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Evaporación
                     Ing. Arturo Jiménez Carro




Ingeniería Química                               1
Definiciones:
     Evaporación:
           Operación unitaria la cual tiene como finalidad
           la concentración de una solución, que consta
           de un soluto no volátil y un solvente volátil sin
           llegar al secado.
     Evaporador:
           Consiste de un intercambiador de calor capaz
           de hacer hervir la solución, y un dispositivo
           para separa la fase vapor del líquido. En
           procesos industriales se diseñan para la
           operación continua.
Ingeniería Química                                             2
Aplicaciones de la evaporación
     Entre los ejemplos
     típicos de procesos
     de evaporación                        Vapor                Vapor
     están; la
     concentración de
     soluciones acuosas
     de:
                                 Solución
           azúcar,                                                      Solución
                                 diluída
           cloruro de sodio,                                            concentrada

           hidróxido de sodio,
           glicerina,
           gomas,
           leche y                                 Condensado
           jugo de naranja.


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Componentes básicos de un evaporador
    Los sistemas de
    evaporadores industriales
    normalmente constan de:
          Un sistema de
          calentamiento
          (CALANDRIA) que
          generalmente emplea
          vapor con una energía
          suficiente para alcanzar
          el punto de ebullición del
          líquido. En la industria de
          los alimentos
          normalmente se utiliza
          como medio de
          calentamiento vapor
          saturado.


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Componentes básicos de un evaporador
     Un separador (sección
     libre de evaporación)
     en el que el vapor se
     separa de la fase
     líquida concentrada. En
     los sistemas que operan
     a presión atmosférica el
     separador puede
     omitirse (puede estar
     incluida en la misma
     estructura o en otro
     equipo por separado).
Ingeniería Química                     5
Componentes básicos de un evaporador
           Existen varios dispositivos que deben
           instalarse con los equipos de evaporación, e
           inclusive pueden ser comunes a otros equipos
           empleados en diferentes operaciones y
           procesos de una planta química.
           Entre estos se encuentran:
                 Condensadores
                 Generadores de vacío (eyectores)
                 Trampas de vapor
                 Separadores de arrastre



Ingeniería Química                                        6
Componentes básicos de un evaporador
     Condensadores:
           Si un evaporador trabaja a vacío, es necesario
           utilizar algún dispositivo para condensar los
           vapores, estos dispositivos se denominan
           condensadores y se clasifican en varios tipos;
           para el caso de los empleados en evaporadores
           tenemos:
                 Condensadores de superficie.
                 Condensadores de contacto
                     Corrientes paralelas (Barométricos)
                     En contracorriente (Nivel bajo)


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Componentes básicos de un evaporador
     Condensadores
     de superficie:
            El vapor que se
           ha de condensar y
           el liquido de
           enfriamiento
           quedan separados
           por una pared
           metálica
           (intercambiador
           de calor)

Ingeniería Química                     8
Componentes básicos de un evaporador
  Condensadores de
  contacto:
       En ellos se mezclan
       íntimamente el vapor
       que se condensa y el
       líquido de enfriamiento
       (agua).
       El condensador de
       corrientes paralelas es
       aquel en el que los
       gases incondensables
       salen a la temperatura
       de entrada del agua.

Ingeniería Química                     9
Componentes básicos de un evaporador
     Condensadores de
     contacto:
           En ellos se mezclan
           íntimamente el
           vapor que se
           condensa y el
           líquido de
           enfriamiento
           (agua).
           El condensador de
           corrientes paralelas
           es aquel en el que
           los gases
           incondensables
           salen a la
           temperatura de
           entrada del agua.
Ingeniería Química                 10
Factores que influyen en la evaporación
son:

      La concentración de la solución
      El tipo de soluto y solvente
      La presión de trabajo u operación
      pH y formación de espuma




Ingeniería Química                        11
Operación de simple y múltiple efecto
     La evaporación de simple efecto,
     normalmente se realiza una evaporación
     del liquido en ebullición y este se desecha.
     Cuando se reutiliza el vapor generado en
     un segundo evaporador, recibe el nombre
     de doble efecto, y de esta manera se hace
     más eficiente el uso de vapor de
     calentamiento/vapor generado.


Ingeniería Química                              12
Operaciones de múltiple efecto




Ingeniería Química               13
Operaciones de múltiple efecto




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Operaciones de múltiple efecto




Ingeniería Química               15
Actividad de repaso
     Verificar conceptos de calor sensible, calor
     latente, vapor saturado y vapor sobrecalentado




Ingeniería Química                                    16
Parámetros de diseño de evaporadores
     Características del líquido que se
     concentra.
           La solución práctica a un problema de
           evaporación está profundamente afectada por
           el carácter del líquido que se concentra.
           Precisamente es la gran variedad de
           características de dichos líquidos lo que amplia
           esta operación desde una sencilla transmisión
           de calor hasta un problema complejo. Debido a
           la gran variedad de propiedades de las
           disoluciones, se han desarrollado diferentes
           tipos de evaporadores.

Ingeniería Química                                        17
Parámetros de diseño de evaporadores
     CONCENTRACIÓN
           Aunque la disolución que entra como alimentación de un
           evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo
           muchas de las propiedades físicas del agua, a medida
           que aumenta la concentración de la disolución adquiere
           cada vez un carácter individualista. La densidad y la
           viscosidad aumenta con el contenido de sólido hasta que
           la disolución o bien se transforma en saturada o resulta
           inadecuada para una transmisión de calor adecuada. La
           ebullición continuada de una disolución saturada da
           lugar a la formación de cristales, que es preciso separa
           pues de lo contrario obstruyen los tubos. 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.

Ingeniería Química                                               18
Parámetros de diseño de evaporadores
     VISCOSIDAD
           Los líquidos muy viscosos tienden a reducir las
           velocidades de circulación y a reducir los
           coeficientes de transferencia de calor. Puesto
           que, en general, la viscosidad de una solución
           sometida a evaporación aumenta con la
           concentración, es de esperar que a medida que
           discurre la evaporación descienda la velocidad
           de transferencia de calor.



Ingeniería Química                                      19
Parámetros de diseño de evaporadores
     FORMACIÓN DE ESPUMA
           Algunas sustancias orgánicas forman espuma
           durante la vaporización. 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.




Ingeniería Química                                      20
Parámetros de diseño de evaporadores
     FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES
           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 la operación y limpiar los tubos.
           Cuando las costras son duras e insolubles, la
           limpieza resulta difícil y costosa.




Ingeniería Química                                         21
Parámetros de diseño de evaporadores
     SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA
           Muchos productos se dañan cuando se calienta
           a temperaturas moderadas durante tiempos
           relativamente cortos. En la concentración de
           estos productos se necesita técnicas especiales
           para reducir tanto la temperatura del líquido
           como el tiempo de calentamiento




Ingeniería Química                                       22
Parámetros de diseño de evaporadores
     PROPIEDADES CALORIFICAS
           Es necesario conocer el calor específico de las
           sustancias, y el calor latente a diferentes
           concentraciones, de esta forma será posible
           determinar las cantidades energéticas
           requeridas para el proceso.




