Download Evaporación - FCQ

Universidad Autónoma
De Chihuahua
Facultad De
Ciencias Químicas
OPERACIONES UNITARIAS II
Evaporación
Iván Ochoa Salmerón
Grupo 7E
Noel Bejarano – 222566
Cristóbal Gibrán Mejía Terrazas - 197470
Aldo Estalí Pizano López – 212640
Adriana Ramirez Cantú - 234041
Isis Fonseca Villalpando – 212617
Evaporación
INTRODUCCION
La evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil.
En la mayor parte 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 -a veces altamente viscoso- 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. Normalmente, en evaporación el
producto valioso es el líquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACION Y MÉTODOS DE OPERACIÓN
Tipos generales de evaporadores
La evaporación consiste en la adición de calor a una solución para evaporar el disolvente que, por lo
general, es agua. Usualmente, el calor es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de
agua) en contacto con una superficie metálica, con el líquido del otro lado de dicha superficie.
Los principales tipos de evaporación tubulares calentados con vapor de agua se utilizan actualmente son:
1.- Evaporadores de tubos largos verticales
a) Flujo ascendente
b) Flujo descendente
c) circulación forzada
2.- Evaporadores de películas agitadas
Evaporadores con un paso y de circulación
En la operación con un paso, el líquido de alimentación pasa de una vez a través de os tubos, libera el
vapor y sale de la unidad como solución concentrada (o licor espeso). Toda la evaporación tiene lugar en
un solo paso.
Los evaporadores de película agitada operan siempre con un solo paso; los evaporadores de película
ascendente y de película descendente pueden también operar en esta forma.
Los evaporadores con un solo paso son especialmente útiles para materiales sensibles al calor. Al operar
a vacio elevado, es posible mantener baja la temperatura del líquido. Con un solo paso rápido a través de
los tubos, la solución concentrada está a la temperatura de evaporación, pero solamente durante y en
corto periodo, y puede enfriarse rápidamente en cuanto sale del evaporador.
En los evaporadores de circulación se mantiene una masa de líquido dentro del equipo. La alimentación
que entra se mezcla con la masa global de líquido y después pasa a través de los tubos. El líquido no
evaporado descarga de los tubos, retorna al equipo, de forma que en cada paso solamente ocurre una
parte de la evaporación total.
Los evaporadores de circulación no son muy adecuados para concentrar líquidos sensibles al calor. Con
un vacío razonable bueno, la temperatura de la masa global de líquido puede no ser destructiva, pero el
líquido esta repetidamente expuesto al contacto con los tubos calientes. El calentamiento prolongado de
incluso una pequeña parte de material sensible al calor, tal como un producto alimenticio, es capaz de
estropear todo el producto.
Sin embargo estos pueden operar en un amplio intervalo de concentración entre la alimentación y el
licor concentrado utilizando una sola unidad
Evaporadores de tubos largos con flujo ascendente
Las partes esenciales son un intercambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la coraza y
el líquido que se desea concentrar en el interior de los tubos, un separador o espacio de vapor para
separar el líquido arrastrado por el vapor, cuando opera como una unidad de circulación, existe un brazo
de recirculación para el líquido desde el separador hasta el fondo de intercambiador, existen entradas
para el líquido de alimentación y el vapor de calentamiento, y salida para el vapor, la solución
concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de calentamiento.
La solución concentrada es retirada por el fondo del calentador; el resto de la solución es parcialmente
vaporizada conforme sube a través de los tubos.
Los evaporadores de tubos largos verticales son especialmente efectivos para concentrar líquidos que
tienden a formar espuma. La espuma se rompe cuando la mezcla de líquido y vapor de alta velocidad
choca contra las paredes deflectoras de la carga de vapor
Evaporadoras de película descendente
La concentración de materiales altamente sensibles al calor, tales como el jugo de naranja, requieren un
tiempo mínimo de exposición a una superficie caliente, esto se consigue con evaporadores de película
descendente de un solo paso, en los que el líquido entra por la parte superior, desciende por el interior de
los tubos calentador con vapor de agua, como una película y sale por el fondo. Los tubos son largos de
50 a 255mm de diámetro. El vapor procedente del líquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el
líquido y sale por el fondo de la unidad.
