UNIVERSIDAD JUREZ AUTNOMA DE TABASCO

UNIVERSIDAD JUREZ AUTNOMA DE TABASCODIVISIN ACADMICA DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

ASIGNATURA:OPERACIONES UNITARIAS PROFESORA: ANA LUISA GMEZ CALZADAFECHA:09/julio/2014

ALUMNOS:BIBI KENLY MENDOZA DE LA CRUZ DAVID SALAZAR MARIN

1

INTRODUCCINEn una operacin de evaporacin se concentra una solucin al eliminar el disolvente por ebullicin. Por lo general, el producto deseado es la solucin concentrada, pero en algunas ocasiones el producto principal es el disolvente evaporado, por ejemplo en la evaporacin del agua de mar para obtener agua potable. Es posible continuar la concentracin hasta la saturacin de la solucin y ms aun, hasta que el soluto precipita como un slido cristalino. En este caso, la operacin se conoce como cristalizacin.

En cualquiera de estos casos, se presentan varios procesos de velocidad:

Primero, se transfiere calor desde el medio de calentamiento a la solucin. La transferencia suele llevarse a cabo a travs de una superficie slida, pero puede ser una transferencia directa de los gases de combustin a la solucin que se est evaporando.Segundo, la masa y el calor se transfieren de manera simultnea desde la fase lquida hasta la fase de vapor. Para este proceso de transferencia, son aplicables todas las ecuaciones de velocidad, balance y equilibrio, que utilizan para un proceso de humidificacin o destilacin.Por ltimo, para una operacin de cristalizacin, tambin existe la transferencia simultnea de calor y masa entre soluciones y fases slidas. Aqu tambin son aplicables todas las consideraciones mencionadas.

Factores de procesoLas propiedades fsicas y qumicas de la solucin que se esta concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presin y la temperatura del proceso. A continuacin se analizan algunas propiedades que afectan a los mtodos de procesamiento:

Concentracin en el lquido. Solubilidad.Sensibilidad trmica de los materiales. Formacin de espumas.Presin y temperatura.Formacin de incrustaciones y materiales de construccin

Concentracin en el lquido. Por lo general, la alimentacin lquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporacin, la solucin se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminucin del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulacin o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.

Solubilidad. A medida que se calienta la solucin y aumenta la concentracin del soluto o sal, puede excederse el lmite de solubilidad del material en solucin y se formaran cristales. Esto limita la concentracin mxima que puede obtenerse por evaporacin de la solucin. En la figura 8.1-l se muestran algunas solubilidades en agua de ciertas sales en funcin de la temperatura. En la mayora de los casos, la solubilidad de la sal aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solucin concentrada caliente que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalizacin.

Sensibilidad trmica de los materiales. Muchos productos, en especial los alimentos y otros materiales biolgicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando sta sube o el calentamiento es muy prolongado. Entre ellos estn los materiales farmacuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales qumicos orgnicos delicados. La cantidad de degradacin est en funcin de la temperatura y del tiempo.

Formacin de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones custicas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de cidos grasos, forman espuma durante la ebullicin. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir prdidas de material

Presin y temperatura. El punto de ebullicin de la solucin est relacionado con la presin del sistema. Cuanto ms elevada sea la presin de operacin del evaporador, mayor ser la temperatura de ebullicin. Adems, la temperatura de ebullicin tambin se eleva a medida que aumenta la concentracin del material disuelto por la accin de la evaporacin. Este fenmeno se llama elevacin del punto de ebullicin. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termosensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vaco.

Formacin de incrustaciones y materiales de construccin. Algunas soluciones depositan materiales slidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposicin o por disminucin de la solubilidad. El resultado es una reduccin del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La seleccin de los materiales de construccin del evaporador tiene importancia en la prevencin de la corrosin.

Tipos generales de evaporadoresLa evaporacin consiste en la adicin de calor a una solucin para evaporar el disolvente que, por lo general, es agua. Usualmente, el calor es suministrado por condensacin de un vapor (como vapor de agua) en contacto con una superficie metlica, con el lquido del otro lado de dicha superficie.

El tipo de equipo usado depende tanto de la configuracin de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitacin o circulacin del lquido. A continuacin se analizan los tipos generales de equipo.

