Tipos, equipos de evaporadores, métodos de operación. Efecto simple y multiple. Coeficientes totales de transferencia de calor en evaporadores

1. E V A P O R A C I O N

2. TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN

3. TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES
 La evaporación consiste en la adicion de calor a una solución
para evaporar el disolvente que, por lo general es agua.
 Para la evaporación el tipo de equipo usado depende tanto de
la configuración de la superficie para la transferencia de calor
como de los medios utilizados para lograr la agitación o
circulación del liquido.
 A continuación se analizan los tipos generales de equipo.

4. MARMITA ABIERTA O ARTESA
 La forma más simple de un evaporador es una marmita abierta
o artesa 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. En algunos casos, la
marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son
económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor
es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores
para agitar el líquido.

5. EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES CON
CIRCULACIÓN NATURAL.
 En este tipo el vapor de agua entra a los
tubos y se condensa; el condensado sale por
el otro extremo de los tubos. La solución a
ebullición está por fuera de ellos. El vapor se
desprende de la superficie líquida; después,
se hace pasar por dispositivos de tipo
deflector para impedir el arrastre de gotas de
líquido y sale por la parte superior.
 Este equipo, relativamente económico, puede
utilizarse para líquidos no viscosos con altos
coeficientes de transferencia de calor y para
líquidos que no formen incrustaciones.

6. EVAPORADOR VERTICAL CON CIRCULACIÓN
NATURAL
 En este tipo de evaporador se usan tubos
verticales en lugar de horizontales y el
líquido esta dentro de los tubos, por lo que
el vapor se condensa en el exterior. Debido
a la ebullición y a la disminución de
densidad, el líquido se eleva en los tubos
por circulación natural fluye hacia abajo a
través de un espacio central abierto grande,
o bajada.
 Esta circulación natural incrementa el
coeficiente de transferencia de calor. No es
útil con líquidos viscosos. Este equipo se
llama con frecuencia evaporador de tubos
cortos

7. EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS.
 En un evaporador de tipo vertical
con tubos largos, el líquido esta
en el interior de los tubos. Estos
miden de 3 a 10 m de alto, lo que
ayuda a obtener velocidades de
líquido muy altas. Por lo general,
el líquido pasa por los tubos una
sola vez y no se recircula. Los
tiempos de contacto suelen ser
bastante breves en este modelo.

8. EVAPORADOR DE CAÍDA DE PELÍCULA
 Una variación del modelo de tubos
largos es el evaporador de caída de
película, en el cual el líquido se
alimenta por la parte superior de los
tubos y fluye por sus paredes en forma
de película delgada. Por lo general, la
separación de vapor y líquido se
efectúa en el fondo. Este modelo se usa
mucho para la concentración de
materiales sensibles al calor, como jugo
de naranja y otros zumos de frutas

9. 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. Para esto se
emplea el modelo de tubos
verticales largos una tubería
conectada a una bomba entre
las líneas de salida del
concentrado y la de
alimentación.
 Si embargo, los tubos de un
evaporador de circulación
forzada suelen ser más cortos
que los tubos largos. Este
modelo es muy útil para
líquidos viscosos.

10. EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA.
 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.
 Esto se lleva a cabo en un evaporador de
caída de película modificado, usando un solo
tubo grande enchaquetado que contiene un
agitador interno. El líquido penetra por la parte
superior del tubo y a medida que fluye hacia
abajo se dispersa en forma de película
turbulenta por la acción de aspas de agitación
vertical. La solución concentrada sale por el
fondo y el vapor pasa por un separador para
salir por la parte superior. Este tipo de
evaporador es practico para materiales muy
viscosos

11. EVAPORADOR SOLAR DE ARTESA ABIERTA
 Un proceso muy antiguo pero
que todavía se usa es la
evaporación solar en artesas
abiertas. El agua salina se
introduce en artesas o
bateas abiertas y de poca
profundidad y se deja
evaporar lentamente al sol
hasta que cristalice.

12. MÉTODOS DE OPERACIÓN PARA
EVAPORADORES

13. EVAPORADORES DE EFECTO SIMPLE.
 Los evaporadores de efecto simple se usan con frecuencia cuando la
capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña o el
costo del vapor es relativamente barato comparado con el costo del
evaporador. Sin embargo, la operación de gran capacidad, al usar
más de un efecto, reducirá de manera significativa los costos del
vapor.

14.  La alimentación entra a TF y en la sección de intercambio de calor
entra vapor saturado a Ts. El vapor condensado sale en forma de
pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del
evaporador está completamente mezclada, el producto concentrado y
la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura
T1, que corresponde al punto de ebullición de la solución. La
temperatura del vapor también es T1, pues esta en equilibrio con la
solución en ebullición. La presión es Pt, que es la presión de vapor de
la solución a T1

15. EVAPORADORES DE EFECTO MÚLTIPLE CON
ALIMENTACIÓN HACIA ADELANTE.
 En este tipo de operación el primer efecto opera a una
temperatura suficientemente alta como para que el agua que se
evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto,
como resultado tenemos un aumento en la economía del vapor de
agua. En esta operación la alimentación se introduce en el primer
efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del
vapor.