El principal problema es la distribución uniforme del líquido como en forma de película dentro de los
tubos. Esto se consigue mediante una serie de placas metálicas perforadas situadas sobre u na placa
tubular cuidadosamente nivelada, por medio de inserciones en los extremos de los tubos que generen un
flujo uniforme en cada tubo.
Para una buena transferencia de calor, el número de Reynolds de la película descendente ha de ser
superior a 2000.
Los evaporadores de película descendente, sin recirculación y con tiempos de residencia cortos, tratan
productos sensibles que no pueden concentrarse de otra formal. Se adaptan bien para la concentración de
líquidos viscosos
Evaporador de película agitada
La principal resistencia a la transferencia de calor global desde el vapor de agua que condensa hasta el
líquido que hierve en un evaporador reside del lado del líquido. Una forma de reducir la resistencia es
por la agitación mecánica de la película liquida.
La principal ventaja de un evaporador de película agitada es su capacidad para conseguir elevadas
velocidades de transferencia de calor con líquidos viscosos. El producto llega a tener una viscosidad tan
elevada como 1000 P a la temperatura de evaporación.
Este evaporador es en particular efectivo con materiales viscosos sensibles al calor tales como gelatina,
látex de caucho, antibióticos y jugos de frutas. Sus desventajas son el costo elevado; las partes internas
móviles que requieren un mantenimiento considerable; y la baja capacidad de cada unidad
FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES TUBULARES
Las principales características de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la
capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de kilogramos de agua
vaporizada por hora. La económica es el número de kilogramos vaporizados por kilogramo
de vapor de calentamiento que entra en la unidad
Capacidad de un evaporador
La velocidad de transferencia de calor q a través de la superficie de calentamiento de un
evaporador, de acuerdo con la definición del coeficiente global de transferencia de calor, es
el producto de tres factores: el área A de la superficie de transferencia de calor, el
coeficiente global de transferencia de calor U, y la caída global de temperatura ∆T, o
q = UA∆T
si la alimentación está a la temperatura de ebullición correspondiente a la presión absoluta
en el espacio de vapor, todo el calor transferido a través de la superficie de calentamiento es
utilizado en la evaporación y la capacidad es proporcional a q. si esta fría, el calor que
requiere para calentarla a la temperatura de ebullición tal vez será considerable, reduciendo
la capacidad para un valor dado de q. si la alimentación está a temperatura superior a la
ebullición, una parte se evapora en forma espontánea y la capacidad será superior a la
correspondiente a q. este proceso recibe el nombre de evaporación instantánea
La caída de temperatura depende de la solución que se evapora, de la diferencia de presión
entre la cámara de vapor y el espacio de vapor situado encima del líquido en ebullición, así
como de la altura del líquido sobre la superficie de calentamiento.
Elevacion del punto de ebullición y regla de Duhring
La presión de vapor de la mayor parte de las soluciones acuosas es menor que la del agua a
la misma temperatura. En consecuencia, para una presión dada, la temperatura de ebullición
de las soluciones es mayor que el del agua pura. El aumento del punto de ebullición sobre
el del agua se conoce como elevación del punto de ebullición BPE, boiling point elevation
de la solución. El BPE debe restarse de la caída de temperatura que se predice a partir de
las tablas del vapor de agua.
Para soluciones concentradas, el BPE se obtiene mejor a partir de la regla de Duhring, en la
cual según la temperatura de ebullición de una determinada solución es una función lineal
de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión, obteniendo una línea
recta al graficarse.
