Tema 2. Evaporación

SUBTEMAS:
2.1 Clasificación de los evaporadores.

2.2 Balance de materia y energía de los evaporadores.
2.2. Factores que afectan la operación de evaporación
2.3 Cálculo térmico de un evaporador de simple y múltiple
efecto
2.4 Cálculo térmico de un sistema de evaporación incluyendo
precalentamiento, condensación y recompresión.
2.5 Otros evaporadores
2.6 Materiales de construcción
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
1. ASISTENCIA ----- 10%

2. PARTICIPACIÓN ----- 10%
3. PROBLEMARIO EN EXCEL ----- 40%
4. EVALUACIÓN ----- 40%
MÉTODOS DE SEPARACIÓN
EVAPORACIÓN
FACTORES DE PROCESO
Propiedades que afectan a los métodos
de procesamiento
CARACTERÍSTICAS DE EVAPORADORES
TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES
En un evaporador hay que conocer su capacidad, economía y consumo de vapor de calefacción que
vienen dados por las expresiones.
kilogramo de disolvente evaporado
Capacidad =
tiempo
kilogramo de disolvente evaporado
Economía =
kilogramo de vapor de calefacción
CARACTERÍSTICAS DE EVAPORADORES
capacidad
Consumo de vapor de calefacción =
economía
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y
MÉTODOS DE OPERACIÓN
TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES
La evaporación consiste en la adición de calor a una solución para
evaporar el disolvente que, por lo general, es agua. Usualmente, el calor
es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de agua) en
contacto con una superficie metálica, con el líquido del otro lado de dicha
superficie.
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 líquido.
W = Caudal de la corriente.
Subíndice O = Corriente entrante.
Subíndice 1 = Corriente saliente.
P = Presión.
T = Temperatura.
c = Concentración.
H = Entalpía corriente gaseosa por unidad de masa.
h = Entalpía corriente líquida por unidad de masa.
Superíndice S = Vapor vivo.
Superíndice C = Condensado.
Superíndice V = Vapor generado.
Superíndice L = Corriente líquida.
En la figura se representan los caudales de energía que
parten de las distintas corrientes entrantes y salientes del
evaporador, pudiendo observarse cómo la energía que se
transmite desde el vapor de calefacción, sale del evaporador
en la corriente de vapor generado.
Es evidente pues, que se haga necesaria la recuperación de
la energía de los vapores en los procesos de evaporación.
Los métodos a seguir son los siguientes:
- Utilización de sistemas de múltiple efecto.
- Recompresión del vapor generado: mecánicamente o
térmicamente.
- Utilización de un fluido de calefacción secundario.
1. 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.
2. 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 condensado sale por el
otro extremo de los tubos. La solución
a ebullición está por fuera de ellos.
natural.
El vapor se desprende de la superficie
líquida; después, casi siempre 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.
natural.
Puesto que la circulación del líquido no es
muy buena, son poco adecuados para
materiales viscosos. En casi todos los
casos, operan con régimen continuo, con
alimentación a velocidad constante y
salida de concentrado a velocidad
constante.
3. 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, y fluye
hacia abajo a través de un espacio central
abierto grande, o bajada.
3. Evaporador vertical con
circulación natural.
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.
4. 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 lado del líquido que se evapora,
es conveniente contar con velocidades
altas para el líquido. En un evaporador
de tipo vertical con tubos largos el
líquido esta en el interior de los tubos.
4. Evaporador vertical de
tubos largos.
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.
4. Evaporador vertical de tubos
largos.
Los tiempos de contacto suelen ser bastante
breves en este modelo. En algunos casos,
como cuando la relación entre la velocidad de
alimentación y la velocidad de evaporación
es baja, puede emplearse recirculación
natural del producto a través del
evaporador, añadiendo una conexión de
tubería entre la salida del concentrado y la
línea de alimentación. Éste es un método
muy común en la producción de leche
condensada.
5. 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, debido a que el
tiempo de retención es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de
transferencia de calor es alto.
