Tema 2 Evaporadores

7/21/2019 Tema 2 Evaporadores

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EVAPORADORESTema II

Prof. Ing. Rubn Marcano


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Generador de Vapor

Alimentacin

VaporF

V1

V0L1

Esquemas generales de un evaporador


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Componentes Principales. Ebullidor Tubular. Es donde ocurre el proceso de ebullicin del agua odisolvente producto del calor transmitido por el vapor latente. Por lo

general esta constituido por un haz de tubos por donde circula lasolucin a concentrar y una carcasa por la cual circula el vaporlatente.

Separador lquido-vapor. Es donde la mezcla lquido-vapor provenientedel ebullidor es separada, obteniendo el lquido concentrado y la fasede vapor. El separador fue diseado para evitar el arrastre de lquidoconcentrado en la corriente de vapor.

rea de circulacin del medio de

calentamiento vapor, electricidad,entre otros.

Ebullidor

Separador

rea de Calentamiento


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Factores considerar en el diseoConcentracin en el liquido.Por lo general, la alimentacin lquida a un evaporador es bastantediluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua yse opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. Amedida que se verifica la evaporacin, la solucin se concentra y suviscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada

disminucin del coeficiente de transferencia de calor. Se requiereentonces una circulacin o turbulencia adecuada para evitar que elcoeficiente se reduzca demasiado.

Solubilidad. A medida que se calienta la solucin y aumenta laconcentracin del soluto o sal, puede excederse el lmite de solubilidad

del material en solucin y se formaran cristales. Esto limita laconcentracin mxima que puede obtenerse por evaporacin de lasolucin.


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Factores considerar en el diseoConcentracin en el liquido.Por lo general, la alimentacin lquida a un evaporador es bastantediluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua yse opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. Amedida que se verifica la evaporacin, la solucin se concentra y suviscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada

disminucin del coeficiente de transferencia de calor. Se requiereentonces una circulacin o turbulencia adecuada para evitar que elcoeficiente se reduzca demasiado.

Solubilidad. A medida que se calienta la solucin y aumenta laconcentracin del soluto o sal, puede excederse el lmite de solubilidad

del material en solucin y se formaran cristales. Esto limita laconcentracin mxima que puede obtenerse por evaporacin de lasolucin.


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Factores considerar en el diseoSensibilidad 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 elcalentamiento es muy prolongado. Entre ellos estn los materialesfarmacuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja yextractos vegetales; y materiales qumicos orgnicos delicados. La

cantidad de degradacin est en funcin de la temperatura y deltiempo.

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 esarrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producirprdidas de material.


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Factores considerar en el diseoPresin y temperatura.El punto de ebullicin de la solucin est relacionado con la presin delsistema. Cuanto ms elevada sea la presin de operacin delevaporador, mayor ser la temperatura de ebullicin. Adems, latemperatura de ebullicin tambin se eleva a medida que aumenta laconcentracin del material disuelto por la accin de la evaporacin. Este

fenmeno se llama elevacin del punto de ebullicin y se estudiara en laseccin 8.4. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de losmateriales termo sensibles suele ser necesario operar a presiones inferioresa 1 atm, esto es, al vaco.

Formacin de incrustaciones y materiales de construccin.

Algunas soluciones depositan materiales solidos llamados incrustacionessobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman acausa de los productos de descomposicin o por disminucin de lasolubilidad. El resultado es una reduccin del coeficiente de transferenciade calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La seleccin de losmateriales de construccin del evaporador tiene importancia en laprevencin de la corrosin.


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TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACINY MTODOS DE OPERACIN

Marmita abierta o artesa.

La forma ms simple de un evaporadores una marmita abierta o artesa en la

cual se hierve el lquido. El suministro decalor proviene de la condensacin devapor de agua en una chaqueta o enserpentines sumergidos en el lquido. Enalgunos casos, la marmita se calienta a

fuego directo. Estos evaporadores soneconmicos y de operacin simple,pero el desperdicio de calor esexcesivo. En ciertos equipos se usanpaletas o raspadores para agitar ellquido.


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Marmita abierta o artesa.


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Evaporador de tubos horizontales con circulacin natural.

El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco detubos de un intercambiador de calor.

El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale porel otro extremo de los tubos. La solucin a ebullicin est por fuera deellos. El vapor se desprende de la superficie lquida; despus, casi siemprese hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre degotas de lquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente

econmico, puede utilizarse para lquidos no viscosos con altoscoeficientes de transferencia de calor y para lquidos que no formenincrustaciones. Puesto que la circulacin del lquido no es muy buena, sonpoco adecuados para materiales viscosos.


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Evaporador de tubos horizontales con circulacin natural.


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Evaporador vertical con circulacin natural.

En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar dehorizontales y el lquido esta dentro de los tubos, por lo que el vapor secondensa en el exterior. Debido a la ebullicin y a la disminucin dedensidad, el lquido se eleva en los tubos por circulacin natural, y fluyehacia abajo a travs de un espacio central abierto grande, o bajada.Esta circulacin natural incrementa el coeficiente de transferencia decalor.