Para amplios intervalos de presión la regla no es exacta
Efecto de la carga de líquido y de la fricción sobre la caída de temperatura
Si la altura de líquido en un evaporador es apreciable, el punto de ebullición
correspondiente a la presión en el espacio de vapor es el punto de ebullición solo de la capa
superficial del líquido. Una masa de líquido situada a una distancia Zm o ft por debajo de la
superficie está sometida a la presión del espacio de vapor más una carga de Zm o ft del
líquido, por consiguiente, tiene un punto de ebullición más elevado. Además cuando la
velocidad del líquido es grande, la perdida por fricción e n los tubos aumenta todavía más
la presión promedio del équido.
No es posible estimar la producción desde el punto de vista cuantitativo con precisión, pero
el efecto cualitativo de la carga de líquido, especialmente con niveles elevados de licor y
altas velocidades de líquido debe ignorarse.
Tanto para altas como para bajas velocidades, el vapor y el líquido concentrado alcanzan el
equilibrio para la presión existente en el espacio vapor. Si el líquido tiene una elevación
apreciable del punto de ebullición (BPE), la temperatura T es mayor que T´, el punto de
ebullición del agua pura a la presión del espacio vapor. La diferencia entre T y T´ es el
BPE.
La caída de temperatura, corregida para BPE, es Ts – T. la verdadera caída de temperatura,
corregida para tener en cuenta la elevación del punto de ebullición y la carga estática, está
representada por la distancia promedio entre Ts y la temperatura variable del liquido
Cambios de presión
Cuando la velocidad dentro de un tubo es tal que comienza la ebullición dentro del mismo,
el líquido en la sección de no ebullición del tubo se mueve lentamente y la caída de presión
por fricción es pequeña. Sin embargo, en la sección de ebullición, la mezcla de vapor y
líquido tiene una lata velocidad, y la perdida de fricción es grande. Entonces la presión en
el tubo cae lentamente en la parte más baja de los tubos
Coeficientes de trasferencia de calor
El flujo de calor y la capacidad del evaporador son afectadas por cambios en la caída de
temperatura y en el coeficiente global de la transferencia de calor. La caída de temperatura
está fijada por las propiedades del vapor de agua y del líquido que hierve y, excepto por lo
que respecta a la carga hidrostática, no depende d el a construcción del evaporador. Por otra
parte, el coeficiente global está fuertemente afectado por el diseño y la forma de operación
del evaporador
Coeficiente de película de vapor
El coeficiente de calentamiento es elevado, aun para la condensación de película. A veces
se adicionan promotores al vapor para provocar la condensación de gotas y aumentar
todavía más el coeficiente. Es preciso tomar precauciones para purgar los gases no
condensables de la cámara de vapor y prevenir la fuga de aire presente cuando el vapor está
a una presión inferior a la atmosférica
Coeficientes del lado líquido
Depende en gran medida de la velocidad del líquido sobre la superficie de calentamiento.
En la mayoría de los evaporadores, y especialmente en los que tratan materiales viscosos,
la resistencia del lado líquido controla la velocidad global de la transferencia de calor hacia
el líquido en ebullición.
La circulación forzada conduce a coeficientes elevados, aun cuando la ebullición dentro de
los tubos es suprimida por la elevada carga estática
Coeficientes globales
Debido a la dificultad de medir los elevados coeficientes de película individuales en un
evaporador, por lo general los resultados experimentales se expresan en función de los
coeficientes globales. Estos están basados en la caída neta de temperatura corregida para
tener en cuenta le elevación del punto de ebullición. El coeficiente global está, por
supuesto, influido por los mismos factores que los coeficientes individuales; por, si una
resistencia es lo que controla, variaciones importantes de las demás resistencias apenas
tendrían efecto sobre el coeficiente global
Economía de un evaporador
Mediante un diseño adecuado, la entalpia de vaporización del vapor de calentamiento que
entra en el primer efecto se utiliza una o más veces dependiendo del número de efectos.
También se ve afectada por la temperatura de alimentación. Si es inferior a la de ebullición,
para la carga de calentamiento utiliza una parte de la entalpia de vaporización del vapor y
solo una parte queda disponible para le evaporación; si la alimentación está a una
temperatura superior, la vaporización súbita que se produce contribuye a generar una
evaporación adicional a la producida por la entalpia.