Ingeniería Química                                           23
Parámetros de diseño de evaporadores
     TEMPERATURA DE EBULLICIÓN
           FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PUNTO DE
           EBULLICIÓN DE LA SOLUCIÓN.
     a. PRESIÓN EXTERNA
        Un líquido hierve cuando la presión de vapor
        que ejerce es igual a la presión externa a la
        que se haya sometido. En el caso de los
        productos alimenticios el solvente suele ser el
        agua, sustancia cuyas relaciones de presión de
        vapor y temperatura son bien conocidas.

Ingeniería Química                                    24
Parámetros de diseño de evaporadores
     b. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE
     EBULLICIÓN
           La presión de vapor de la mayor parte de las
           disoluciones acuosas es menor que la del agua
           a la misma temperatura. Por tanto, para una
           presión dada, la temperatura de ebullición de
           las disoluciones es mayor que la del agua
           pura.




Ingeniería Química                                     25
Parámetros de diseño de evaporadores
     c. Efecto de la carga o altura del líquido
           Si la altura de liquido en el evaporador es
           considerable, la temperatura de ebullición
           correspondiente a la presión existente en el
           espacio de vapor, sobre la superficie del líquido
           no cambia, pero a una distancia metros por
           debajo de la superficie está a una presión que
           es la suma de la existente en el espacio de
           vapor más la carga hidrostática de Z metros de
           líquido (altura) y, por consiguiente, la
           temperatura de ebullición es más elevada.

Ingeniería Química                                        26
Resumen de parámetros de diseño
                                           Concentración

                                             Viscosidad

                     Características   Formación de espuma
                           del
                        líquido        Formación de costras

   Diseño                              Sensibilidad a la temp
     de
evaporadores                           Propiedades caloríficas
                      Temperatura
                          de              Presión externa
                       ebullición
                                        Elevación del p.eb.


Ingeniería Química                                            27
Clasificación de evaporadores
     Existen diversos tipos de clasificación de
     evaporadores, una de las más generales
     agrupa los evaporadores en dos
     categorías:
           Circulación natural
           Circulación forzada




Ingeniería Química                                28
Tipos de evaporadores
       Entre las clasificaciones
       más generales está la
       que considera los
       siguientes:
                     Marmita abierta o artesa
                        Consiste de una marmita
                        (charola) en la cual se
                        hierve el líquido. El
                        suministro de calor
                        proviene de la
                        condensación de vapor de
                        agua en una chaqueta o en
                        serpentines sumergidos en
                        el líquido.


Ingeniería Química                                  29
Tipos de evaporadores
     Evaporador de tubos
     horizontales con
     circulación 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 vapor
           condensado sale por el
           otro extremo de los
           tubos. La ebullición se
           efectúa por fuera de los
           tubos.

Ingeniería Química                    30
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      31
Tipos de evaporadores
     Evaporador vertical con
     circulación natural.
           En este tipo de
           evaporador se usan
           tubos verticales en lugar
           de horizontales y el
           líquido está dentro de los
           tubos, por lo que el
           vapor se condensa en el
           exterior de los tubos.




Ingeniería Química                      32
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      33
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      34
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      35
Tipos de evaporadores
     Evaporador vertical de
     tubos largos.
           Puesto que el coeficiente
           de transferencia de calor
           del lado del vapor es muy
           alto en comparación con el
           del líquido que se evapora,
           es conveniente contar con
           velocidades altas del
           líquido. En un evaporador
           de tipo vertical con tubos
           largos, el líquido esta en el
           interior de los tubos, estos
           miden de 3 a 10 metros
           de alto, lo que ayuda a
           tener velocidades de
           líquido muy altas.

Ingeniería Química                         36
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      37
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      38
Tipos de evaporadores
     Evaporador de caída
     de película.
           Es una variación del de
           tubos largos, el líquido
           se alimenta por la parte
           superior de los tubos y
           fluye por sus paredes en
           forma de película
           delgada. Este modelo se
           emplea mucho para la
           concentración de
           materiales sensibles al
           calor, como el jugo de
           naranja, el tiempo de
           retención promedio es
           de 5 a 10 s.

Ingeniería Química                    39
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      40
Ingeniería Química   41
Ingeniería Química   42
Tipos de evaporadores
      Película descendente




Ingeniería Química           43
Película descendente




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Tipos de evaporadores
     Evaporador de
     película ascendente.
           Es una variación del de
           tubos largos, el líquido
           se alimenta por la
           parte inferior de los
           tubos y fluye por sus
           paredes en forma de
           película delgada. Este
           modelo se emplea
           mucho para la
           concentración de
           materiales sensibles al
           calor, como el jugo de
           naranja, el tiempo de
           retención promedio es
           de 5 a 10 s.
Ingeniería Química                    45
Tipos de evaporadores
     Evaporador de
     película ascendente.




Ingeniería Química          46
Ingeniería Química   47
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   48
Tipos de evaporadores
     Evaporadores de
     placas.
           Diseños
           compactos, muy
           eficientes, ideales
           para fluidos no
           incrustantes, o
           poco incrustantes




Ingeniería Química               49
Tipos de evaporadores
     Tipos de placas
     empleados en
     intercambiadores
     de calor.




Ingeniería Química      50
Ingeniería Química   51
Tipos de evaporadores
     Evaporador de
     circulación forzada
           El coeficiente de
           transferencia de calor de
           la película líquida puede
           aumentarse por bombeo
           provocando una
           circulación forzada del
           líquido en el interior de
           los tubos. Los tubos de
           un evaporador de
           circulación forzada son
           mas cortos que los de
           tubos largos.


Ingeniería Química                     52
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   53
Ingeniería Química   54
Tipos de
evaporadores



          Sistema de
          calentamiento
          externo




Ingeniería Química        55
Ingeniería Química   56
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   57
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   58
Tipos de evaporadores
     Evaporador de película
     agitada.
           La principal resistencia a la
           transferencia de calor en un
           evaporador corresponde al
           líquido. Un método para
           aumentar la turbulencia de la
           película líquida y el
           coeficiente de transferencia
           de calor, consiste en la
           agitación mecánica de dicha
           película. Este tipo de
           evaporadores, son empleados
           con líquidos viscosos y
           productos sensibles al calor.
           Presentan un alto costo de
           adquisición.

Ingeniería Química                         59
Ingeniería Química   60
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   61
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      62
Tipos de evaporadores
    Evaporador de flujo expandido




Ingeniería Química                  63
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   64
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   65
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      66
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      67
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   68
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   69
Tipos de
evaporadores




Ingeniería Química   70
Tipos de evaporadores




Ingeniería Química      71
Tipos de evaporadores
     El agua salina se introduce en arestas o
     bateas abiertas y de poca profundidad y
     se deja evaporar lentamente al sol hasta
     cristalizar.




