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Evaporadores y cristalizadores
 

Evaporadores y cristalizadores

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Estudio de los procesos de separación: evaporación y cristalización.

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    Evaporadores y cristalizadores Evaporadores y cristalizadores Presentation Transcript

    • Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”Aprendizaje Dialógico Interactivo Programa de Ingeniería Química Realizado por: Prof. Ing. Yolimar Fernández Operaciones Unitarias II
    • EvaporaciónProceso unitario que consiste en la concentración de disoluciones por ebullición; estácontrolada por la velocidad de transferencia de calor y no por la correspondientetransferencia de materia. Evaporadores Equipos vaporizantes que puede considerarse como un intercambiador de calor modificado, que además de producir un cambio de fase, puede darse otros fenómenos asociados a la concentración de la disolución, como la formación de sólidos o la descomposición de sustancias. Entre sus aplicaciones más importantes se encuentran: -Obtención de agua desmineralizada. - Concentración de productos en industrias de alimentos y medicamentos.
    • Componentes principales de los evaporadores Ebullidor tubular: es donde ocurre el procesode ebullición del disolvente producto del calor Vaportransferido por el calor latente. Geralmenteconsta de un haz de tubos por donde circula lasolución a concentrar y una carcasa donde circula Vapor deel calor latente. agua Separador Separador líquido - líquido: es donde la mezclalíquido – vapor proveniente del ebullidor es Ebullidorseparada, obteniendo el líquido concentrado y lafase vapor. El separador es diseñado para evitar elarrastre de líquido concentrado en la corriente devapor. Condensado Área de circulación del medio decalentamiento: vapor, electricidad, etc. Alimentación Disolución (disolución concentrada diluida)
    • Factores que afectan a la velocidad de evaporación1. Diferencia de temperatura entre el vapor de calentamiento y el alimento (Tv– Ts).- Ts varia durante el proceso, puesto que al concentrarse el alimento aumenta su punto deebullición.- La diferencia de temperatura aumenta al operar en vacío.2. Área de intercambio (A)- Tipo de equipo (geometría).- Depósito de residuos en la superficie de intercambio.(desmineralización de proteínas, depósito de polisacáridos, etc.).3. Coeficiente global de transferencia de calor (U)- Propiedades físicas de los fluidos (vapor de calentamiento y alimento) y conductividadtérmica del material de la pared.- Tipo del equipo (geometría).- Régimen de flujo (espesor capa convectiva).
    • Factores que afectan a la velocidad de evaporación4. Propiedades del alimento- Viscosidad: a mayor viscosidad menor velocidad de circulación y menores coeficientes detransmisión de calor. La viscosidad aumenta con la concentración del alimento.- Sensibilidad a la temperatura: las temperaturas de operación deberán ser bajas (operaciónen vacío) y los tiempos de residencia cortos (evaporadores de película delgada).- Formación de espumas: aumenta en la operación bajo vacío y reduce la transferencia decalor. Se usan equipos con dispositivos mecánicos de rotura de espumas.- Resistencia a la corrosión: equipos de acero inoxidable y de circulación forzada.
    • Criterios de selección de evaporadoresPara determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuentauna gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto.
    • Balances de materia y energía Vapor E, TE , PE , HE (hacia el condensador) Alimentación Tubos de intercambio F, xF , TF , hF de calor Vapor de agua V, TV , PV , HV Condensado C, PC , TC , hC Producto concentrado S, xS , TS , hSBalance de materia global: F = E + S ; V + F = C + E + S Balance de materia por componente (soluto): xF.F = xS.SBalance de energía: V.HV + F.hF = C.hC + E.HE + S.hS Q = V.HV - C.hC = V.(HV - hC) = U.A. ∆TDonde Q es el caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador
    • Transmisión de calor El caudal de calor transmitido Q en el evaporador, puede darse a través de la ecuación de transmisión de calor, que se expresa de la forma siguiente: Q  U . A . T Donde: U = Coeficiente global de transmisión de calor. Está basado en el área superficial externa, puede determinarse de manera experimental o encontrarse tabulado en tablas de referencia. Se ha demostrado que el mismo depende de las propiedades de la solución, el medio de calentamiento, la geometría y el tipo de superficie.A = Área para la transmisión de calor. Generalmente este valor es fijo e independiente de las condiciones de operaciónen evaporadores ya construidos.∆T = Diferencia entre la temperatura de condensación del vapor de calefacción TV y la temperatura de ebullición dellíquido en la cámara de evaporación. Este parámetro es función de los siguientes factores:  Las condiciones del vapor de calefacción: en general en estos procesos no se encuentra a presión elevada, se recomienda presiones bajas para disminuir temperatura de ebullición y en consecuencia el consumo de calor y costos de equipo son menores.  La presión de la cámara de evaporación: aconsejable presiones bajas para aumentar gradiente de temperatura disminuyendo superficie de calefacción; si opera al vacio favorece la economía del proceso.  La concentración de la disolución: Para disolventes puros, su temperatura de ebullición seria la correspondiente a la presión que se mantuviera en la cámara de evaporación. Para disoluciones, la presión de vapor de la disolución es menor que la del disolvente puro; por tanto la temperatura de ebullición de la disolución será mayor que la del disolvente puro. La diferencia entre ambas se denomina Elevación en el punto de ebullición o Incremento del punto de ebullición.  Altura de líquido sobre la superficie de calefacción.
