metodo de calculo para evaporadores de simple efecto, condensadores de evaporadores y caldera evaporada

1. MÉTODO DE CALCULO PARA
EVAPORADORES DE UN SOLO
EFECTO

2. EN EL CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN
EVAPORADOR SE EMPLEA EL CONCEPTO DE UN COEFICIENTE TOTAL DE
TRANSFERENCIA DE CALOR
q=UA ΔT=UA (TS-T1)
 q es la velocidad de transferencia de calor W (Btu/H),
 U es el coeficiente total de transferencia de calor en W/m2·K
(Btu/h·pie2·°F)
 A área de transferencia de calor en m2 (pie2)
 TS es la temperatura del vapor que se condensa en K (°F)
 T1 es el punto de ebullición del líquido en K (°F)

3. BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES
q=UA ΔT
 Donde ΔT K (°F) es la diferencia de temperatura entre vapor de agua que se condensa y el
liquido de ebullición en el evaporador.
 El valor de q en W (Btu/h) llevando a cabo un balance de calor y materia en el evaporador.
 F es la alimentación en el evaporador en kg/h (Lbm/h)
 Xf fracción masa de los sólidos en la alimentación
 TF temperatura en la alimentación
 hF es la entalpia en la alimentación J/kg (Btu/Lbm)
 L la salida de un líquido concentrado en kg/h (Lbm/h)
 XL fracción masa de los sólidos en la salida
 T1 temperatura en la salida K (°F)
 hL entalpia en la salida en J/kg (Btu/Lbm)

4. BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES
 V el vapor se desprende como disolvente puro kg/h (Lbm/h)
 YV=0 sólidos contenido en el vapor
 T1 temperatura
 Hv entalpia de evaporización.
 S entrada de vapor de agua saturada kg/h (Lbm/h)
 Ts temperatura de saturación
 Hs entalpia de vapor
 S vapor de agua condensado kg/h (Lbm/h)
 Ts temperatura de saturación
 hs entalpia del líquido
 λ el vapor de agua solo transfiere su calor latente
 λ= Hs- hs

5. BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES
Balance total
F=L+V
Para un balance con respecto al soluto (sólidos) solamente
F Xf =L XL
Calor en la alimentación+ calor en el vapor de agua= calor en el liquido concentrado + calor en
el vapor+ calor en el vapor de agua condensado
Se supone que no hay pérdidas de calor por radiación o convección.
Fhf +SHs=LhL+VHv + Shs
Sustituyendo en la ecuación
Fhf +Sλs=LhL+VHv
El calor q transferido en el evaporador es
q=S (Hs-hs)= Sλs

6. PROBLEMA PROPUESTO
Coeficiente de transferencia de calor en un evaporador de efecto simple. Una
alimentación de 4535 kg/h de solución de sal al 2.0% en peso a 311 K, entra a un
evaporador de efecto simple para concentrarse a 3.0%. La evaporización se lleva a
cabo a presión atmosférica y el área del evaporador es 69.7 m2. El calentamiento se
logra con vapor de agua saturado a 383.2 K. puesto que la solución es diluida, se
puede suponer que tiene el mismo punto de ebullición del agua. Se estima que la
capacidad calorífica de alimentación es Cp =4.10 KJ/Kg·K.
A) cantidad de líquido producido
B) calcule las cantidades de vapor
C) coeficiente de transferencia de calor U.

7. A) DATOS
F= 4535KG/H
XF=2.0%
XL=3.0%
V=?
L=? BALANCE GENERAL
F=V+L----------------- (ECUACIÓN 1)
BALANCE PARA EL SOLIDO
F XF =L XL
L = F XF / XL -----------------------L =(4535KG/H)(0.02) / 0.03
L= 3023.33 KG/H
B)
SUSTITUIR L EN LA ECUACIÓN1.
V = F – L-------------
V=4535 KG/H – 3023 KG/H
V=1512 KG/H

8. C) Datos
Alimentación
F= 4535kg/h
XF=2.0%
Cp=4.10 KJ/Kg·K
TF=311 K
hF=?
hF=CpF (TF-T1)---------hF=4.10 KJ/Kg·K (311 K - 373.15 K)
hF= -255 KJ/Kg
Salida liquido concentrado
L=3023 Kg/h
XL=3.0%
T1=373.15
hL= 0 porque está en equilibrio, y tiene la misma T1 al igual que el evaporador
Vapor
V=1512Kg/h
Hv=?
T1=373.15 K
Hv=2676.1 KJ/Kg
h1 =461.30 KJ/Kg
λV= Hv - h1
λV =2676.1 KJ/Kg - 461.30 KJ/Kg
λV=2257 KJ/Kg entalpia de evaporización o calor latente del agua tabla B.6 propiedades de vapor saturado.
Principios elementales de procesos químicos

9. Entrada de vapor de agua saturada
S=?
Ts = 383.2 K
Hs=?
Hs= 2691.5 KJ/Kg
Vapor de agua condensado
S=?
hs = 461.30 KJ/Kg
λS= Hs- hs ------------------- λS =2691.5 KJ/Kg - 461.30 KJ/Kg
λS=2230 KJ/Kg entalpia evaporización o calor latente del vapor de agua

10. Balance de calor
Fhf +SHs=LhL+VHv + Shs
Fhf +Sλs=LhL+Hv
Fhf +Sλs=LhL+Vλv-------------------------------ecuación
Fhf +Sλs=LhL+Vλv
S= (LhL+Vλv - Fhf )/ λs --------------
S=(3023 Kg/h)+ (1512Kg/h)(2257 KJ/Kg )+ (4535kg/h )( 255 KJ/Kg) / 2230 KJ/Kg
S=2050.23 Kg/h
q=Sλs ------q =(2050.23 Kg/h)( 2230 KJ/Kg)
q= (4572032KJ/h)(1000 J)/3600seg.
q= 1270008.88 J/seg= 1270008.88 W
U=q/A ΔT------------------U=1270008.88 W / (69.7m2)(383.15 K - 373.15 K)
U=1822.10W/ m2

11. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

12. Los vapores del ultimo efecto de los evaporadores de
efecto múltiple salen al vacío, esto es, a presiones
inferiores a las atmosféricas. Estos vapores deben
condensarse y descargarse como líquido a presión
atmosférica. Esto se logra al condensar los vapores
usando agua de enfriamiento.

13. Los condensadores de vapor son aparatos en los cuales se condensa
el vapor de escape procedente de maquinas y turbinas, y de donde el
aire y otros gases no condensables son evacuados en forma continua.
Dos son las ventajas que pueden considerarse empleando
condensadores en las máquinas y turbinas de vapor:
1)disminución de la presión de escape, con el consiguiente aumento de
energía utilizable.
2) recuperación del condensado para utilizarlo como agua de
alimentación para las calderas.
En las centrales térmicas se utilizan dos tipos de condensadores:
(1) de superficie, y (2) de chorro
CONDENSADORES

14. Los condensadores de superficie son
intercambiadores de calor que están
especialmente diseñados para condensar el
vapor sobrecalentado de las turbinas de
condensación. Operan condensado el vapor
en vacío incrementando así la eficiencia de
la turbina.
Utilizados usualmente para generación de
energía (turbo generadores) o turbo
compresores y son hallados en diversos
mercados.
CONDENSADORES DE SUPERFICIE

15. Se emplean cuando no se desea que se mezclen el condensado y el agua de
enfriamiento. Son condensadores de tubos y coraza con vapor en la coraza y
agua de enfriamiento en los tubos con flujo de pasos múltiples.
Los condensadores de superficie son mucho más costosos y utilizan mayor
cantidad de agua de enfriamiento.
Aplicaciones
• Enfriamiento y Calentamiento.
• Pasteurización y Esterilización.
• Evaporación y Condensación.
• Recuperación de Calor Producto/Producto.
Industrias
• Alimenticia y Azucarera.
• Química y Petroquímica.
• Cosmética, Farmacéutica y Biotecnología.
• Refrigeración y Energía.

16. En este condensador el agua de enfriamiento se pone en contacto directo con el vapor
para condensarlo. Unos de los tipos más comunes de condensadores de contacto
directo es el barométrico a contracorriente que se muestra en la figura
Diagrama esquemático del condensador
barométrico
CONDENSADORES DE CONTACTO DIRECTO

17. En este tipo de condensador varios chorros de agua a alta velocidad actúan
no solo como condensadores del vapor, sino también como medio de
arrastre de los gases no condensables.
Los condensadores de chorro requieren mas agua que los de tipo
barométrico común.
CONDENSADOR BAROMÉTRICO DE CHORRO
Consiste en una cámara cilíndrica cerrada, en cuya parte superior hay una
caja de boquillas de agua, la cual va acoplada a un tubo en forma de
Venturi, cuyo extremo inferior se halla sumergido en el agua.
El agua inyectada pasa por las boquillas por la presión de la bomba y por el
vació existente. Los chorros están dirigidos a la garganta del tubo en donde
se reúnen para formar un solo chorro.

18. El vapor de escape en el condensador por la parte superior se pone en
contacto directo con los chorros de agua convergentes, y se condensa.
Las condensadores de chorro solamente proporcionan una baja
presión de escape, pues el condensado se mezcla con el agua de
refrigeración.

19. En las centrales equipadas con grandes turbinas de vapor no pueden
emplearse condensadores de chorro, porque aun prescindiendo de la
pérdida del condensado, el consumo de energía de las bombas de estos
condensadores y el costo inicial de las necesarias para evacuar el aire
neutralizan los beneficios conseguidos con el elevado vacío obtenido
con este tipo de condensadores.
Sin embargo, tratándose de turbinas de tamaño moderado, así como de
maquinas de vapor de émbolo, este tipo de condensadores de tienen
bastante aplicación.

20. La evaporación es una operación unitaria que se emplea para eliminar
parcialmente por ebullición de los alimentos líquidos. La separación de
agua o concentración de sólidos se logra por la diferencia en cuanto a
volatilidad entre el agua (disolvente) y el soluto.
Los materiales biológicos como los productos farmacéuticos, la leche, los
jugos cítricos y los extractos vegetales, suelen ser muy sensibles al calor y
con frecuencia contienen partículas muy finas suspendidas en solución.
Muchos materiales biológicos en disolución presentan elevación del punto
de ebullición muy baja al concentrarse. Esto se debe a que los sólidos
suspendidos en forma de partículas muy finas y los solutos disueltos de
alto peso molecular, contribuyen muy poco a esta elevación.
EVAPORACIÓN DE MATERIALES BIOLÓGICOS

21. El grado de degradación de los materiales biológicos durante la
evaporación esta en función de:
• La temperatura
• El tiempo de procesamiento
Para mantener la temperatura baja, la evaporación debe hacerse al
vacío, lo que reduce el punto de ebullición de la disolución. Para que el
tiempo de contacto sea corto, el equipo debe tener un tiempo bajo de
retención (tiempo de contacto) del material que se está evaporando.
El incremento de sólidos por evaporación reduce la actividad de agua,
como en jaleas o melaza, y en consecuencia ayuda a la conservación.
La evaporación también se utiliza para que un producto adquiera sabor
y color, como en el caso de los jarabes caramelizados para productos
de panadería.

22. Durante la evaporación, el calor latente se transfiere del medio de
calentamiento al alimento para elevar la temperatura de éste al punto de
ebullición. La velocidad de evaporación es determinada por la velocidad de
transferencia de calor a los alimentos y la velocidad de transferencia de masa
de vapores a partir de los alimentos.
Los tipos de equipo usados y algunos de los materiales que se procesan en
ellos:
1. Evaporador vertical de tubos largos. Leche condensada.
2. Evaporador de caída de película. Jugos de frutas.
3. Evaporador de película agitada (película con raspador). Látex de caucho,
gelatina, antibióticos y jugos de frutas.
4. *Evaporador de ciclo con bomba de calor. Jugos de frutas, leche, productos
farmacéuticos.

23. Los jugos de frutas son sensibles al calor y su viscosidad aumenta
notablemente al concentrar la solución.
Además, la materia sólida en suspensión en los jugos de frutas tiende a
adherirse a la superficie de calentamiento, causando sobrecalentamientos que
conducen a carbonizaciones y deterioro del material.
Para reducir esta tendencia a la adhesión y disminuir el tiempo de
residencia, se necesitan velocidades de circulación altas en la superficie de
transferencia de calor.
Como el material es sensible al calor, también se requiere una
temperatura de operación baja. Por tanto, una planta de jugos de frutas
concentrados casi siempre usa un evaporador de efecto simple en lugar de
unidades múltiples. También se emplea vacío para reducir la temperatura de
evaporación.
JUGOS DE FRUTAS

24. 1.- Entrada de suministro de
vapor
2.-Camisa externa
3.- Salida del condensado
4.- Producto
5.- Vapores
6.-Salida de vapores
7.-Entrada de agua fría
8.-Cámara del condensador
9.-Entrada de la bomba del
condensador
10.-Entrada de la bomba de
vacío
11.- Medidor de presión
12.-Válvula de alivio de vacío
13.-Válvula de muestreo
DIAGRAMA DE UNA CALDERA EVAPORADORA

25. El vapor proveniente del suministro principal
entra al cuerpo encamisado de la caldera en
el punto 1.
La cubierta externa donde se condensa cede
calor al jugo que se halla en la caldera
El vapor condensado drena a través de una
trampa que mantiene la presión de vapor. La
descarga se dirige hacia el piso.
El jugo se calienta por el vapor en
condensación y se evapora a una
temperatura que depende del vacío aplicado
y la concentración de las moléculas de
azúcar disueltas en él.
Los vapores provenientes del jugo ocupan el
espacio abierto exterior de la caldera

26. Salida de vapor que permite que los vapores
salgan de la caldera y sean conducidos al
condensador.
Entra agua fría por la parte superior del
condensador.
Cámara del condensador donde el agua fría
se mezcla con los vapores, condensándolos
a líquido
Entrada a una bomba que elimina la mezcla
de vapores de jugo condensados y agua de
enfriamiento, y la descarga en el piso.
Entra a la bomba de vacío que se emplea
para aumentar el vacío del condensador y
reducir la temperatura de ebullición.

27. Un medidor de presión en la parte superior
del tanque indica la presión de la cámara
de evaporación.
Una válvula en la parte superior del tanque
que se abre para permitir la entrada de aire
y reducir el vacío en la cámara de
evaporación. (válvula de alivio)
Una válvula de muestreo en el fondo de la
cámara de evaporación permite la toma de
muestras para el análisis cuando el
evaporador está funcionando.

28. EVAPORACION MEDIANTE RECOMPRESIÓN DE
VAPOR
 En el evaporador de un solo efecto, el vapor que proviene de la
unidad generalmente se condensa y se descarta. En el evaporador de
efecto múltiple, la presión de cada efecto sucesivo va disminuyendo,
de modo que el punto de ebullición del líquido desciende en cada
efecto.
 Los dos tipos de unidades de recompresión de vapor son la de tipo
mecánico y la de tipo térmico

29. EVAPORADOR MECÁNICO DE RECOMPRESIÓN DE VAPOR
 En un evaporador mecánico de recompresión de vapor se utiliza un
evaporador convencional de un solo efecto.
 La alimentación fría se precalienta por intercambio con el producto
líquido caliente de la salida y luego fluye hacia la unidad. El vapor que
se eleva no va hacia un condensador, sino que se envía a un
compresor centrífugo o de desplazamiento positivo impulsado por un
motor eléctrico o por vapor.
 Este vapor comprimido se envía de nuevo al intercambiador de calor o
caja de vapor. El vapor comprimido se condensa a una mayor
temperatura que el punto de ebullición del líquido caliente en el efecto, y
se establece una diferencia de temperatura. De nuevo se genera vapor
y el ciclo se repite.

30. ESQUEMA DE UN EVAPORADOR MECANICO

31. EVAPORADOR TÉRMICO DE RECOMPRESIÓN DE VAPOR
 Un chorro de vapor también se puede usar para comprimir el vapor
en una unidad térmica de recompresión de vapor. Las desventajas
principales son la baja eficiencia del chorro de vapor, que hace
necesaria la eliminación de este exceso de calor, y la poca flexibilidad
a los cambios en las variables de proceso (M3).
 Los chorros de vapor son más económicos y más durables que los
compresores mecánicos y manejan con más facilidad grandes
volúmenes de vapor a baja presión.