16.  Éste es el método de operación que se emplea cuando la
alimentación esta caliente o cuando el producto concentrado final
puede dañarse a temperaturas elevadas. Las temperaturas de
ebullición van disminuyendo de efecto a efecto. Esto significa que si el
primer efecto esta a Pr = 1 atm abs de presión, el último estará
al vacío, a presión P3.

17. EVAPORADORES DE EFECTO MÚLTIPLE CON
ALIMENTACIÓN EN RETROCESO.
 La alimentación entra al último efecto, que es el más frío, y continua
hacia atrás hasta que el producto concentrado sale por el primer
efecto. Este método de alimentación en retroceso tiene ventajas
cuando la alimentación es fría, pues la cantidad de líquido que debe
calentarse a temperaturas más altas en el segundo y primer efecto
es más pequeña. Sin embargo, es necesario usar bombas en cada
efecto, pues el flujo va de baja a alta presión.

18. COEFICIENTES TOTALES DE
TRANSFERENCIA DE CALOR EN
EVAPORADORES

19.  El coeficiente total de transferencia de calor U en un
evaporador esta constituido por :
 El coeficiente del lado del vapor que se condensa, cuyo valor
aproximado es de 5700 W/m2 *K(1000 btu/h * pie2 * °F).
 La pared metálica, que tiene una conductividad térmica alta y
casi siempre una resistencia despreciable.
 La resistencia de las incrustaciones en el lado del liquido.
 El coeficiente de la película líquida, que por lo general se forma
en el interior de los tubos.

20. El término U, definido como un factor de
proporcionalidad entre dg/dA (flujo
diferencial de calor/diferencial del área) y
AT (diferencia global de temperatura),
recibe el nombre de coeficiente global
local de transmisión de calor.

21. CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR
 La velocidad de transmisión de calor q a través de la superficie
de calefacción de un evaporador, de acuerdo con la definición
del coeficiente global de transmisión de calor es producto de
tres factores:
 El área A de la superficie de transmisión de calor
 El coeficiente global de transmisión de calor U
 La caída global de temperatura AT.
q = U* A* AT

22.  Tal como muestra la Ecuación:
 q =(U) (A)( AT)
 La densidad de flujo de calor y la capacidad del evaporador están
afectadas tanto por la caída de temperatura como por el
coeficiente global de transmisión de calor.
 La caída de temperatura está fijada por las propiedades del vapor
de agua y del líquido que hierve y, excepto por lo que respecta a la
carga hidrostática, no depende de la construcción del evaporador.
 Por otra parte, el coeficiente global está fuertemente influenciado
por el diseño y la forma de operación del evaporador

23. COEFICIENTES DE LA PELÍCULA DE VAPOR.
 El coeficiente de la película del vapor de agua es elevado, aun para
la condensación en película. A veces se adicionan promotores al
vapor de agua para provocar la condensación en gotas y aumentar
todavía más el coeficiente. Puesto que la presencia de gases no
condensables reduce sustancialmente el coeficiente de película del
vapor, es preciso tomar precauciones para purgar los no
condensables de la caja de vapor y prevenir la entrada de aire
cuando el vapor de agua está a una presión inferior a la atmosférica.

24. COEFICIENTES DEL LADO DEL LÍQUIDO.
 El coeficiente del lado del líquido depende en gran medida de la
velocidad del líquido sobre la superficie de calefacción.
 En los evaporadores de circulación natural el coeficiente del lado del
líquido para disoluciones acuosas diluidas, está comprendido entre
200 y 600 Btu/pie2-h-°F.

25. COEFICIENTE DE LOS EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN
NATURAL
El coeficiente global es sensible a la caída de
temperatura y a la temperatura de ebullición de la
disolución. Con líquidos de baja viscosidad los
coeficientes de transmisión de calor son elevados,
del orden de 1000 a 2000 Btu/pie2-h-°F para agua.

26. EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES
Resultan coeficientes
totales:
 200-400 Btu/h pie2°F
(1100-2300 W /m2 K)
 Dependiendo de la
diferencia total de
temperaturas temperatura
de ebullición y
propiedades de la
solución

27. EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES DE LAS
VARIEDADES DE CANASTA Y VERTICAL NORMAL
 Los coeficientes son un poco
mayores que en los evaporadores de
tubos horizontales y se encuentran
entre:
 200-500 Btu/h pie2°F
(1100-2800W/m2K),
 Dependiendo una vez más de las
propiedades de la solución, ΔT total y
temperatura de ebullición

28. EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS
 Existe poca información publicada
disponible sobre los coeficientes
obtenidos en estos evaporadores,
pero es de esperarse que los
coeficientes totales se encuentren
en el intervalo de:
 200-800 Btu/h pie2 °F (1100-4500
W/m2 K).

29. EVAPORADOR DE PELÍCULA DESCENDENTE
Se han medido coeficientes de película de
evaporación de 800-1500 Btu/h pie2 °F
(4500-8500 W/m2 K), para el caso del agua.

30. EVAPORADOR DE PELÍCULA TURBULENTA
 Los coeficientes totales que se
aseguran son de 40-400 Btu /h
pie2 o F (350-3500 W/m2 K),
cuando se evaporan materiales
de viscosidades hasta de 20
000 cps.

31. COEFICIENTES TÍPICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA
DIVERSOS EVAPORADORES.