Balances de entalpia para evaporador de simple efecto
En un evaporador de simple efecto, el calor latente de condensación del vapor es
transferido a través de una superficie de calentamiento para vaporizar agua de una solución
en ebullición, se necesitan dos balances de entalpia, uno para el vapor de agua y otro para el
lado del líquido.
En un evaporador de simple efecto. La velocidad del flujo del vapor y del condensado es
ms, la de la solución diluida o alimentación es mf, la del líquido concentrado es m. La
velocidad de flujo de vapor hacia el condensador, suponiendo que no precipitan solidos de
licor, es mf - m. por otra parte, Ts es la temperatura de condensación del vapor de agua, T la
temperatura de ebullición del líquido en el evaporador, y Tf la temperatura de la
alimentación.
La diferencia entre la entalpia de vapor de agua y la del condensado es simplemente ʎs, el
calor latente de condensación del vapor de agua. El balance de entalpia para el lado del
vapor es:
qs = ms (Hs – Hc) = msʎs
Balances de entalpia con calor de dilución despreciable
Para disoluciones cuyos calores de disolución son despreciables, los balances de entalpia
para un evaporador de simple efecto se calculan a partir de los calores específicos y las
temperaturas de las soluciones. La velocidad de trasferencia de calor q del lado del licor
incluye qf, el calor transferido hacia la solución diluida necesario para variar su temperatura
Tf hasta la temperatura de ebullición T, y qv, calor necesario para realizar la evaporación,
esto es,
q = qf + qv
Si el calor especifico de la solución diluida se supone constante para el intervalo de
temperatura comprendido entre Tf y T, entonces
qf = mf cpf (T – Tf)
Por otra parte
qv = (mf – m) ʎs
Si la elevación del punto de ebullición de la solución concentrada es despreciable, ʎv = ʎ, el
calor latente de vaporización del agua a la presión del espacio de vapor. Sin embargo, en la
práctica, casi siempre resulta suficiente exacto utilizar ʎ, que se obtiene directamente a
partir de las tablas del vapor de agua.
Se obtiene la ecuación final para el balance de entalpia en un evaporador de simple efecto
cuando el calor de dilución es despreciable:
q = mfcpf (T – Tf) + (mf – m) ʎ
esta ecuación establece que el calor procedente del vapor de condensación se utiliza:
1) en vaporizar desde la solución
2) En calentar la alimentación hasta la temperatura de ebullición; si la alimentación
entra a una temperatura superior a la de ebullición en el evaporador, una parte de la
evaporación es instantánea
Balance de entalpia con calor de dilución apreciable; diagrama entalpiaconcentración
Un diagrama de entalpia – concentraciones, la entalpia, en Btu por libra o joules por gramo
de solución, se grafica contra la concentración, en fracciones de masa o porcentaje de la
conc4entracion a temperatura constante.
Las isotermas de un diagrama entalpia – concentración para un sistema sin calor de dilución
son líneas rectas. Los diagramas de entalpia – concentración puede construirse, para
soluciones con calores de dilución despreciables, pero resultan innecesarios a la vista de la
simplicidad del método de calor especifico.
Evaporador de múltiple efecto
En estos evaporadores las conexiones están hechas de tal forma que el vapor procedente de
un efecto sirve como medio de calentamiento para el efecto siguiente. Un eyector de aire y
un condensador establecen un vacío en el tercer efecto de la serie y retiran los no
condensables del sistema. El primer efecto es aquel en el que se introduce el primer vapor
de calentamiento y en el que la presión en el espacio vapor es la más elevada. El último
efecto tiene la presión mínima en el espacio vapor. La diferencia de presión entre el primer
vapor de calentamiento y el condensador se divide a lo largo de dos o más efectos. Cada
efecto, por sí solo, actúa como un evaporador de un solo efecto y tiene una caída de
temperatura correspondiente a la caída de presión. Todo lo que se ha dicho de un
evaporador de un solo efecto es aplicable a cada uno de los efectos de un sistema de
múltiple efecto.
