un evaporador para a futuro proceder a la fabricación de este, inclusive se
podrían modificar el tamaño del volumen para que el evaporador cuente con mayor
capacidad de recuperación de metanol y llevarlo a grande escala.
5.4 RECOMENDACIONES
Este proyecto resulta muy factible en el área económica, y puede modificarse para
que el evaporador tenga una mayor capacidad, pero se necesitarían ampliar las
instalaciones en las cuales se encuentra la planta de producción.
54
ANEXOS
Valores del factor M
L/r 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 4.00 4.50
M 1.00 1.03 1.06 1.08 1.10 1.13 1.15 1.17 1.18 1.20 1.22 1.25 1.28
L/r 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.0 10.5 11.0
M 1.31 1.34 1.36 1.39 1.41 1.44 1.46 1.48 1.50 1.52 1.54 1.56 1.58
L/r 11.5 12.00 13.00 14.00 15.0 16.0 162/3 * * * * * *
M 1.60 1.62 1.65 1.69 1.72 1.75 1.77 * * * * * * Tabla 5. Valores para M. (Barcelona, 2015, pág. 79)
Especificaciones Valores de Tensión Máxima (Multiplicar por 1000 para obtener psi)
No. Grado -20 a 100
200 300 400 500 600 650 700
SA-240 304 18.8 17.8 16.6 16.2 15.9 15.9 15.9 15.9
SA-240 304L 15.7 15.7 15.3 15.7 14.0 14.0 13.7 13.5
SA-240 316L 18.8 18.8 18.4 18.1 17.0 17.0 16.7 16.3
SA-240 316L 15.7 15.7 15.7 15.7 14.4 13.5 13.2 12.9
Tabla 6. Valores tensión Máxima para el acero inoxidable. (Barcelona, 2015, pág. 80)
55
BIBLIOGRAFÍA
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Ingeniería Química (Cuarta ed.). Madrid, España: McGrall Hill. Recuperado el 4 de Mayo de 2017
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Barcelona, U. (2015). Manual de cálculos. Barcelona: VAM INDUSTRY. Bausa Aragones, J., García Gómez, C., Zaragozi Zaragozi, B., Gil Martínez, A.,
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Leal, E. (2010). Sensores de Nivel. Universidad Nacional Experimental "Francisco
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Ramos Gonzáles, J. C. (2007). Fórmulas, tablas y figuras de transferencia de calor. Donostia-San Sebastián, España.: Tecnum.