Ingeniería Química                              72
Métodos de operación de evaporadores
     Evaporadores de efecto simple:
           Para ejemplificarlo observar el siguiente diagrama:
                                                      T1       Hacia el
                                         Vapor
                                                               condensador



                                         P1       Tubos de
                     Alimentación, TF             intercambiador de
                                                  calor
                                         T1

                     Vapor de Agua, TS


                                                               Condensado



                                                 T1
                                                           Producto
                                                           concentrado



Ingeniería Química                                                           73
Métodos de operación de evaporadores
     En el cálculo de la       Donde:
     velocidad de                Q = Es la velocidad de
                                 transferencia de calor en
     transferencia de calor      W, Btu/h etc.
     en un evaporador se         U = Coeficiente global de
     emplea el concepto de       transferencia de calor
     un coeficiente total de     (W/m2K, Btu/hft2°F).
                                 A = Area de transferencia
     transferencia de calor.     de calor en m2, ft2,
                                 TS = Temperatura del
                                 vapor que se condensa en
Q = UAΔT = UA(TS-T1)             K o °F.
                                 T1 = Punto de ebullición
                                 del líquido.

Ingeniería Química                                       74
Métodos de operación de evaporadores
     Los evaporadores de simple efecto se usan
     con frecuencia cuando la capacidad necesaria
     de operación es relativamente pequeña o el
     costo de vapor es relativamente barato. Sin
     embargo, la operación de gran capacidad, al
     usar más de un efecto, reducirá de manera
     significativa los costos del vapor, es decir
     cuando se incluyen más de un evaporador,
     evaporadores de múltiple efecto.




Ingeniería Química                                  75
Coeficientes totales de transferencia de
calor
     El coeficiente global de transferencia de calor U
     en un evaporador está constituido por el
     coeficiente del lado del vapor que se condensa,
     cuyo valor aproximado es de 5700 W/m2K
     (1000 btu/hft2°F); por la pared metálica que
     tiene conductividad térmica alta, y casi
     siempre una resistencia despreciable ; por la
     resistencia de las incrustaciones en el lado del
     líquido y por el coeficiente de película líquida
     que por lo general se forma en el interior de los
     tubos.

Ingeniería Química                                       76
Coeficientes totales de transferencia de
calor
     El coeficiente del vapor de agua que se condensa
     en el exterior de los tubos es posible calcularse
     mediante las siguientes ecuaciones:

              NNu=hL/kl=1.13(ρl(ρl- ρv)ghfgL3/μlklΔT)1/4




Ingeniería Química                                         77
Coeficientes típicos de transferencia de
calor para diversos evaporadores
                                            General U
             Tipo de evaporador       W/m2.K       Btu/h.pie2.°F

     Tubo vertical corto,           1100 – 2800     200 – 500
     circulación natural
     Tubo horizontal, circulación   1100 – 2800     200 – 500
     natural
     Tubo vertical largo,           1100 – 4000     200 – 700
     circulación natural
     Tubo vertical largo            2300 – 11000   400 – 2000
     circulación forzada
     Película con agitación          680 – 2300     120 - 400

Ingeniería Química                                                 78
Efecto de las variables de proceso en la
operación de evaporadores
     Efecto de la                   Si la alimentación entra a
     temperatura de                 presión y temperatura
                                    elevadas, se consigue una
     alimentación:                  evaporación adicional por
           Si la alimentación al    efecto de la evaporación
           evaporador entra a una   instantánea (flash).
           temperatura “fría” en    El precalentamiento de la
           comparación con la       alimentación reduce el
           temperatura de           tamaño del evaporador y
           ebullición, gran parte   el área de transferencia de
           del vapor de servicios   calor que se requiere.
           se emplea para elevar
           la temperatura de
           entrada a la de
           ebullición.

Ingeniería Química                                            79
Efecto de las variables de proceso en la
operación de evaporadores
     Efecto de la presión:            Efecto de la presión de
           Disminuyendo la            vapor de agua.
           presión del evaporador,      Cuando se usa vapor
           se logra abatir el punto     saturado a presión más
           de ebullición del            alta, el valor de ΔT
           sistema; de esta forma       aumenta, con lo cual se
           la ΔT del evaporador se      disminuye el tamaño
           incrementa, logrando         del evaporador. Sin
           con esto una                 embargo el vapor de
           disminución                  alta presión es más
           considerable sobre el        caro y valioso como
           área de transferencia        fuente de potencia de
           de calor.                    otros equipos (turbina
                                        de vapor).
Ingeniería Química                                            80
Elevación del punto de ebullición de las
disoluciones
     En general las soluciones      Sin embargo se puede
     evaporadas no son tan          emplear una regla empírica
     diluidas, así que las          conocida como regla de
     propiedades térmicas de la     Dühring.
     solución son distintas a las   Con esta técnica se obtiene
     del agua.                      una linea recta cuando se
     En soluciones concentradas     grafica el punto de
     no es posible determinar el    ebullición de una solución
     punto de ebullición debido     en °C o °F en función del
     a la presencia de soluto.      punto de ebullición del
                                    agua pura a la misma
                                    presión para determinada
                                    concentración y diferentes
                                    presiones.
Ingeniería Química                                           81
Uso de la gráfica de Dühring para la
elevación del punto de ebullición
     Considere una presión     Solución:
     de 25.6 kPa para la         Teb H2O = 65.6 °C
     evaporación de una          Teb NaOH
     solución de NaOH al         (30%)=79.5°C
     30%. Determine la           EPE=13.9°C
     temperatura de
     ebullición de la
     solución de NaOH, así
     como la elevación del
     punto de ebullición
     EPE de la solución con
     respecto a la del agua.
Ingeniería Química                                   82
Ingeniería Química   83
Gráficas de entalpía y concentración de
soluciones
     Cuando el calor de     Cuando se disuelve
     disolución de la       NaOH en agua, se
     solución acuosa que    desprende algo de
     se está concentrando   calor, él mismo efecto
     en el evaporador es    atenuado sucede
     bastante alto,         cuando se diluye una
     despreciarlo en los    solución concentrada
     balances de calor      de NaOH.
     puede causar errores   Para evaluar los
     considerables.         calores de disolución
                            existen gráficas como
                            la que sigue.
Ingeniería Química                               84
Graficas de entalpía y concentración de
soluciones.