No es til con lquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuenciaevaporador de tubos cortos.


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Evaporador vertical con circulacin natural.


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Evaporador vertical de tubos largos.

Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor esmuy alto en comparacin con el del lado del lquido que se evapora, esconveniente contar con velocidades altas para el lquido.

En un evaporador de tipo vertical con tubos largos como, el lquido estaen el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda aobtener velocidades de lquido muy altas. Por lo general, el lquido pasapor los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto

suelen ser bastante breves en este modelo.


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Evaporador vertical de tubos largos.


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Evaporador de pelcula descendente.

Una variacin del modelo de tubos largos es el evaporador de cada depelcula, en el cual el lquido se alimenta por la parte superior de los tubosy 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 sensiblesal calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a que eltiempo de retencin es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de

transferencia de calor es alto.


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Evaporador de pelcula ascendente.

Son tpicos los tubos de 1 a 2 pulgadas de dimetro y 3,5 a 10 metros delargo.

Como consecuencia de la accin de ebullicin el lquido y el vaporascienden por el interior de los tubos, mientras que el lquido que sesepara desciende por gravedad hasta el fondo de los tubos.

La alimentacin diluida, con frecuencia a temperaturas prximas al

ambiente, se introduce en el sistema mezclndose con el lquido queretorna del separador.

La mezcla entra por el fondo de los tubos, en el exterior de los cualescondensa vapor de agua.


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Evaporador de pelcula ascendente.

Al comenzar la ebullicin se forman burbujas en el lquido, dando lugar aun aumento de la velocidad lineal y de la velocidad de transmisin decalor.

Los evaporadores de tubos largos son especialmente eficaces paraconcentrar lquidos que tienden a formar espuma, puesto que la espumase rompe cuando la mezcla de vapor y lquido choca a elevadavelocidad contra la placa deflectora.


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Evaporador de circulacin forzada.

El coeficiente de transferencia de calor de la pelcula lquida puedeaumentarse por bombeo provocando una circulacin forzada del lquidoen el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubosverticales largos aadiendo una tubera conectada a una bomba entrelas lneas de salida del concentrado y la de alimentacin.

Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulacin forzada suelenser ms cortos que los tubos largos, Adems, en otros casos se usa un

intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modeloes muy til para lquidos viscosos.


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Evaporador de circulacin forzada.


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Efectos.

Definicin.

Nmero de etapas sucesivas de evaporadores. Al aumentar los efectos,aumenta la calidad del producto que se requiere, por la eliminacincontina del agua. Los evaporadores pueden ser de efecto simple omulti-efectos. Estos arreglos permiten el aprovechamiento del calor delvapor generado en el evaporador.


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Evaporadores de un solo paso El lquido de alimentacin pasa una sola vez a travs de los tubos,

desprende el vapor y sale de la unidad como lquido concentrado.

Son especialmente tiles para el tratamiento de materiales sensibles alcalor, y operando con un vaco elevado se puede mantener el lquidoa baja temperatura.

Con un solo paso rpido a travs de los tubos el lquido concentradoest durante un corto perodo de tiempo a la temperatura deevaporacin y se puede enfriar bruscamente a medida que abandonael evaporador.

Los evaporadores de pelcula: agitada, ascendente y descendentetambin pueden operar de esta forma.


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Evaporadores de un solo paso


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Evaporadores de efecto mltiple Est compuesto por varios evaporadores de efecto simple, donde la

alimentacin es suministrada a un primer evaporador y el concentradoque sale de este alimenta a su vez a otro, lo cual ocurresucesivamente.

La solucin concentrada que sale de un evaporador de circulacin seretira del lquido contenido en el aparato, que est a la concentracinmxima.

Como el lquido que entra a los tubos contiene varas partes delconcentrado por cada parte de alimentacin, su concentracin,

densidad, temperatura de ebullicin son aproximadamente lascorrespondientes a la concentracin mxima. Por esta razn elcoeficiente de transmisin de calor tiende a ser bajo.


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Evaporadores de efecto mltiple Estos evaporadores no son adecuados para concentrar lquidos

sensibles al calor. A pesar del uso de un vaco muy bajo, el recipienteest repetidamente en contacto con los tubos calientes, y porconsiguiente una parte del mismo se calienta a temperaturasexcesivamente altas.

Pueden operar en un amplio intervalo de concentraciones,comprendidas entre las de la alimentacin y el lquido concentradosola unidad, y se adaptan muy bien a la evaporacin de efecto simpleen operar tanto con circulacin natural (se debe a las diferencias dedensidad) como con circulacin forzada (circulacin del lquidomediante una bomba).

Su modo de circulacin puede ser adaptado por medio de variosmecanismos a evaporadores de efecto mltiple con: alimentacinhacia delante, alimentacin hacia atrs y alimentacin en paralelo.