6 . 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.
6 . Evaporador de circulación
forzada.
Para esto se emplea el modelo de tubos
verticales largos de la añadiendo una
tubería conectada a una bomba entre las
líneas de salida del concentrado y la de
alimentación. Sin embargo, los tubos de
un evaporador de circulación forzada
suelen ser más cortos que los tubos
largos.
7. Evaporador de película agitada.
La principal resistencia a la transferencia de calor en un evaporador
corresponde al líquido. Por tanto, 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.
7. Evaporador de película agitada.
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, pues el
coeficiente de transferencia de calor es mayor que en los
modelos de circulación forzada. Se usa para materiales viscosos
sensibles al calor como látex de caucho, gelatina, antibióticos y
jugos de frutas. Sin embargo, tiene costo alto y capacidad baja.
8. 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.
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 está en
equilibrio con la solución en ebullición. La presión es P1, que es
la presión de vapor de la solución a T1.
Si se supone que la solución que se va a evaporar es bastante diluida y
parecida al agua, 1 kg de vapor de agua producirá aproximadamente 1 kg
de vapor al condensarse. Esto ocurrirá siempre que la alimentación tenga
una temperatura TF cercana al punto de ebullición.
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. Se establece entonces la ecuación
donde q es la velocidad de transferencia de calor en W (btu/h), U es el
coeficiente total de transferencia de calor en W/m2*K (btu/h . pie 2 . °F),
A es el área de transferencia de calor en m2 (pie2), Ts es la temperatura
del vapor que se condensa en K (°F) y T1 es el punto de ebullición del
líquido en K (°F).
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.
Un evaporador de efecto simple desperdicia
bastante energía, pues el calor latente del vapor
que sale no se utiliza. No obstante, una buena
parte de este calor latente se recupera y se
utiliza al emplear evaporadores de efecto
múltiple.
Si la alimentación del primer efecto está a una
temperatura cercana al punto de ebullición y a la
presión de operación de dicho efecto, 1 kg de
vapor de agua evaporará casi 1 kg de agua. 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.
Nuevamente, en el segundo efecto se evapora casi 1 kg
de agua, que se emplea como medio de calentamiento
del tercer efecto. De manera aproximada, en un
evaporador de efecto triple se evaporan 3 kg de agua
por kilogramo de vapor de agua usado.
Por consiguiente, el resultado es un aumento de la
economía de vapor de agua, que es kg de vapor
evaporado/kg de vapor de agua usado.
Esto también resulta cierto de forma
aproximada para más de tres efectos. Sin
embargo, este aumento de la economía del vapor
de agua en un evaporador de efecto múltiple se
logra a expensas de mayor inversión en el
equipo.
En la operación de alimentación hacia adelante
que se muestra en la figura, la alimentación se
introduce en el primer efecto y fluye hacia el
siguiente en el mismo sentido del flujo del
vapor. 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 P1 = 1 atm
abs de presión, el último estará al vacío, a presión P3.
En la operación de alimentación en retroceso, la alimentación
entra al último efecto, que es el más frío, y continúa 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. Este método también es muy
Útil cuando el producto concentrado es bastante viscoso. Las
altas temperaturas de los primeros efectos reducen la
viscosidad y permiten coeficientes de transferencia de calor de
valor razonable.
La alimentación en paralelo en evaporadores de efecto múltiple implica la
adición de alimentación nueva y la extracción de producto concentrado en
cada uno de los efectos. El vapor de cada efecto se usa para calentar el
siguiente. Este método de operación se utiliza principalmente cuando la
alimentación está casi saturada y el producto son cristales sólidos, tal
como sucede en la evaporación de salmueras para la producción de sal.

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1. ASISTENCIA ----- 10%

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Los evaporadores de efecto simple se usan con frecuencia cuando la capacidad

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