Ingeniería Química                        85
Ejemplo:
     Se usa un evaporador para concentrar 4536
     kg/h de una solución al 20% de NaOH en
     agua que entra a 60°C y sale en 50% de
     sólidos. La presión del vapor de agua saturado
     que se usa es 172.4 kPa y la presión del
     vapor en el evaporador es de 11.7 kPa. El
     coeficiente total de transferencia de calor es
     1560 W/m2K. Calcule la cantidad de vapor de
     agua usado, la economía de vapor en kg
     vaporizados/kg de vapor de agua usados y el
     área superficial de calentamiento en metros
     cuadrados.
Ingeniería Química                                    86
Métodos de cálculo para evaporadores
de múltiple efecto.
     Una forma de hacer       La presión en el
     un uso más eficiente     evaporador I debe ser
     del vapor de servicios   mayor que la del II y
     y obtener soluciones     así sucesivamente
     más concentradas es      para obtener
     empleando                temperaturas de
     evaporadores de          ebullición más bajas y
     múltiple efecto.         sea posible emplear
                              los evaporados.




Ingeniería Química                                 87
Caídas de temperatura y capacidad de
los evaporadores de efecto múltiple
     Suponiendo que las              De tal forma que para 3
     soluciones no tienen            efectos:
     elevación del punto de        Q1=Q2=Q3
     ebullición, ni calor de
     disolución y despreciando
     el calor sensible para          Lo cual da la siguiente
     elevar la alimentación al       expresión aproximada:
     punto de ebullición.
     Puede decirse que todo el     U1A1ΔT1=U2A2ΔT2=U3A3ΔT3
     calor latente del vapor que
     se condensa, aparece          En general se construyen
     como calor latente en el        equipos con áreas iguales:
     vapor que se produce
                                   Q/A=U1ΔT1=U2ΔT2=U3ΔT3
Ingeniería Química                                             88
Caídas de temperatura y capacidad de
los evaporadores de efecto múltiple
     Por lo tanto las caídas     Considerando lo
     de temperatura en un        anterior, y que;
     evaporador de               ΔT1=1/U1
     múltiple efecto son
     aproximadamente           Se pueden obtener
     inversamente                expresiones de
                                 equivalencia para las
     proporcionales a los        demás diferencias.
     valores de U. De
     manera global:

ΣΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3=Ts-T3

Ingeniería Química                                       89
Capacidad de los evaporadores de
múltiple efecto
     El calor transferido    Tenemos:
     total en un
     evaporador de           Qt = UA(ΔT1+ΔT2+ΔT3)
     múltiple efecto es de
     manera aproximada:
                             Donde la sumatoria de
                               las diferencias de
Qt = Q1 + Q2 + Q3              temperatura son:
                                   ΣΔT =Ts – T3
Considerando que U y A
  son las mismas en los
  tres efectos.
Ingeniería Química                                   90
Cálculos de los evaporadores de múltiple
efecto.
     Por consiguiente el      Al efectuar los cálculos
     aumento de la            de evaporadores de
     economía de vapor de     múltiple efecto, los
     agua que se obtiene      valores necesarios
     en los evaporadores      son:
     de múltiple efecto se      Área de transferencia
     logra a expensas de la     de calor.
     reducción de la            Flujo de vapor de
     capacidad.                 calentamiento.
                                Flujo de evaporado de
                                cada efecto, en especial
                                del último efecto.

Ingeniería Química                                     91
Cálculos de los evaporadores de
múltiple efecto.
     Los valores conocidos            Propiedades físicas
     son los siguientes:              como las entalpías o
                                      capacidades caloríficas
           Presión del vapor de       del líquido y los
           agua en el primer          vapores.
           efecto.
                                      Coeficientes globales de
           Presión final de vapor     transferencia de cada
           en el último efecto.       efecto.
           Condiciones de             En general se supone
           alimentación y flujo del   que el área de
           primer efecto.             transferencia en cada
           Concentración final en     efecto es la misma.
           el último efecto.


Ingeniería Química                                           92
Método de cálculo para evaporadores de
triple efecto
1.    Con base a la            2.   Por medio del balance de
      información de                materia, se determina la
                                    cantidad total de
      concentración de              evaporado. Para esta
      salida y presión en el        primera aproximación se
      último efecto, se             prorratea entre los tres
      calcula el punto de           efectos y se calcula la
      ebullición en este            concentración en cada
                                    uno de ellos. Por lo
      último efecto.                general la primer
      (Gráfico de Dühring)          aproximación se suponen
                                    cantidades iguales de
                                    vapor producidas en los
                                    tres efectos.

Ingeniería Química                                         93
Método de cálculo para evaporadores de
triple efecto
3. Con las ecuaciones:          Calcular el punto de ebullición
ΔT1=ΣΔT*[(1/U1)/(1/U1+1/U         de cada efecto. Si se tiene
   2+1/U3)]                       el EPE en °C, estimar las
ΔT2=ΣΔT*[(1/U2)/(1/U1+1/U         presiones en los efectos 1
   2+1/U3)]                       y 2 y se determina el EPE
                                  en los tres efectos. Sólo se
ΔT3=ΣΔT*[(1/U3)/(1/U1+1/U         requiere una aproximación
   2+1/U3)]                       de la presión, pues el EPE
Se estiman las caídas de          es casi independiente .
   temperatura ΔT1, ΔT2,
   ΔT3. Cualquier efecto que
   tenga una carga de
   calentamiento adicional
   tal como una alimentación
   fría requerirá un valor de
   ΔT más alto.
Ingeniería Química                                           94
Método de cálculo para evaporadores de
triple efecto
4.     Empleando los balances       5.   Calcule el valor de Q
       de materia y calor de             transferido en cada efecto.
       cada efecto se calculan la        Mediante la ecuación de
                                         diseño de cada efecto, se
       cantidad vaporizada y los
                                         calculan las áreas A1, A2, A3.
       flujos de líquido en cada
                                         Después se calcula el valor
       efecto. Si las cantidades         promedio Am, mediante:
       de vaporizadas difieren
       de manera apreciable de
                                    Am=(A1+A2+A3)/3
       los valores supuestos en
       el paso 2, entonces se
       repiten los pasos 2,3 y 4    Si las áreas son razonablemente
                                        cercanas, los cálculos están
       con las cantidades de
                                        completos y no se necesita
       evaporación que acaban           un segundo intento, en caso
       de calcularse.                   contrario seguir lo siguiente.

Ingeniería Química                                                   95
Método de cálculo para evaporadores de
triple efecto
6. Emplear los valores         8.   Con los nuevos valores de
   obtenidos del balance de         punto 7, se repite el
   calor y materia.                 cálculo desde el punto 4
7. Obtener los nuevos
   valores de:
ΔT1’ , ΔT2’ y ΔT3’
ΔT1’=ΔT1A1/Am

La suma de las nuevas deltas
    debe ser igual al valor
    original, si no se
    distribuyen
    uniformemente para
    compensar la diferencia

Ingeniería Química                                          96
Ejemplo:
     Se usa un evaporador de        Donde x, es la fracción peso de
     triple efecto y de             azúcar en solución. Se usa vapor
                                    de agua saturado a 205.5 kPa. La
     alimentación hacia delante     presión en el evaporador 3 es de
     para evaporar una              13.4 kPa. El flujo de alimentación
     disolución de azúcar que       es 22 680 kg/h a 26.7°C. La
     contiene 10% en peso de        capacidad calorífica de la solución
                                    líquida es Cp=4.19 - 2.35x
     sólidos, hasta una             (kJ/kgK). Se considera el calor de
     concentración de 50%. La       disolución despreciable. La
     EPE de las soluciones          estimación de los coeficientes
     (independiente de la           globales de transferencia de calor
                                    son:
     presión) pueden estimarse    U1=3123, U2=1987, U3=1136
     con las siguientes             (W/m2K), suponiendo la misma
     expresión:                     área superficial de los efectos,
     EPE°C=1.78x+6.22x2             calcule el área, la cantidad de
                                    vapor y la economía de vapor.
     EPE°F=3.2x+11.2x2

Ingeniería Química                                                   97
Ejercicios:
     Resolver los ejercicios
     del problemario
     siguiente.