La numeración de los efectos es independiente del orden en el que las soluciones entren
como alimentación; se numeran siempre en la dirección de disminución de presión.
En la operación en estado estacionario, las velocidades de flujo y las velocidades de
evaporación son tales que tanto el solvente como el soluto no se acumulan ni disminuyen
en cada efecto. Todas las concentraciones internas, velocidades de flujo, presiones y
temperaturas se mantienen automáticamente constantes durante la operación del proceso
mismo.
La superficie de calentamiento del primer efecto transmitirá por hora una cantidad de calor
de acuerdo a la ecuación
q1 = A1U1∆T1
Sin embargo, el calor transferido en el segundo efecto viene dado por la ecuación
q2 = A2U2∆T2
ya que q1 y q2 prácticamente son iguales, se obtiene que
A1U1∆T1 = A2U2∆T2
Puede emplearse, de forma que, aproximadamente
A1U1∆T1 = A2U2∆T2 = A3U3∆T3
En la práctica ordinaria las áreas de calentamiento de todos los efectos de un evaporador de
múltiple efecto son iguales, lo cual conduce a una economía en la construcción. Por lo
tanto, puesto que q1 = q2 = q3,
A1U1∆T1 = A2U2∆T2 = A3U3∆T3 = q/A
a partir de aquí se deduce que las caídas de temperatura en un evaporador de múltiple
efecto son, de forma aproximada, inversamente proporcionales a los coeficientes de
transferencia de calor
Métodos de alimentación
El método habitual de alimentar un evaporador de múltiple efecto consiste en introducir,
mediante una bomba, la solución diluida en el primer efecto y hacerla circular después a
través de los demás efectos. Este método recibe el nombre de alimentación directa.
Requiere de una bomba para introducir la alimentación en el primer efecto, ya que con
frecuencia este efecto está a una presión atmosférica.
Otro método común es el de alimentación inversa, en el que la alimentación de la solución
diluida se introduce en el último efecto y se bombea después a través de los efectos
sucesivos hasta el primero. Este método requiere una bomba entre cada pareja de efectos,
además de la bomba de solución concentrada, ya que el flujo tiene lugar en el sentido de
presiones crecientes.
Otro método es el de alimentación mixta, donde la solución diluida entra en un efecto
intermedio, circula con la alimentación directa hasta el extremo final de la serie, y después
se bombea hacia atrás a los primero efectos para conseguir la concentración final.
En los evaporadores con cristalización, donde se retira una suspensión de cristal y licor
madre, la alimentación se introduce directamente en cada efecto para dar lugar a lo que se
llama alimentación paralela.
Capacidad y economía de evaporadores de múltiple efecto
El aumento de economía mediante la evaporación de múltiple efecto se consigue a costa de
una capacidad reducida. En general, la capacidad total de un evaporador de múltiple efecto
no es superior a la de uno de simple efecto que tiene igual superficie de calentamiento en
cada uno de los efectos y opera con las mismas condiciones extremas.
Cuando la elevación del punto de ebullición es despreciable, el ∆T efectivo global es igual
a la suma de los ∆T, y la cantidad de agua evaporada por unidad de área de superficie es
aproximadamente igual a (1/N) enésimo.
Si se desprecian la carga de calentamiento y el calor de dilución, el calor transferido viene
dado por las ecuaciones
q1 = A1U1∆T1
q2 = A2U2∆T2
q2 = A2U2∆T2
La capacidad total es proporciona a la velocidad de la transferencia de calor qT, que se
obtiene a partir de las ecuaciones:
qT = q1+ q2+ q3 = A1U1∆T1 + A2U2∆T2 + A3U3∆T3
Suponiendo que el área Am2 y que el coeficiente global U es además el mismo en cada
efecto, entonces:
qT = UA (∆T1 + ∆T2 + ∆T3) = UA∆T
Si el coeficiente global es el mismo en cada efecto, la velocidad de transferencia de calor en
un solo efecto será:
qT = UA∆T
la elevación del punto de ebullición tiende a que la capacidad de un evaporador de múltiple
efecto sea menor que la del correspondiente a un solo efecto
Efecto de la carga de líquido y de la elevación del punto de ebullición
La carga de líquido y la elevación del punto de ebullición influyen sobre la capacidad de
una evaporadora de múltiple efecto todavía más que en el caso de un solo efecto. La carga
de líquido reduce la caída de temperatura en cada efecto como en la elevación del punto de
ebullición
En casos extremos de un gran número de efectos o elevaciones del punto de ebullición muy
altos, la suma de las elevaciones del punto de ebullición en un evaporador propuesto podría
ser mayor que la caída total de temperatura disponible. Sería preciso revisar las condiciones
de operación del evaporador para reducir el número de efectos o aumentar la caida total de
temperatura.
La economía de un evaporador de efecto múltiple no se ve influida por las elevaciones del
punto de ebullición si se desprecian factores menores. Como la temperatura de
alimentación y variaciones de los calores de vaporización.
La economía depende de consideraciones de balance de calor y no de la velocidad de
transferencia de calor.
La capacidad, se reduce a causa de la elevación del punto de ebullición. La capacidad de un
evaporador de doble efecto es generalmente menor que la mitad de la capacidad de dos
efectos simples que operan con la misma caída global de temperatura. La capacidad un
triple efecto también es por lo general menor que un tercio que tres efecto simples con las
mismas temperaturas extremas.
Numero óptimo de efectos
El costo de cada efecto, es una función de su área total y disminuyen con el área, tendiendo
a un valor asintótico par agrandes instalaciones. La inversión necesaria para un evaporador
de N efectos es aproximadamente N veces la de un evaporador de simple efecto de la
misma capacidad. El numero optimo se obtiene de un balance económico teniendo en
cuenta el ahorro de vapor de calentamiento y la inversión adicional que se requiere.
RECOMPRESION DEL VAPOR
La energía del vapor formado en la ebullición de una solución puede utilizarse para
vaporizar más agua siempre que exista una caída de temperatura en la dirección deseada
para la transferencia de calor.
La fuerza impulsora deseada también se puede obtener aumentando la presión (y, por lo
tanto, la temperatura de condensación) del vapor formado, utilizando una recompresión
mecánica o térmica. Este se condensa después en la cámara de vapor de elevación.
Recompresión mecánica
La alimentación fría se precalienta hasta una temperatura próxima a la de la ebullición
mediante intercambio de calor con la solución concentrada y se bombea a través de un
calentador como en el caso de un evaporador convencional de circulación forzada. El vapor
formado no se condensa directamente sino que se comprime hasta una presión algo más
elevada, transformándose así en vapor de calentamiento que entra como alimentación en el
calentador. Puesto que la temperatura de saturación es superior a la de ebullición de
alimentación, el calor fluye desde el vapor hacia la solución generando más vapor.
La economía basada en el vapor de calentamiento equivale al poder de energía que se
requiere para accionar el compresor es el correspondiente a un evaporador de 10 a 15
efectos. Sus aplicaciones son la producción de agua destilada a partir de agua salada,
evaporación de licor negro en la industria del papel, evaporación de materiales sensibles al
calor como los juegos de fruta, y la cristalización de sales.
Recompresión térmica
En un sistema de recompresion térmica, el vapor se comprime utilizando vapor de alta
presión en un eyector de chorro dando lugar a mas vapor de calentamiento del que se
requiere, de forma que el exceso de vapor se purga o se condensa. La relación entre el
vapor de calentamiento y el vapor procedente de la solución depende de la presión de
evaporación.
Como los chorros de vapor pueden manejar grandes volúmenes de vapor de baja densidad,
la recompresion térmica resulta más adecuada que la recompresion mecánica para la
evaporación al vacío. Los eyectores son más baratos y de fácil mantenimiento que los
compresores y los sopladores,