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Evaporadores de efecto mltiple


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Tipos de Alimentacin.Alimentacin Directa.

Consiste en introducir mediante una bomba la dilucin diluida en el primerefecto y hacerla circular despus a travs de los dems efectos, sinbombas, puesto que el flujo es en el sentido de presiones decrecientes, ytodo lo que se requiere es vlvulas de control en las lneas de unin. Es elmodelo de flujo de lquido ms sencillo. La concentracin de la solucinaumenta desde el primer efecto hasta el ltimo, del cual es extrada poruna bomba.


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Tipos de Alimentacin.Alimentacin Inversa.

En esta la solucin diluida se alimenta en el ltimo efecto y se bombeahasta los sucesivos efectos hasta el primero, esta requiere una bombaentre cada pareja de efectos adems de bomba para extraer la solucinconcentrada, ya que el flujo es en sentido de presiones crecientes.

La alimentacin inversa conduce con frecuencia a una mayorcapacidad que la alimentacin directa cuando la disolucin viscosa,pero puede producir menor economa cuando la alimentacin esta fra.


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Tipos de Alimentacin.Alimentacin Mixta.

En este tipo la solucin diluida es alimentada en un efecto intermedio,circula con alimentacin directa hasta el extremo de la serie, y despus sebombea hacia atrs a los primeros efectos para conseguir laconcentracin final.

Esta forma permite eliminar alguna de las bombas que se requieren en lainversa y permite realizar la evaporacin final a temperaturas mselevadas.


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Tipos de Alimentacin.Alimentacin Paralela.

La solucin diluida es alimentada directamente en cada efecto, no haytransporte de lquido entre los efectos. Se utiliza en los evaporadores quepresentan cristalizacin y donde se retiran suspensiones de cristales yaguas madres.


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TIPO DEEVAPORADOR

VENTAJAS

DESVENTAJAS

MEJORESAPLICACIONES

DIFICULTADES

CIRCULACIONFORZADA

*Coeficientes detransferencia de calorelevados.

*Circulacin positiva.*Libertad relativa de

ensuciamiento

*Costo elevado

*Energa necesariapara la bomba de

circulacin.*Tiempo de residencia

o retencin relativaalto

*Productos cristalinos.*Solucionescorrosivas.

*Soluciones viscosas.

*Atascamiento de de lasentradas de los tubos por

deposiciones de sales.

*Mala circulacin, debidoa prdidas de cargas ms

altas que las esperadas.*Formacin de

deposiciones de sales,debido a la ebullicin en

los tubos.*Corrosin y erosin.

VERTICALES DE

TUBO CORTO

*Coeficientes detransferencia de calor

elevados condiferencias altas de

temperatura.*Espacio superior bajo.

*Libertad relativa deensuciamiento*Eliminacin mecnica

sencilla de lasescamas.

*relativamente posocostoso.

*Mala transferencia decalor con diferencias

bajas de temperaturasy a Temp. Bajas.

*Espacio elevado de

terreno y peso alto.*Retencinrelativamente alta.

*Mala transferencia decalor con lquidos

viscosos.

*Lquidos limpios.*Productos cristalinos.

*Lquidosrelativamente no

corrosivos, puestoque el cuerpo es

grande y costoso, sise construye de

materiales que no

sean hierro colado oacero dulce.*Soluciones con

formacin ligera deescamas, querequieren una

limpieza mecnica,puesto que los tubos

son cortos y de

dimetros grandes.


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TIPO DEEVAPORADOR

VENTAJAS DESVENTAJAS MEJORES APLICACIONES DIFICULTADES

VERTICALES DETUBO LARGO

*Bajo costo.*Superficie amplia decalentamiento en un

cuerpo.

*baja retencin.*Necesidad de pocoespacio de terreno.

*Buenos coeficientes detransferencia de calor

con diferenciasrazonables de

temperaturas (Pelculaascendente)

*Buenos coeficientes detransferencia de calora todas las diferencias

de temperaturas(Pelcula descendente)

*Espacio superiorelevado.

*No son adecuadospara liq. que forman

deposiciones de saleso escamas.

*Requiererecirculacin para la

versin de pelculadescendente

*Con lquidos limpios.

*Con lquidosespumosos.*Con soluciones

corrosivas.*Con grandes cargas

de evaporacin.*Con diferencias

elevadas detemperatura

(Ascendente) Condiferencias bajas detemperaturas

(descendentes)

*Sensibilidad de lasunidades de pelcula

ascendente a los cambiosde las condiciones

operacionales.*Mala distribucin de l

material de alimentacina las unidades de pelcula

descendente.

TUBOHORIZONTAL

*Espacio superior muybajo.

*Buenos coeficientes detransferencia de calor.

*No son adecuadospara los lquidos que

dejan deposiciones desales.

*Inapropiados para loslquidos que forman

escamas.*Costo elevado.

*Espacio superiorelevado.

*Pequeacapacidad.

Lquidos que noformen deposicionesde sales o escamas.


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