Ingeniería Química             98
Condensadores para evaporadores
     Por lo general los vapores    Condensadores:
     del último efecto de los        De superficie
     evaporadores de múltiple
     efecto salen a vacío, esto      De contacto directo
     es a presiones inferiores a
     la presión atmosférica.
     Estos vapores deben
     condensarse y descargarse
     como líquido a presión
     atmosférica. Esto se logra
     condensando los vapores
     usando agua de
     enfriamiento.


Ingeniería Química                                         99
Condensadores para evaporadores
     Condensadores de                Condensadores de
     superficie.                     contacto.
                                       Uno de los más comunes
           Se emplean cuando no        es el barométrico a
           se desea que se             contracorriente.
           mezclen el condensado       El condensador está a una
           con el agua de              altura suficiente por
           enfriamiento.               encima del punto de
           Son más costosos, y se      descarga del tubo como
           emplean cuando no es        para que la columna de
           conveniente usar los de     agua en el interior de éste
                                       compense de manera
           contacto.
                                       sobrada la diferencia de
                                       presión entre el
                                       condensador y la
                                       atmósfera.
Ingeniería Química                                              100
Condensador barométrico
     El condensador            El consumo de agua
     barométrico es barato     se calculó por un
     y ahorrador en cuanto     simple balance de
     al consumo de agua.       calor del condensador
     Puede mantener un         barométrico.
     vacío correspondiente
     a la temperatura de     W/V=kgagua/kgvapor=(Hs-
     vapor saturado con       Cp(T2-273.2)/Cp(T2-
     una diferencia de más    T1)
     o menos 2.8 K
     respecto a la
     temperatura que sale
     del condensador.
Ingeniería Química                                 101
Evaporador barométrico
                                     Agua
                                      fria
                                      T1     No condensable



                         Entrada
                         de vapor


                                              Tubo de
                                              descarga

                     Agua caliente
                                T2


Ingeniería Química                                            102
Evaporación mediante recompresión de
vapor

       Vapor de
       apoyo                P1
  Compresor de vapor
                       P2
    Propulsión                          Condensado
                                                        Producto
Condensado                                              concentrado
para
                                                     Alimentación
sobrecalentamiento               Calentador
                                                     fría
                                 de alimentación



Ingeniería Química                                              103
Ingeniería Química   104

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Diseño y operación de evaporadores