    • Datos entálpicosSe hace necesario el conocimiento de las entalpías específicas de las corrientes tanto líquidas como vapores que entran y salende un evaporador. En el caso de la corriente esté constituida por un componente puro por ejemplo: V, C y E, normalmente son corrientes devapor de calefacción, de agua líquida y de vapor de agua generado, las entalpías específicas se pueden encontrar fácilmente enla bibliografía (tablas de vapor de agua). Cuando las corrientes están constituidas por más de un componente se requiere la determinación experimental de lasmismas, estás pueden darse en forma gráfica como se observa en el gráfico A; mientras el gráfico B representa el conocidodiagrama de Duhring. En caso de no disponer de los datos experimentales, no queda más remedio que la simplificación en los cálculos para ladeterminación de las entalpías específicas de las disoluciones, a partir de los componentes de las mismas. Entalpía Punto de ebullición KJ/Kg dis disolución (°C) 200°C 180°C 150°C 100°C Concentración Punto de ebullición del (% peso) disolvente (°C) Grafico A. Diagrama entalpía – concentración para una Grafico B. Diagrama de Duhring para una disolución disolución
    • Balance entálpicosCaso 1. Si el calor de dilución es despreciableCuando los calores de disolución y cristalización son despreciables, la entalpía de la alimentación y ladisolución concentrada, hF y hS, pueden calcularse a partir de los calores específicos, tomando unatemperatura de referencia. hF  Cp F .(TF  Tref )El líquido concentrado y el vapor que sale de la cámara de evaporación están en equilibrio, y si la disoluciónno tiene aumento apreciable en el punto de ebullición estarán ambos a la misma temperatura TL. La entalpíadel vapor que sale de la cámara de vapor, Hv, será igual al calor latente de vaporización de la disolución a latemperatura TS.El calor especifico de las disoluciones cuyo calor de mezcla es despreciable se puede determinar, para unaconcentración x, si se conoce para otra concentración xo, considerando que el calor especifico es funciónlineal de la concentración: Cp  1  (1  Cpo ).( x / xo )Caso 2. Si el calor de dilución es apreciableEn este caso la entalpía no varia linealmente con la concentración a temperatura constante, y estas debendeterminarse con la ayuda de datos tabulados o mediante diagramas de entalpía – concentración. Como ladisolución tiene aumento apreciable en el punto de ebullición, el vapor procedente de la disolución es vaporsobrecalentado y su entalpía será el calor latente a TS - IPE, mas el aumento de entalpía debido alsobrecalentamiento. Ese incremento puede determinarse con la utilización del Diagrama de Duhring.
    • Sistemas de múltiples efectosEl principio en que se fundamenta el sistema de múltipleefecto es el siguiente: En vapor que se genera en un efecto se utiliza comovapor de calefacción para el siguiente efecto. Teniendo en cuenta el tipo de circulación, se puedeorganizar de la forma siguiente: a) directa o co-corriente;b) en contracorriente; c) mixto; y d) con alimentaciónindependiente-En el caso a) las corrientes de vapores generadas siguenla misma dirección que las corrientes de líquidosalimentados a los respectivos evaporadores.- En el caso b) las corrientes de vapores generados siguendirecciones contrarias.- En el caso c) participa tanto el caso a y b.- En el caso d) cada evaporador se alimenta independientemente.
    • Esquemas simplificados para sistemas de múltiple efecto
    • CristalizaciónOperación de transferencia de materia en la que seproduce la formación de un sólido (cristal o precipitado) apartir de una fase homogénea (soluto en disolución o enun fundido).La cristalización puede llevarse a cabo por enfriamiento, porevaporación o por ambos medios a la vez y tiene granimportancia en la preparación de productos puros. Destacasobre otros procesos de separación por su potencial paracombinar purificación y producción de partículas en unsolo proceso. El proceso está basado principalmente en la concentración de sustancias para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y fuerza.
    • Aplicaciones industriales Se utilizan para producir un producto puro de acuerdo con su composición y este seencuentra en forma de cristales, como por ejemplo: azúcar, sal común, etc. Los productos sólidos son más fáciles decomercializar por lo que se hace necesario contarcon un buen equipo de cristalización. Los cristalizadores proporcionan un productode alta concentración en formar sólidos. Se pueden usar para separar un solvente deuna disolución y aprovechar tanto el disolventecomo el soluto.
