2. CONCEPTO
Operación en la cual se elimina el vapor
formado por ebullición de una solución
líquida de la cual se obtiene una solución
más concentrada.
En la gran mayoría de los casos, la
operación unitaria de evaporación se refiere
a la eliminación de agua de una solución
acuosa.
3. IMPORTANCIA
La evaporación es una importante
operación unitaria comúnmente empleada
para remover el agua de productos líquidos
diluidos para obtener productos líquidos
concentrados.
La remoción de agua de los alimentos
provee estabilidad microbiológica y reduce
los costos de almacenamiento y transporte.
4. Ejemplos de Evaporación
(Industria Agroalimentaria)
Concentración de soluciones acuosas de azúcar.
Concentración de leche y jugo de naranja.
Concentración de jugo de tomate de 5-6 % de
sólidos totales a 35-37 %.
Concentración de monogliceridos.
Obtención de vitamina E
Evaporación de metil esteres (biodiesel)
Obtención de lecitina.
Evaporación de glicerina.
5. Ejemplos de Evaporación
(Industria Farmacéutica).
Eliminación de color
Evaporación de disolventes en productos
que puedan sufrir degradación térmica.
Evaporación de disolventes de principio
activo.
6. Ejemplos de Evaporación
(Sector Químico).
Concentración de soluciones de hidróxido de
sodio
Concentración de soluciones de glicerina y
gomas
Evaporación de aguas residuales con alto
contenido en sólidos.
Evaporación de ésteres.
Separación de disolventes en esencias.
Recuperación de aditivos en aceites minerales.
7. Ejemplos de Evaporación
(Sector polímeros).
Separación de disolventes en monómeros.
Concentración y separación de
monómeros.
Concentración de polímeros.
Evaporación y concentración de Ciano
Acrilatos.
8. Evaporación y Cristalización
En todos estos casos, la solución concentrada es el
producto deseado y el agua evaporada suele desecharse.
En otros casos, el agua que contiene pequeñas cantidades
de minerales se evapora para obtener agua libre de
sólidos que se emplea en la alimentación de calderas,
para procesos químicos especiales, o para otros
propósitos.
Ocasionalmente, el principal objetivo de la evaporación
consiste en concentrar una solución de manera que al
enfriarse ésta se formen cristales que puedan separarse.
Este proceso especial de evaporación se llama
cristalización.
9. Esquema de operación de un
evaporador
Esencialmente el
evaporador consiste de un
intercambiador de calor
encerrado en una cámara.
El intercambiador de calor
no tiene contacto directo
con el producto y provee
calor de vapor de baja
presión al producto.
El producto al interior de la
cámara se encuentra a
presión de vacío
10. Esquema de operación de un
evaporador (2)
Las condiciones de vacío
ocasionan la diferencia de
temperaturas entre el vapor y
el producto y que el producto
pueda hervir a relativas bajas
temperaturas, minimizando el
deterioro por altas
temperaturas.
Los vapores producidos son
transportados a través de un
condensador a un sistema de
vacío. El vapor condensa al
interior del intercambiador de
calor y el condensado es
descartado
11. Esquema de un evaporador de efecto
simple
Durante la operación
de un evaporador de
efecto simple el vapor
producido como
consecuencia de la
concentración del
producto es
descartado sin
posterior uso.
12. Esquema de un evaporador de efecto
doble
En los evaporadores
de efecto doble, el
vapor de agua
eliminado de la
solución, es utilizado
como medio de
calentamiento para la
otra cámara de
evaporación.
13. Esquema de un evaporador de efecto
triple
En los evaporadores
de efecto triple, el
vapor de agua
eliminado de la
solución, es utilizado
como medio de
calentamiento para
las otras cámaras de
evaporación.
20. Evaporación en paralelo
Ventajas
Utilización de mayor cantidad de vapor
La presión se distribuye
El mismo vacío hace que fluyan los concentrados
Inconvenientes
La transmisión de calor está dificultada por el
incremento en: coeficiente de trasferencia de calor,
diferencial de temperatura
La viscosidad del producto aumenta y el coeficiente
de transferencia de calor disminuye.
21. Evaporación en contracorriente.
Ventajas
Mejora la transmisión de calor
Se compensa el gradiente de
temperatura.
Inconvenientes
Se debe adicionar bombas para que
fluya el concentrado.
22. Factores que intervienen en la
Evaporación
Propiedades físicas y químicas de la solución.
Las características del producto líquido.
Elevación del punto de ebullición.
Sensibilidad al calor.
La acumulación de concentrado sobre la
superficie del intercambiador.
La capacidad de formar espumas durante el
proceso de evaporación.
23. Elevación del punto de ebullición
(EPE) o Boiling-Point Elevation
La elevación del punto de ebullición de una
solución (producto líquido) es definido como el
incremento en el punto de ebullición en relación
al del agua pura, a una determinada presión.
Un método simple para la estimación de la
elevación del punto de ebullición es el uso de la
regla de Dühring.
24. Regla de Dühring
Esta regla establece que existe una relación
lineal entre la elevación del punto de ebullición
de una solución y la temperatura de ebullición
del agua a la misma presión.
Esta relación no abarca un amplio rango de
temperaturas, pero es aceptable cuando se
trabajan en pequeños valores.
26. Ecuaciones de Balance de Materia
Balance de materia
F L V
Balance de componentes
F x F L x L V y V
Pero yV = 0, entonces:
F x F L x L
27. Ecuaciones de Balance de Energía
Balance de Energía
F hF S H S L hL V hV S hS
Reordenando:
F hF S H S hs L hL V hV
F hF S L hL h
V V
28. Simbología para las ecuaciones de
Balance de Energía
HS = entalpía del vapor saturado a TS
hS = entalpía del condensado a TS
hF = Entalpía de la alimentación
hF = cpF(TF – 0 ºC)
hL = Entalpía del líquido concentrado
hL = cpL(TL – 0 ºC)
hV = Entalpía del vapor a temperatura T1
= HS - hS
29. Evaporación de doble efecto
Equipo adquisidor de
datos y control de
Advantech. (GENIE)
Sensores de Tº,
flujo,conductividad,
nivel y presión.
Manejo de bombas y
válvulas por software.
31. Ecuaciones Balance de Materia
Balance Global F V1 L2 V2
Balance de componentes
F xF V1 yV 1 L2 xL 2 V2 yV 2
Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
F x F L2 x L 2
32. Ecuaciones de Balance de Energía
Primer Efecto
Balance de Energía en el primer efecto:
F hF S H S L1 hL1 V1 hV 1 S hS
Reordenando:
F hF S H S L1 hL1 V1 hV 1 S hS
F hF S 1 L1 hL1 V1 hV 1
Donde:
hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC)
1 = HS - hS
33. Ecuaciones de Balance de Energía
Segundo Efecto
Balance de Energía en el segundo efecto:
L1 hL1 V1 H V 1 L2 hL 2 V1 hV 1 V2 hV 2
Reordenando:
L1 hL1 V1 H V 1 hV 1 L2 hL 2 V2 hV 2
L1 h L1 V1 2 L 2 h L 2 V 2 hV 2
Donde:
hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC)
2 = HV1 – hv1
35. Ecuaciones Balance de Materia
Balance Global
Balance de componentes
F xF V1 yV 1 L2 xL 2 V2 yV 2
Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
F x F L2 x L 2
36. Ecuaciones Balance de Energía en
el Primer Efecto
Balance de energía en el primer efecto
F hF S H S L1 hL1 V1 hV 1 S hS
Reordenando:
F hF S H S hs L1 hL1 V1 hV 1
F h F S 1 L1 h L1 V1 hV 1
Donde:
hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC)
1 = HS - hS
37. Ecuaciones Balance de Energía en
el Segundo Efecto
Balance de energía en el segundo efecto
L1 hL1 V1 H V 1 L2 hL 2 V1 hV 1 V2 hV 2
Reordenando:
F hF S H S hs L1 hL1 V1 hV 1
F h F S 1 L1 h L1 V1 hV 1
Donde:
hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del segundo efecto
hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC)
2 = HV1 – hV1
38. Ecuaciones Balance de Energía en
el Tercer Efecto
Balance de energía en el tercer efecto
L2 hL 2 V2 H V 2 L3 hL 3 V2 hV 2 V3 hV 3
Reordenando:
L2 hL 2 V2 H V 2 hV 2 L3 hL 3 V3 hV 3
L 2 h L 2 V 2 3 L3 h L 3 V 3 hV 3
Donde:
hL3 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del tercer efecto
hL3 = cpL3(TL3 – 0 ºC)
3 = HV2 – hV2
39. Ecuaciones para determinar la cantidad de
calor transferido en evaporadores de efecto
simple y evaporadores de efecto múltiple.
La cantidad de calor transferido en un evaporador de simple
efecto está dada por la siguiente ecuación:
q U A TS T1 S H S hS S
Donde:
q = cantidad de calor transferido
U = coeficiente global de transferencia de calor W m-2 K-1
A = área del intercambiador de calor
40. Ecuaciones para determinar la cantidad de
calor transferido en evaporadores de efecto
simple y evaporadores de efecto múltiple (2).
En evaporadores de efecto múltiple se calcula la transferencia de calor en
cada efecto. Así para un evaporador de efecto triple se tiene:
q 1 U 1 A1 T S T1 S H S h S S 1
q 2 U 2 A 2 T1 T 2 V 1 H V 1 hV 1 V 1 2
q 3 U 3 A 3 T 2 T 3 V 2 H V 2 hV 2 V 2 3
La diferencia total de temperaturas en cada efecto es:
T1 T S T1 T 2 T1 T 2 T3 T 2 T3
Entonces: T total T1 T 2 T 3 T S T 3
41. Ecuaciones para determinar la Economía de
vapor en evaporadores de efecto simple y
evaporadores de efecto múltiple.
La economía de vapor (E.V.)en un evaporador de efecto
simple se calcula mediante la siguiente ecuación:
V
E .V .
S
En un evaporador de efecto doble: V1 V 2
E .V .
S
En un evaporador de efecto triple:
V1 V 2 V 3
E .V .
S
42. Ecuación para determinar las entalpías de
los vapores de salida cuando se
trabaja considerando la EPE.
Cuando se determinan los valores de EPE en los evaporadores
de simple o múltiple efecto, las entalpías de los vapores de
salida, Vn, se calculan utilizando la siguiente ecuación:
kJ
hVn hV (Tablas _ vapor ) 4.184 EPE
kg
Donde:
hV(tablas_vapor) = entalpía del vapor saturado a la temperatura
del efecto
4.184 kJ kg-1 es el calor específico del vapor sobrecalentado
EPE = elevación del punto de ebullición
43. Selección del tipo de evaporador
Tipos de evaporadores.
Circulación natural y tubos horizontales
tubos verticales y tubo central
Tipo cesta
Circulación forzada con bomba externa
De película descendente
De película fina
De placas