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 entalpia-

concentración

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,