  • 1. Evaporación Ing. Arturo Jiménez Carro Ingeniería Química 1
  • 2. Definiciones: Evaporación: Operación unitaria la cual tiene como finalidad la concentración de una solución, que consta de un soluto no volátil y un solvente volátil sin llegar al secado. Evaporador: Consiste de un intercambiador de calor capaz de hacer hervir la solución, y un dispositivo para separa la fase vapor del líquido. En procesos industriales se diseñan para la operación continua. Ingeniería Química 2
  • 3. Aplicaciones de la evaporación Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación Vapor Vapor están; la concentración de soluciones acuosas de: Solución azúcar, Solución diluída cloruro de sodio, concentrada hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y Condensado jugo de naranja. Ingeniería Química 3
  • 4. Componentes básicos de un evaporador Los sistemas de evaporadores industriales normalmente constan de: Un sistema de calentamiento (CALANDRIA) que generalmente emplea vapor con una energía suficiente para alcanzar el punto de ebullición del líquido. En la industria de los alimentos normalmente se utiliza como medio de calentamiento vapor saturado. Ingeniería Química 4
  • 5. Componentes básicos de un evaporador Un separador (sección libre de evaporación) en el que el vapor se separa de la fase líquida concentrada. En los sistemas que operan a presión atmosférica el separador puede omitirse (puede estar incluida en la misma estructura o en otro equipo por separado). Ingeniería Química 5
  • 6. Componentes básicos de un evaporador Existen varios dispositivos que deben instalarse con los equipos de evaporación, e inclusive pueden ser comunes a otros equipos empleados en diferentes operaciones y procesos de una planta química. Entre estos se encuentran: Condensadores Generadores de vacío (eyectores) Trampas de vapor Separadores de arrastre Ingeniería Química 6
  • 7. Componentes básicos de un evaporador Condensadores: Si un evaporador trabaja a vacío, es necesario utilizar algún dispositivo para condensar los vapores, estos dispositivos se denominan condensadores y se clasifican en varios tipos; para el caso de los empleados en evaporadores tenemos: Condensadores de superficie. Condensadores de contacto Corrientes paralelas (Barométricos) En contracorriente (Nivel bajo) Ingeniería Química 7
  • 8. Componentes básicos de un evaporador Condensadores de superficie: El vapor que se ha de condensar y el liquido de enfriamiento quedan separados por una pared metálica (intercambiador de calor) Ingeniería Química 8
  • 9. Componentes básicos de un evaporador Condensadores de contacto: En ellos se mezclan íntimamente el vapor que se condensa y el líquido de enfriamiento (agua). El condensador de corrientes paralelas es aquel en el que los gases incondensables salen a la temperatura de entrada del agua. Ingeniería Química 9
  • 10. Componentes básicos de un evaporador Condensadores de contacto: En ellos se mezclan íntimamente el vapor que se condensa y el líquido de enfriamiento (agua). El condensador de corrientes paralelas es aquel en el que los gases incondensables salen a la temperatura de entrada del agua. Ingeniería Química 10
  • 11. Factores que influyen en la evaporación son: La concentración de la solución El tipo de soluto y solvente La presión de trabajo u operación pH y formación de espuma Ingeniería Química 11
  • 12. Operación de simple y múltiple efecto La evaporación de simple efecto, normalmente se realiza una evaporación del liquido en ebullición y este se desecha. Cuando se reutiliza el vapor generado en un segundo evaporador, recibe el nombre de doble efecto, y de esta manera se hace más eficiente el uso de vapor de calentamiento/vapor generado. Ingeniería Química 12
  • 13. Operaciones de múltiple efecto Ingeniería Química 13
  • 14. Operaciones de múltiple efecto Ingeniería Química 14
  • 15. Operaciones de múltiple efecto Ingeniería Química 15
  • 16. Actividad de repaso Verificar conceptos de calor sensible, calor latente, vapor saturado y vapor sobrecalentado Ingeniería Química 16
  • 17. Parámetros de diseño de evaporadores Características del líquido que se concentra. La solución práctica a un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. Precisamente es la gran variedad de características de dichos líquidos lo que amplia esta operación desde una sencilla transmisión de calor hasta un problema complejo. Debido a la gran variedad de propiedades de las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores. Ingeniería Química 17
  • 18. Parámetros de diseño de evaporadores CONCENTRACIÓN Aunque la disolución que entra como alimentación de un evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración de la disolución adquiere cada vez un carácter individualista. La densidad y la viscosidad aumenta con el contenido de sólido hasta que la disolución o bien se transforma en saturada o resulta inadecuada para una transmisión de calor adecuada. La ebullición continuada de una disolución saturada da lugar a la formación de cristales, que es preciso separa pues de lo contrario obstruyen los tubos. 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. Ingeniería Química 18
  • 19. Parámetros de diseño de evaporadores VISCOSIDAD Los líquidos muy viscosos tienden a reducir las velocidades de circulación y a reducir los coeficientes de transferencia de calor. Puesto que, en general, la viscosidad de una solución sometida a evaporación aumenta con la concentración, es de esperar que a medida que discurre la evaporación descienda la velocidad de transferencia de calor. Ingeniería Química 19
  • 20. Parámetros de diseño de evaporadores FORMACIÓN DE ESPUMA Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. 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. Ingeniería Química 20
  • 21. Parámetros de diseño de evaporadores FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES 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 la operación y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difícil y costosa. Ingeniería Química 21
  • 22. Parámetros de diseño de evaporadores SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA Muchos productos se dañan cuando se calienta a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos productos se necesita técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento Ingeniería Química 22
  • 23. Parámetros de diseño de evaporadores PROPIEDADES CALORIFICAS Es necesario conocer el calor específico de las sustancias, y el calor latente a diferentes concentraciones, de esta forma será posible determinar las cantidades energéticas requeridas para el proceso. Ingeniería Química 23
  • 24. Parámetros de diseño de evaporadores TEMPERATURA DE EBULLICIÓN FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PUNTO DE EBULLICIÓN DE LA SOLUCIÓN. a. PRESIÓN EXTERNA Un líquido hierve cuando la presión de vapor que ejerce es igual a la presión externa a la que se haya sometido. En el caso de los productos alimenticios el solvente suele ser el agua, sustancia cuyas relaciones de presión de vapor y temperatura son bien conocidas. Ingeniería Química 24
  • 25. Parámetros de diseño de evaporadores b. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presión dada, la temperatura de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura. Ingeniería Química 25
  • 26. Parámetros de diseño de evaporadores c. Efecto de la carga o altura del líquido Si la altura de liquido en el evaporador es considerable, la temperatura de ebullición correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor, sobre la superficie del líquido no cambia, pero a una distancia metros por debajo de la superficie está a una presión que es la suma de la existente en el espacio de vapor más la carga hidrostática de Z metros de líquido (altura) y, por consiguiente, la temperatura de ebullición es más elevada. Ingeniería Química 26
  • 27. Resumen de parámetros de diseño Concentración Viscosidad Características Formación de espuma del líquido Formación de costras Diseño Sensibilidad a la temp de evaporadores Propiedades caloríficas Temperatura de Presión externa ebullición Elevación del p.eb. Ingeniería Química 27
  • 28. Clasificación de evaporadores Existen diversos tipos de clasificación de evaporadores, una de las más generales agrupa los evaporadores en dos categorías: Circulación natural Circulación forzada Ingeniería Química 28