Marmita abierta o artesa. La forma ms simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el lquido. El suministro de calor proviene de la condensacin de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el lquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son econmicos y de operacin simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el lquido

Evaporador de tubos horizontales con circulacin natural. El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solucin a ebullicin est por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie lquida; despus, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de lquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente econmico, puede utilizarse para lquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para lquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulacin del lquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos.

Evaporador vertical con circulacin natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el lquido esta dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullicin y a la disminucin de densidad, el lquido se eleva en los tubos por circulacin natural, y fluye hacia abajo a travs de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulacin natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. No es til con lquidos viscosos.

Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos. Una variacin de este modelo es el evaporador de canasta, que usa tubos verticales, pero el elemento de calentamiento se cuelga en el cuerpo, de tal manera que haya un espacio anular que sirva de bajada. El modelo de canasta difiere del evaporador vertical de circulacin natural, pues ste tiene un espacio central en vez del anular como bajada. Este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azcar, la sal y la sosa custica.

Evaporador vertical de tubos largos. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparacin con el del lado del lquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el lquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos, el lquido esta en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de lquido muy altas. Por lo general, el lquido pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo.

Evaporador de cada de pelcula. Una variacin del modelo de tubos largos es el evaporador de cada de pelcula, en el cual el lquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de pelcula delgada. Por lo general, la separacin de vapor y lquido se efecta en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentracin de materiales sensibles al calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a que el tiempo de retencin es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de transferencia de calor es alto.

Evaporador de circulacin forzada. El coeficiente de transferencia de calor de la pelcula lquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulacin forzada del lquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubos verticales largos aadiendo una tubera conectada a una bomba entre las lneas de salida del concentrado y la de alimentacin. Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulacin forzada suelen ser ms cortos que los tubos largos, tal. Adems, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy til para lquidos viscosos.

Evaporador de pelcula agitada. La principal resistencia a la transferencia de calor en un evaporador corresponde al lquido. Por tanto, un mtodo para aumentar la turbulencia de la pelcula lquida y el coeficiente de transferencia de calor, consiste en la agitacin mecnica de dicha pelcula.

Esto se lleva a cabo en un evaporador de cada de pelcula modificado, usando un solo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador interno. El lquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de pelcula turbulenta por la accin de aspas de agitacin vertical. La solucin concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior. Este tipo de evaporador es prctico para materiales muy viscosos, pues el coeficiente de transferencia de calor es mayor que en los modelos de circulacin forzada. Se usa para materiales viscosos sensibles al calor como ltex de caucho, gelatina, antibiticos y jugos de frutas. Sin embargo, tiene costo alto y capacidad baja.

Evaporador solar de artesa abierta. Un proceso muy antiguo pero que todava se usa es la evaporacin solar en artesas abiertas. El agua salina se introduce en artesas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta que cristalice.

Evaporadores de efecto mltiple. Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante energa, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto mltiple.

En la operacin de alimentacin hacia adelante la alimentacin se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del vapor. ste es el mtodo de operacin que se emplea cuando la alimentacin est caliente o cuando el producto concentrado final puede dafIarse a temperaturas elevadas. Las temperaturas de ebullicin van disminuyendo de efecto a efecto. Esto significa que si el primer efecto esta a P1 = 1 atm abs de presin, el ltimo estar al vaco, a presin P3.

Evaporadores de efecto mltiple con alimentacin en retroceso. En la operacin de alimentacin en retroceso, la alimentacin entra al ltimo efecto, que es el ms fro, y contina hacia atrs hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Este mtodo de alimentacin en retroceso tiene ventajas cuando la alimentacin es fra, pues la cantidad de lquido que debe calentarse a temperaturas ms altas en el segundo y primer efectos es ms pequea. Sin embargo, es necesario usar bombas en cada efecto, pues el flujo va de baja a alta presin. Este mtodo tambin es muy til cuando el producto concentrado es bastante viscoso. Las altas temperaturas de los primeros efectos reducen la viscosidad y permiten coeficientes de transferencia de calor de valor razonable.

Manipulando algunas ecuaciones obtenemos la ecuacin del calor transferido q por el evaporador.