    • Tipo de cristalesUn cristal puede ser definido como un sólido compuesto de átomos arreglados en orden, en unmodelo de tipo repetitivo. La distancia interatómica en un cristal de cualquier material definidoes constante y es una característica del material.La forma geométrica de los cristales es una de las características de cada sal pura o compuestoquímico, por lo que la ciencia que estudia los cristales en general, la cristalografía, los haclasificado en siete sistemas universales de cristalización: Sistema CúbicoLas sustancias que cristalizan bajo este sistema forman cristales deforma cúbica, los cuales se pueden definir como cuerpos en el espacioque manifiestan tres ejes iguales que forman ángulos rectos entre si. Aesta familia pertenecen los cristales de oro, plata, diamante, cloruro desodio, etc.  Sistema Tetragonal Estos cristales forman cuerpos con tres ejes en el espacio en ángulo recto, con dos de sus segmentos de igual magnitud, hexaedros con cuatro caras iguales, representados por los cristales de oxido de estaño.
    • Tipo de cristales Sistema OrtorrómbicoPresentan tres ejes en ángulo recto pero ninguno de sus lados o segmentosson iguales, formando hexaedros con tres pares de caras iguales perodiferentes entre par y par, representados por los cristales de azufre, nitratode potasio, sulfato de bario, etc.  Sistema Monoclínico Presentan tres ejes en el espacio, pero sólo dos en ángulo recto, con ningún segmento igual, como es el caso del bórax y de la sacarosa. Sistema TriclínicoPresentan tres ejes en el espacio, ninguno en ángulo recto, con ningúnsegmento igual, formando cristales ahusados como agujas, como es el casode la cafeína.
    • Tipo de cristales  Sistema Hexagonal Presentan cuatro ejes en el espacio, tres de los cuales son coplanares en ángulo de 60°, formando un hexágono bencénico y el cuarto en ángulo recto, como son los cristales de zinc, cuarzo, magnesio, cadmio, etc. Sistema RomboédricoPresentan tres ejes de similar ángulo entre si, pero ninguno esrecto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsénico,bismuto y carbonato de calcio y mármol.
    • Solubilidad de equilibrio en cristalizaciónEl equilibrio en la cristalización de cualquier sistema puede ser definido en términos de su curva desolubilidad o saturación y sobresaturación. La curva de solubilidad describe el equilibrio entre el soluto y elsolvente y representa las condiciones bajo las cuales el soluto cristaliza y el licor madre coexiste enequilibrio termodinámico.Muchos manuales de química incluyen tablas de solubilidad. En la figura que se muestra se incluyen la curvade solubilidad de algunas sales típicas. En general, la solubilidad de la mayoría de las sales aumenta ligera onotablemente al aumentar la temperatura.
    • Solubilidad de equilibrio en cristalizaciónLas curvas de saturación y sobresaturación dividen el campo de concentración-temperatura en tres zonas: La región insaturada, a la derecha de la curva de saturación. La región metaestable, entre las dos curvas. La región sobresaturada o lábil, a la izquierda de la curva de sobresaturación.Un típico diagrama de equilibrio en cristalización se muestra en la figura debajo:
    • Balance de materia Disolvente: E, xE,HE Cristales: Disolvente: W C, xC, hC Alimentación: Magma: F, xF, TF, hF M, TM, hM Cristalizador Soluto: Y Disolución saturada: S, xS, hS Q Balance por componente (solvente): Balance por componente (soluto):Balance de materia global: F = E + (S+C) XF .F = XE.E + XS.S + XC.C F.(1 –XF) = S.(1 –XF ) + C.(1 –XC) Balance de energía: F.hF = M.hM + E.hE + Q Q = F.(hF - hS) + C.(hS – hC) + E.(HE – hS)Nota: XC depende si hay una solución híbrida
    • Una vez estudiada esta unidad, es momento de demostrar que tanto aprendistes: 1. Se ha de concentrar una solución de soda caústica de 10% hasta 60%, la alimentación a 80 C entra a razón de 17 Lb/s si se utiliza un evaporador de 3 efectos alimentado con vapor de agua a 3atm abs como medio de calentamiento. La temperatura en el último efecto será 100 F, considerando flujo de alimentación directa, U1 = 700 BTU/h.ft2. F, U2 = 1000 BTU/h.ft2. F, U3 = 800 BTU/h.ft2. F. Determinar el área de cada evaporador, flujo de vapor alimentado al sistema y economía del proceso.2. Una corriente que contiene 47Lb de sulfato de hierro (FeSO4) por 100Lb de agua (H20) se alimenta a uncristalizador a razón de 10.000Lb a 130 F para ser enfriada a 80 F, lo cual permite la formación de cristalesde sulfato de hierro hextahidratado, la solubilidad de la sal es 30,5Lb de sulfato de hierro por 100Lb deagua, la capacidad calorífica promedio de la alimentación es 0,7 BTU/Lb. F , el calor de disolución a 18 C es -4,4Kcal/gmol de sulfato de hierro hextahidratado. Calcule el rendimiento de los cristales y la cantidad decalor asociada al proceso.