  • 29. Tipos de evaporadores Entre las clasificaciones más generales está la que considera los siguientes: Marmita abierta o artesa Consiste de una marmita (charola) en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. Ingeniería Química 29
  • 30. Tipos de evaporadores Evaporador de tubos horizontales con circulación 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 vapor condensado sale por el otro extremo de los tubos. La ebullición se efectúa por fuera de los tubos. Ingeniería Química 30
  • 32. Tipos de evaporadores Evaporador vertical con circulación natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido está dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior de los tubos. Ingeniería Química 32
  • 36. Tipos de evaporadores Evaporador vertical de tubos largos. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas del líquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos, el líquido esta en el interior de los tubos, estos miden de 3 a 10 metros de alto, lo que ayuda a tener velocidades de líquido muy altas. Ingeniería Química 36
  • 39. Tipos de evaporadores Evaporador de caída de película. Es una variación del de tubos largos, el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Este modelo se emplea mucho para la concentración de materiales sensibles al calor, como el jugo de naranja, el tiempo de retención promedio es de 5 a 10 s. Ingeniería Química 39
  • 43. Tipos de evaporadores Película descendente Ingeniería Química 43
  • 45. Tipos de evaporadores Evaporador de película ascendente. Es una variación del de tubos largos, el líquido se alimenta por la parte inferior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Este modelo se emplea mucho para la concentración de materiales sensibles al calor, como el jugo de naranja, el tiempo de retención promedio es de 5 a 10 s. Ingeniería Química 45
  • 46. Tipos de evaporadores Evaporador de película ascendente. Ingeniería Química 46
  • 49. Tipos de evaporadores Evaporadores de placas. Diseños compactos, muy eficientes, ideales para fluidos no incrustantes, o poco incrustantes Ingeniería Química 49
  • 50. Tipos de evaporadores Tipos de placas empleados en intercambiadores de calor. Ingeniería Química 50
  • 52. Tipos de evaporadores Evaporador de circulación forzada El coeficiente de transferencia de calor de la película líquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Los tubos de un evaporador de circulación forzada son mas cortos que los de tubos largos. Ingeniería Química 52
  • 55. Tipos de evaporadores Sistema de calentamiento externo Ingeniería Química 55
  • 59. Tipos de evaporadores Evaporador de película agitada. La principal resistencia a la transferencia de calor en un evaporador corresponde al líquido. Un método para aumentar la turbulencia de la película líquida y el coeficiente de transferencia de calor, consiste en la agitación mecánica de dicha película. Este tipo de evaporadores, son empleados con líquidos viscosos y productos sensibles al calor. Presentan un alto costo de adquisición. Ingeniería Química 59
  • 63. Tipos de evaporadores Evaporador de flujo expandido Ingeniería Química 63
  • 72. Tipos de evaporadores El agua salina se introduce en arestas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta cristalizar. Ingeniería Química 72
  • 73. Métodos de operación de evaporadores Evaporadores de efecto simple: Para ejemplificarlo observar el siguiente diagrama: T1 Hacia el Vapor condensador P1 Tubos de Alimentación, TF intercambiador de calor T1 Vapor de Agua, TS Condensado T1 Producto concentrado Ingeniería Química 73
  • 74. Métodos de operación de evaporadores En el cálculo de la Donde: velocidad de Q = Es la velocidad de transferencia de calor en transferencia de calor W, Btu/h etc. en un evaporador se U = Coeficiente global de emplea el concepto de transferencia de calor un coeficiente total de (W/m2K, Btu/hft2°F). A = Area de transferencia transferencia de calor. de calor en m2, ft2, TS = Temperatura del vapor que se condensa en Q = UAΔT = UA(TS-T1) K o °F. T1 = Punto de ebullición del líquido. Ingeniería Química 74
  • 75. Métodos de operación de evaporadores Los evaporadores de simple efecto se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña o el costo de vapor es relativamente barato. Sin embargo, la operación de gran capacidad, al usar más de un efecto, reducirá de manera significativa los costos del vapor, es decir cuando se incluyen más de un evaporador, evaporadores de múltiple efecto. Ingeniería Química 75
  • 76. Coeficientes totales de transferencia de calor El coeficiente global de transferencia de calor U en un evaporador está constituido por el coeficiente del lado del vapor que se condensa, cuyo valor aproximado es de 5700 W/m2K (1000 btu/hft2°F); por la pared metálica que tiene conductividad térmica alta, y casi siempre una resistencia despreciable ; por la resistencia de las incrustaciones en el lado del líquido y por el coeficiente de película líquida que por lo general se forma en el interior de los tubos. Ingeniería Química 76
  • 77. Coeficientes totales de transferencia de calor El coeficiente del vapor de agua que se condensa en el exterior de los tubos es posible calcularse mediante las siguientes ecuaciones: NNu=hL/kl=1.13(ρl(ρl- ρv)ghfgL3/μlklΔT)1/4 Ingeniería Química 77
  • 78. Coeficientes típicos de transferencia de calor para diversos evaporadores General U Tipo de evaporador W/m2.K Btu/h.pie2.°F Tubo vertical corto, 1100 – 2800 200 – 500 circulación natural Tubo horizontal, circulación 1100 – 2800 200 – 500 natural Tubo vertical largo, 1100 – 4000 200 – 700 circulación natural Tubo vertical largo 2300 – 11000 400 – 2000 circulación forzada Película con agitación 680 – 2300 120 - 400 Ingeniería Química 78
  • 79. Efecto de las variables de proceso en la operación de evaporadores Efecto de la Si la alimentación entra a temperatura de presión y temperatura elevadas, se consigue una alimentación: evaporación adicional por Si la alimentación al efecto de la evaporación evaporador entra a una instantánea (flash). temperatura “fría” en El precalentamiento de la comparación con la alimentación reduce el temperatura de tamaño del evaporador y ebullición, gran parte el área de transferencia de del vapor de servicios calor que se requiere. se emplea para elevar la temperatura de entrada a la de ebullición. Ingeniería Química 79
  • 80. Efecto de las variables de proceso en la operación de evaporadores Efecto de la presión: Efecto de la presión de Disminuyendo la vapor de agua. presión del evaporador, Cuando se usa vapor se logra abatir el punto saturado a presión más de ebullición del alta, el valor de ΔT sistema; de esta forma aumenta, con lo cual se la ΔT del evaporador se disminuye el tamaño incrementa, logrando del evaporador. Sin con esto una embargo el vapor de disminución alta presión es más considerable sobre el caro y valioso como área de transferencia fuente de potencia de de calor. otros equipos (turbina de vapor). Ingeniería Química 80
  • 81. Elevación del punto de ebullición de las disoluciones En general las soluciones Sin embargo se puede evaporadas no son tan emplear una regla empírica diluidas, así que las conocida como regla de propiedades térmicas de la Dühring. solución son distintas a las Con esta técnica se obtiene del agua. una linea recta cuando se En soluciones concentradas grafica el punto de no es posible determinar el ebullición de una solución punto de ebullición debido en °C o °F en función del a la presencia de soluto. punto de ebullición del agua pura a la misma presión para determinada concentración y diferentes presiones. Ingeniería Química 81
  • 82. Uso de la gráfica de Dühring para la elevación del punto de ebullición Considere una presión Solución: de 25.6 kPa para la Teb H2O = 65.6 °C evaporación de una Teb NaOH solución de NaOH al (30%)=79.5°C 30%. Determine la EPE=13.9°C temperatura de ebullición de la solución de NaOH, así como la elevación del punto de ebullición EPE de la solución con respecto a la del agua. Ingeniería Química 82
  • 84. Gráficas de entalpía y concentración de soluciones Cuando el calor de Cuando se disuelve disolución de la NaOH en agua, se solución acuosa que desprende algo de se está concentrando calor, él mismo efecto en el evaporador es atenuado sucede bastante alto, cuando se diluye una despreciarlo en los solución concentrada balances de calor de NaOH. puede causar errores Para evaluar los considerables. calores de disolución existen gráficas como la que sigue. Ingeniería Química 84
  • 85. Graficas de entalpía y concentración de soluciones. Ingeniería Química 85