El calor latente del vapor de agua a la temperatura de saturacin Ts se obtiene de las tablas de vapor de agua. Sin embargo, generalmente no se dispone de las entalpas de la alimentacin y de los productos. Los datos de entalpia y concentracin solo se tienen para algunas sustancias en disolucin. Por tanto, se establecen algunas aproximaciones para determinar el balance de calor, como sigue:

Se puede demostrar en forma aproximada que el calor latente de evaporacin de 1 kg masa de agua de una solucin acuosa se calcula con las tablas de vapor mediante la temperatura de la solucin a ebullicin T1, (temperatura de la superficie expuesta) en lugar de la temperatura de equilibrio del agua pura a P1.

Si se conoce la capacidad calorfica cpF de la alimentacin liquida y cpL del producto, estos valores son tiles para calcular las entalpas. (Se desprecian los calores de dilucin, que en la mayora de los casos se desconocen.)

TABLAS DE VAPOR DE AGUA

ELEVACIN DEL PUNTO DE EBULLICIN DE LAS DISOLUCIONES

En la mayora de los casos de evaporacin, las soluciones no son tan diluidas. Por tanto, las propiedades trmicas de las soluciones que se evaporan pueden ser muy diferentes a las del agua. Las concentraciones de las soluciones son bastante altas por lo cual los valores de capacidad calorfica y punto de ebullicin son muy distintos de los del agua.

En soluciones concentradas de solutos disueltos no es posible predecir la elevacin del punto de ebullicin debido a la presencia del soluto. Sin embargo, se puede usar una ley emprica muy til conocida como regla de Dhring. Con esta tcnica se obtiene una lnea recta cuando se grafica el punto de ebullicin de una solucin en C o F en funcin del punto de ebullicin del agua pura a la misma presin para determinada concentracin a diferentes presiones. Para cada concentracin se obtiene una lnea recta diferente.

En la figura se muestra una grfica de lneas de Dhring para soluciones de NaOH en agua. Slo es necesario conocer el punto de ebullicin de una solucin sujeta a dos presiones para trazar la lnea .

Cuando el calor de disolucin de la solucin acuosa que se est concentrando en el evaporador es bastante alto, despreciarlo en los balances de calor puede causar errores considerables. Este fenmeno del calor de disolucin se explica cmo sigue:

Cuando se disuelven lentejas de NaOH en cierta cantidad de agua, se observa que se presenta una elevacin considerable de la temperatura, esto es, se desprende calor, al cual se le llama calor de disolucin. La cantidad de calor desprendida depende del tipo de sustancia y de la cantidad de agua usada. Adems, cuando una solucin concentrada de NaOH se diluye a concentraciones ms bajas tambin se libera calor. Por consiguiente, cuando una solucin se concentra de una concentracin baja a una ms alta, es necesario suministrar calor.

En la figura se muestra una grfica entalpa-concentracin para NaOH (Ml), donde la entalpa est en kJ/kg (btu/lb,) de solucin, la temperatura en C (F) y la concentracin en fraccin de NaOH en peso en la solucin.

Por lo general, estas grficas de entalpa y concentracin no se construyen para soluciones con calores de disolucin despreciables, pues en estos casos es ms fcil usar las capacidades calorficas para el clculo de las entalpias. Adems, estas grficas solo existen para algunas soluciones.

MTODOS DE CLCULO PARA EVAPORADORES DE EFECTO MLTIPLE

En la evaporacin de soluciones en un evaporador de efecto simple, uno de los costos ms importantes es el del vapor de agua utilizado para evaporar el agua. Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante vapor de agua, pues no se utiliza el calor latente del vapor que sale del evaporador. Sin embargo, este costo puede reducirse en evaporadores de efecto mltiple que recuperan el calor latente del vapor que se desprende y lo vuelven a utilizar.

En este sistema, cada efecto acta como un evaporador de efecto simple. En el primer efecto se usa vapor de agua como medio de calentamiento, temperatura de ebullicin T1 a presin P1. El vapor extrado del primer efecto se usa como medio de calentamiento, se condensa en el segundo efecto y se vaporiza agua a temperatura T2 y presin P2 en este efecto. Para transferir calor del vapor que se condensa al lquido en ebullicin en este segundo efecto, la temperatura de ebullicin T2 debe ser inferior a la de condensacin. Esto significa que la presin P2 del segundo efecto debe ser menor que la presin P1 del primer efecto. De manera similar, el vapor del segundo efecto se condensa al calentar el tercer efecto; por consiguiente, la presin P3 es inferior a P2. Si el primer efecto opera a 1 atm abs de presin, los efectos segundo y tercero estn al vaco.

Manipulando algunas ecuaciones:

Donde: