Evaporación                     Ing. Arturo Jiménez CarroIngeniería Química                               1
Definiciones:     Evaporación:           Operación unitaria la cual tiene como finalidad           la concentración de una...
Aplicaciones de la evaporación     Entre los ejemplos     típicos de procesos     de evaporación                        Va...
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Componentes básicos de un evaporador  Condensadores de  contacto:       En ellos se mezclan       íntimamente el vapor    ...
Componentes básicos de un evaporador     Condensadores de     contacto:           En ellos se mezclan           íntimament...
Factores que influyen en la evaporaciónson:      La concentración de la solución      El tipo de soluto y solvente      La...
Operación de simple y múltiple efecto     La evaporación de simple efecto,     normalmente se realiza una evaporación     ...
Operaciones de múltiple efectoIngeniería Química               13
Operaciones de múltiple efectoIngeniería Química               14
Operaciones de múltiple efectoIngeniería Química               15
Actividad de repaso     Verificar conceptos de calor sensible, calor     latente, vapor saturado y vapor sobrecalentadoIng...
Parámetros de diseño de evaporadores     Características del líquido que se     concentra.           La solución práctica ...
Parámetros de diseño de evaporadores     CONCENTRACIÓN           Aunque la disolución que entra como alimentación de un   ...
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Parámetros de diseño de evaporadores     FORMACIÓN DE ESPUMA           Algunas sustancias orgánicas forman espuma         ...
Parámetros de diseño de evaporadores     FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES           Algunas disoluciones depositan costras sobr...
Parámetros de diseño de evaporadores     SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA           Muchos productos se dañan cuando se calie...
Parámetros de diseño de evaporadores     PROPIEDADES CALORIFICAS           Es necesario conocer el calor específico de las...
Parámetros de diseño de evaporadores     TEMPERATURA DE EBULLICIÓN           FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PUNTO DE         ...
Parámetros de diseño de evaporadores     b. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE     EBULLICIÓN           La presión de vapor de la mayo...
Parámetros de diseño de evaporadores     c. Efecto de la carga o altura del líquido           Si la altura de liquido en e...
Resumen de parámetros de diseño                                           Concentración                                   ...
Clasificación de evaporadores     Existen diversos tipos de clasificación de     evaporadores, una de las más generales   ...
Tipos de evaporadores       Entre las clasificaciones       más generales está la       que considera los       siguientes...
Tipos de evaporadores     Evaporador de tubos     horizontales con     circulación natural.           El banco horizontal ...
Tipos de evaporadoresIngeniería Química      31
Tipos de evaporadores     Evaporador vertical con     circulación natural.           En este tipo de           evaporador ...
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Tipos de evaporadores     Evaporador vertical de     tubos largos.           Puesto que el coeficiente           de transf...
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Tipos de evaporadores     Evaporador de caída     de película.           Es una variación del de           tubos largos, e...
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Ingeniería Química   42
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Película descendenteIngeniería Química                          44
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Tipos de evaporadores     Evaporador de     película ascendente.Ingeniería Química          46
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Tipos de evaporadores     Evaporadores de     placas.           Diseños           compactos, muy           eficientes, ide...
Tipos de evaporadores     Tipos de placas     empleados en     intercambiadores     de calor.Ingeniería Química      50
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Tipos deevaporadores          Sistema de          calentamiento          externoIngeniería Química        55
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Tipos de evaporadores     Evaporador de película     agitada.           La principal resistencia a la           transferen...
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Tipos de evaporadores    Evaporador de flujo expandidoIngeniería Química                  63
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Tipos de evaporadores     El agua salina se introduce en arestas o     bateas abiertas y de poca profundidad y     se deja...
Métodos de operación de evaporadores     Evaporadores de efecto simple:           Para ejemplificarlo observar el siguient...
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Métodos de operación de evaporadores     Los evaporadores de simple efecto se usan     con frecuencia cuando la capacidad ...
Coeficientes totales de transferencia decalor     El coeficiente global de transferencia de calor U     en un evaporador e...
Coeficientes totales de transferencia decalor     El coeficiente del vapor de agua que se condensa     en el exterior de l...
Coeficientes típicos de transferencia decalor para diversos evaporadores                                            Genera...
Efecto de las variables de proceso en laoperación de evaporadores     Efecto de la                   Si la alimentación en...
Efecto de las variables de proceso en laoperación de evaporadores     Efecto de la presión:            Efecto de la presió...
Elevación del punto de ebullición de lasdisoluciones     En general las soluciones      Sin embargo se puede     evaporada...
Uso de la gráfica de Dühring para laelevación del punto de ebullición     Considere una presión     Solución:     de 25.6 ...
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Gráficas de entalpía y concentración desoluciones     Cuando el calor de     Cuando se disuelve     disolución de la      ...
Graficas de entalpía y concentración desoluciones.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°...
Métodos de cálculo para evaporadoresde múltiple efecto.     Una forma de hacer       La presión en el     un uso más efici...
Caídas de temperatura y capacidad delos evaporadores de efecto múltiple     Suponiendo que las              De tal forma q...
Caídas de temperatura y capacidad delos evaporadores de efecto múltiple     Por lo tanto las caídas     Considerando lo   ...
Capacidad de los evaporadores demúltiple efecto     El calor transferido    Tenemos:     total en un     evaporador de    ...
Cálculos de los evaporadores de múltipleefecto.     Por consiguiente el      Al efectuar los cálculos     aumento de la   ...
Cálculos de los evaporadores demúltiple efecto.     Los valores conocidos            Propiedades físicas     son los sigui...
Método de cálculo para evaporadores detriple efecto1.    Con base a la            2.   Por medio del balance de      infor...
Método de cálculo para evaporadores detriple efecto3. Con las ecuaciones:          Calcular el punto de ebulliciónΔT1=ΣΔT*...
Método de cálculo para evaporadores detriple efecto4.     Empleando los balances       5.   Calcule el valor de Q       de...
Método de cálculo para evaporadores detriple efecto6. Emplear los valores         8.   Con los nuevos valores de   obtenid...
Ejemplo:     Se usa un evaporador de        Donde x, es la fracción peso de     triple efecto y de             azúcar en s...
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 su...
Condensadores para evaporadores     Condensadores de                Condensadores de     superficie.                     c...
Condensador barométrico     El condensador            El consumo de agua     barométrico es barato     se calculó por un  ...
Evaporador barométrico                                     Agua                                      fria                 ...
Evaporación mediante recompresión devapor       Vapor de       apoyo                P1  Compresor de vapor                ...
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  1. 1. Evaporación Ing. Arturo Jiménez CarroIngeniería Química 1
  2. 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. 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. 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. 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. 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 arrastreIngeniería Química 6
  7. 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. 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. 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. 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. 11. Factores que influyen en la evaporaciónson: La concentración de la solución El tipo de soluto y solvente La presión de trabajo u operación pH y formación de espumaIngeniería Química 11
  12. 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. 13. Operaciones de múltiple efectoIngeniería Química 13
  14. 14. Operaciones de múltiple efectoIngeniería Química 14
  15. 15. Operaciones de múltiple efectoIngeniería Química 15
  16. 16. Actividad de repaso Verificar conceptos de calor sensible, calor latente, vapor saturado y vapor sobrecalentadoIngeniería Química 16
  17. 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. 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. 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. 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. 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. 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 calentamientoIngeniería Química 22
  23. 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. 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. 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. 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. 27. Resumen de parámetros de diseño Concentración Viscosidad Características Formación de espuma del líquido Formación de costras Diseño Sensibilidad a la temp deevaporadores Propiedades caloríficas Temperatura de Presión externa ebullición Elevación del p.eb.Ingeniería Química 27
  28. 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 forzadaIngeniería Química 28
  29. 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. 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
  31. 31. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 31
  32. 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
  33. 33. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 33
  34. 34. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 34
  35. 35. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 35
  36. 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
  37. 37. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 37
  38. 38. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 38
  39. 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
  40. 40. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 40
  41. 41. Ingeniería Química 41
  42. 42. Ingeniería Química 42
  43. 43. Tipos de evaporadores Película descendenteIngeniería Química 43