  • 86. Ejemplo: Se usa un evaporador para concentrar 4536 kg/h de una solución al 20% de NaOH en agua que entra a 60°C y sale en 50% de sólidos. La presión del vapor de agua saturado que se usa es 172.4 kPa y la presión del vapor en el evaporador es de 11.7 kPa. El coeficiente total de transferencia de calor es 1560 W/m2K. Calcule la cantidad de vapor de agua usado, la economía de vapor en kg vaporizados/kg de vapor de agua usados y el área superficial de calentamiento en metros cuadrados. Ingeniería Química 86
  • 87. Métodos de cálculo para evaporadores de múltiple efecto. Una forma de hacer La presión en el un uso más eficiente evaporador I debe ser del vapor de servicios mayor que la del II y y obtener soluciones así sucesivamente más concentradas es para obtener empleando temperaturas de evaporadores de ebullición más bajas y múltiple efecto. sea posible emplear los evaporados. Ingeniería Química 87
  • 88. Caídas de temperatura y capacidad de los evaporadores de efecto múltiple Suponiendo que las De tal forma que para 3 soluciones no tienen efectos: elevación del punto de Q1=Q2=Q3 ebullición, ni calor de disolución y despreciando el calor sensible para Lo cual da la siguiente elevar la alimentación al expresión aproximada: punto de ebullición. Puede decirse que todo el U1A1ΔT1=U2A2ΔT2=U3A3ΔT3 calor latente del vapor que se condensa, aparece En general se construyen como calor latente en el equipos con áreas iguales: vapor que se produce Q/A=U1ΔT1=U2ΔT2=U3ΔT3 Ingeniería Química 88
  • 89. Caídas de temperatura y capacidad de los evaporadores de efecto múltiple Por lo tanto las caídas Considerando lo de temperatura en un anterior, y que; evaporador de ΔT1=1/U1 múltiple efecto son aproximadamente Se pueden obtener inversamente expresiones de equivalencia para las proporcionales a los demás diferencias. valores de U. De manera global: ΣΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3=Ts-T3 Ingeniería Química 89
  • 90. Capacidad de los evaporadores de múltiple efecto El calor transferido Tenemos: total en un evaporador de Qt = UA(ΔT1+ΔT2+ΔT3) múltiple efecto es de manera aproximada: Donde la sumatoria de las diferencias de Qt = Q1 + Q2 + Q3 temperatura son: ΣΔT =Ts – T3 Considerando que U y A son las mismas en los tres efectos. Ingeniería Química 90
  • 91. Cálculos de los evaporadores de múltiple efecto. Por consiguiente el Al efectuar los cálculos aumento de la de evaporadores de economía de vapor de múltiple efecto, los agua que se obtiene valores necesarios en los evaporadores son: de múltiple efecto se Área de transferencia logra a expensas de la de calor. reducción de la Flujo de vapor de capacidad. calentamiento. Flujo de evaporado de cada efecto, en especial del último efecto. Ingeniería Química 91
  • 92. Cálculos de los evaporadores de múltiple efecto. Los valores conocidos Propiedades físicas son los siguientes: como las entalpías o capacidades caloríficas Presión del vapor de del líquido y los agua en el primer vapores. efecto. Coeficientes globales de Presión final de vapor transferencia de cada en el último efecto. efecto. Condiciones de En general se supone alimentación y flujo del que el área de primer efecto. transferencia en cada Concentración final en efecto es la misma. el último efecto. Ingeniería Química 92
  • 93. Método de cálculo para evaporadores de triple efecto 1. Con base a la 2. Por medio del balance de información de materia, se determina la cantidad total de concentración de evaporado. Para esta salida y presión en el primera aproximación se último efecto, se prorratea entre los tres calcula el punto de efectos y se calcula la ebullición en este concentración en cada uno de ellos. Por lo último efecto. general la primer (Gráfico de Dühring) aproximación se suponen cantidades iguales de vapor producidas en los tres efectos. Ingeniería Química 93
  • 94. Método de cálculo para evaporadores de triple efecto 3. Con las ecuaciones: Calcular el punto de ebullición ΔT1=ΣΔT*[(1/U1)/(1/U1+1/U de cada efecto. Si se tiene 2+1/U3)] el EPE en °C, estimar las ΔT2=ΣΔT*[(1/U2)/(1/U1+1/U presiones en los efectos 1 2+1/U3)] y 2 y se determina el EPE en los tres efectos. Sólo se ΔT3=ΣΔT*[(1/U3)/(1/U1+1/U requiere una aproximación 2+1/U3)] de la presión, pues el EPE Se estiman las caídas de es casi independiente . temperatura ΔT1, ΔT2, ΔT3. Cualquier efecto que tenga una carga de calentamiento adicional tal como una alimentación fría requerirá un valor de ΔT más alto. Ingeniería Química 94
  • 95. Método de cálculo para evaporadores de triple efecto 4. Empleando los balances 5. Calcule el valor de Q de materia y calor de transferido en cada efecto. cada efecto se calculan la Mediante la ecuación de diseño de cada efecto, se cantidad vaporizada y los calculan las áreas A1, A2, A3. flujos de líquido en cada Después se calcula el valor efecto. Si las cantidades promedio Am, mediante: de vaporizadas difieren de manera apreciable de Am=(A1+A2+A3)/3 los valores supuestos en el paso 2, entonces se repiten los pasos 2,3 y 4 Si las áreas son razonablemente cercanas, los cálculos están con las cantidades de completos y no se necesita evaporación que acaban un segundo intento, en caso de calcularse. contrario seguir lo siguiente. Ingeniería Química 95
  • 96. Método de cálculo para evaporadores de triple efecto 6. Emplear los valores 8. Con los nuevos valores de obtenidos del balance de punto 7, se repite el calor y materia. cálculo desde el punto 4 7. Obtener los nuevos valores de: ΔT1’ , ΔT2’ y ΔT3’ ΔT1’=ΔT1A1/Am La suma de las nuevas deltas debe ser igual al valor original, si no se distribuyen uniformemente para compensar la diferencia Ingeniería Química 96
  • 97. Ejemplo: Se usa un evaporador de Donde x, es la fracción peso de triple efecto y de azúcar en solución. Se usa vapor de agua saturado a 205.5 kPa. La alimentación hacia delante presión en el evaporador 3 es de para evaporar una 13.4 kPa. El flujo de alimentación disolución de azúcar que es 22 680 kg/h a 26.7°C. La contiene 10% en peso de capacidad calorífica de la solución líquida es Cp=4.19 - 2.35x sólidos, hasta una (kJ/kgK). Se considera el calor de concentración de 50%. La disolución despreciable. La EPE de las soluciones estimación de los coeficientes (independiente de la globales de transferencia de calor son: presión) pueden estimarse U1=3123, U2=1987, U3=1136 con las siguientes (W/m2K), suponiendo la misma expresión: área superficial de los efectos, EPE°C=1.78x+6.22x2 calcule el área, la cantidad de vapor y la economía de vapor. EPE°F=3.2x+11.2x2 Ingeniería Química 97
  • 98. Ejercicios: Resolver los ejercicios del problemario siguiente. Ingeniería Química 98
  • 99. Condensadores para evaporadores Por lo general los vapores Condensadores: del último efecto de los De superficie evaporadores de múltiple efecto salen a vacío, esto De contacto directo es a presiones inferiores a la presión atmosférica. Estos vapores deben condensarse y descargarse como líquido a presión atmosférica. Esto se logra condensando los vapores usando agua de enfriamiento. Ingeniería Química 99
  • 100. Condensadores para evaporadores Condensadores de Condensadores de superficie. contacto. Uno de los más comunes Se emplean cuando no es el barométrico a se desea que se contracorriente. mezclen el condensado El condensador está a una con el agua de altura suficiente por enfriamiento. encima del punto de Son más costosos, y se descarga del tubo como emplean cuando no es para que la columna de conveniente usar los de agua en el interior de éste compense de manera contacto. sobrada la diferencia de presión entre el condensador y la atmósfera. Ingeniería Química 100
  • 101. Condensador barométrico El condensador El consumo de agua barométrico es barato se calculó por un y ahorrador en cuanto simple balance de al consumo de agua. calor del condensador Puede mantener un barométrico. vacío correspondiente a la temperatura de W/V=kgagua/kgvapor=(Hs- vapor saturado con Cp(T2-273.2)/Cp(T2- una diferencia de más T1) o menos 2.8 K respecto a la temperatura que sale del condensador. Ingeniería Química 101
  • 102. Evaporador barométrico Agua fria T1 No condensable Entrada de vapor Tubo de descarga Agua caliente T2 Ingeniería Química 102
  • 103. Evaporación mediante recompresión de vapor Vapor de apoyo P1 Compresor de vapor P2 Propulsión Condensado Producto Condensado concentrado para Alimentación sobrecalentamiento Calentador fría de alimentación Ingeniería Química 103