  44. 44. Película descendenteIngeniería Química 44
  45. 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. 46. Tipos de evaporadores Evaporador de película ascendente.Ingeniería Química 46
  47. 47. Ingeniería Química 47
  48. 48. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 48
  49. 49. Tipos de evaporadores Evaporadores de placas. Diseños compactos, muy eficientes, ideales para fluidos no incrustantes, o poco incrustantesIngeniería Química 49
  50. 50. Tipos de evaporadores Tipos de placas empleados en intercambiadores de calor.Ingeniería Química 50
  51. 51. Ingeniería Química 51
  52. 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
  53. 53. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 53
  54. 54. Ingeniería Química 54
  55. 55. Tipos deevaporadores Sistema de calentamiento externoIngeniería Química 55
  56. 56. Ingeniería Química 56
  57. 57. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 57
  58. 58. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 58
  59. 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
  60. 60. Ingeniería Química 60
  61. 61. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 61
  62. 62. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 62
  63. 63. Tipos de evaporadores Evaporador de flujo expandidoIngeniería Química 63
  64. 64. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 64
  65. 65. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 65
  66. 66. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 66
  67. 67. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 67
  68. 68. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 68
  69. 69. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 69
  70. 70. Tipos deevaporadoresIngeniería Química 70
  71. 71. Tipos de evaporadoresIngeniería Química 71
  72. 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. 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 concentradoIngeniería Química 73
  74. 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 enQ = UAΔT = UA(TS-T1) K o °F. T1 = Punto de ebullición del líquido.Ingeniería Química 74
  75. 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. 76. Coeficientes totales de transferencia decalor 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. 77. Coeficientes totales de transferencia decalor 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)1/4Ingeniería Química 77
  78. 78. Coeficientes típicos de transferencia decalor 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 - 400Ingeniería Química 78
  79. 79. Efecto de las variables de proceso en laoperación 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. 80. Efecto de las variables de proceso en laoperación 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. 81. Elevación del punto de ebullición de lasdisoluciones 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. 82. Uso de la gráfica de Dühring para laelevación 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
  83. 83. Ingeniería Química 83
  84. 84. Gráficas de entalpía y concentración desoluciones 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. 85. Graficas de entalpía y concentración desoluciones.Ingeniería Química 85
  86. 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. 87. Métodos de cálculo para evaporadoresde 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. 88. Caídas de temperatura y capacidad delos 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=U3ΔT3Ingeniería Química 88
  89. 89. Caídas de temperatura y capacidad delos 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-T3Ingeniería Química 89
  90. 90. Capacidad de los evaporadores demúltiple 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 deQt = Q1 + Q2 + Q3 temperatura son: ΣΔT =Ts – T3Considerando que U y A son las mismas en los tres efectos.Ingeniería Química 90
  91. 91. Cálculos de los evaporadores de múltipleefecto. 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. 92. Cálculos de los evaporadores demúltiple 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. 93. Método de cálculo para evaporadores detriple efecto1. 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. 94. Método de cálculo para evaporadores detriple efecto3. Con las ecuaciones: Calcular el punto de ebulliciónΔT1=ΣΔT*[(1/U1)/(1/U1+1/U de cada efecto. Si se tiene 2+1/U3)] el EPE en °C, estimar lasΔT2=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 seΔT3=ΣΔT*[(1/U3)/(1/U1+1/U requiere una aproximación 2+1/U3)] de la presión, pues el EPESe 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. 95. Método de cálculo para evaporadores detriple efecto4. 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. 96. Método de cálculo para evaporadores detriple efecto6. 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 47. Obtener los nuevos valores de:ΔT1’ , ΔT2’ y ΔT3’ΔT1’=ΔT1A1/AmLa suma de las nuevas deltas debe ser igual al valor original, si no se distribuyen uniformemente para compensar la diferenciaIngeniería Química 96
  97. 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+11.2x2Ingeniería Química 97
  98. 98. Ejercicios: Resolver los ejercicios del problemario siguiente.Ingeniería Química 98
  99. 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. 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. 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. 102. Evaporador barométrico Agua fria T1 No condensable Entrada de vapor Tubo de descarga Agua caliente T2Ingeniería Química 102
  103. 103. Evaporación mediante recompresión devapor Vapor de apoyo P1 Compresor de vapor P2 Propulsión Condensado ProductoCondensado concentradopara Alimentaciónsobrecalentamiento Calentador fría de alimentaciónIngeniería Química 103
  104. 104. Ingeniería Química 104
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