Universidad Autónoma de Chihuahua Facultad de - FCQ

Universidad Autónoma de Chihuahua
Facultad de Ciencias Químicas
Operaciones Unitarias 2
Dr. Ivan Salmeron Ochoa
“Ensayo y Mapa Conceptual: Evaporación”
Nydia Verónica Rentería 248833
Mitzi Rocha Esparza 245555
Karen Chavarría Castillo 245380
16 de Agosto del 2013
La evaporación es un proceso muy frecuente en las industrias en las que se involucra la
transferencia de calor. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente
en un soluto no volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente utilizado es el
agua. Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras
que el vapor se condensa y se desecha.
Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor que
se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre
la presión y la temperatura del proceso, las propiedades afectan los métodos de
procesamiento. Cuando la concentración en el líquido aumenta de igual manera la viscosidad
y densidad hasta que la saturación resulta inadecuada para la transferencia de calor esto
puede ocasionar problemas como la formación de cristales los que disminuyen el coeficiente
de transferencia de calor por lo cual se debe detener la operación para limpiar los tubos para
evitar pérdidas. La presión y la temperatura también están relacionadas ya que el punto de
ebullición aumentara, a medida que la presión aumente en el evaporador, la temperatura de
ebullición también aumentara cuando la concentración del material disuelto por la acción del
evaporador se incrementa. La sensibilidad a la temperatura de algunos productos químicos,
alimenticios y farmacéuticos pierden sus propiedades y se dañan cuando se exponen a
temperaturas elevadas por algún tiempo. Otro punto importante es el tipo de materiales que
se utilizan para la construcción de evaporadores ya que se deben utilizar materiales que
prevengan la corrosión, puesto algunas disoluciones atacan los materiales férreos y
producen contaminación, también se debe de considerar la velocidad de transporte de calor
entre mayor sea esta los costos del equipo serán minimizados.
Durante la evaporación se suministra calor a una solución para evaporar el disolvente, el
calor es suministrado por condensación de un vapor en contacto
con una superficie
metálica, con el líquido del otro lado de dicha superficie. El tipo de equipo usado depende de
la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados
para lograr la agitación o circulación del líquido.
Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del líquido en ebullición se
condensa y desecha, este método recibe el nombre de evaporación de simple efecto. Si el
vapor precedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentación en el
elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de este se envía al
condensador, la operación se denomina de segundo efecto, mientras que la evaporación de
múltiple efecto consiste en aumentar la evaporación por kilogramo de vapor de agua
utilizando un serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador.
Los principales tipos de evaporadores tubulares actualmente utilizados son: evaporadores de
tubos largos verticales (de flujo ascendente, flujo descendente y circulación forzada),y
evaporadores de película agitada.
También es importante mencionar algunos evaporadores como los de marmita abierta o
artesanal que es la forma más simple de un evaporador, son económicos y de operación
simple, desgraciadamente el desperdicio de calor es excesivo, y por otro lado los
evaporadores de tubos horizontales con circulación forzada que es un equipo relativamente
económico pero no son adecuados para materiales viscosos.
En lo que respecta a los evaporadores de múltiple efecto están conectados de tal forma que
el vapor procedente de un efecto sirve como medio de calefacción para el efecto siguiente,
existen los evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia delante, en los que la
alimentación se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido
del flujo del vapor. Los evaporadores de efecto múltiple con 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, por ultimo están los evaporadores de efecto
múltiple con alimentación en paralelo en los que se requiere la adición de alimentación nueva
y la extracción de producto concentrado en cada uno de los efectos.
Coeficientes totales de transferencia de calor en evaporadores
El coeficiente total de calor en un evaporador está constituido por el coeficiente del lado del
vapor que se condensa, cuyo valor aproximado es de 5700 W/m2 . K; por la pared metálica,
que tiene una conductividad térmica alta y casi siempre una resistencia despreciable; por la
resistencia de las incrustaciones en el lado del liquido, y por el coeficiente de la película
liquida, que por lo general se forma en el interior de los tubos. Debido a la dificultad de medir
los elevados coeficientes de película individuales de un evaporador, los resultados
experimentales generalmente se expresan en función de coeficientes globales, que están
basados en la caída neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevación del
punto de ebullición.
La capacidad de un evaporador se determina mediante 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 igual al producto de tres factores. Área de la
superficie de transmisión de calor, coeficiente global de transmisión de calor y la caída global
de temperatura, dicha expresión se representa por medio de la siguiente ecuación: q= UAΔT.
Existen efectos de las variables de procesos en la operación de evaporadores como son el
efecto de la temperatura de alimentación ya que el precalentamiento de esta reduce el
tamaño del evaporador y el área de transferencia de calor, la presión, y la presión del vapor
de agua.
En la mayoría de los casos de evaporación las soluciones no son tan diluidas por tanto las
propiedades térmicas de las soluciones que se evaporan pueden ser muy diferentes a las del
agua. Así que en las soluciones concentradas de solutos disueltos no es posible conocer la
elevación del punto de ebullición debido a la presencia del soluto, para estos casos se utiliza
la regla de Dühring, esta regla empírica establece que la temperatura de ebullición de una
determinada disolución es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a
la misma presión, por lo tanto si se representa la temperatura de ebullición de la disolución
frente a la del agua a la misma presión se obtiene una línea recta y para diferentes
concentraciones resultan diferentes rectas.
Por regla general, los vapores del último efecto de los evaporadores de efecto múltiple salen
al vacío, estos vapores deben condensarse y descargarse como líquido a presión
atmosférica, esto puede lograrse al condensar los vapores usando agua de enfriamiento. El
condensador puede ser de superficie donde el vapor por condensar y el liquido de
enfriamiento están separados por una pared metálica, o de contacto directo, donde el vapor y
el liquido de enfriamiento se mezclan directamente.
Evaporación
Proceso utilizado en las industrias donde se usa la
transferencia de calor, su objetivo es concentrar una
disolución consistente en un soluto no volátil.
Evaporador: consiste de un intercambiador de
calor capaz de hervir la solución y un
dispositivo para separar la fase vapor del
líquido en ebullición.
Tipos de evaporadores
-Evaporador de tubos largos verticales
-Evaporador de película agitada
-Marmita abierta
-Evaporador de tubos horizontales con
circulación forzada (no son adecuados para
materiales viscosos)
-Evaporador de efecto múltiple con
alimentación hacia delante
-Evaporador de efecto múltiple con
alimentación en retroceso
-Evaporador de tubos verticales
con circulación natural
-Evaporador de caída de película
Métodos de Operación
-Evaporador de efecto simple (se utiliza
un solo evaporador).
-Evaporador de segundo efecto (el vapor
se reutiliza para la segunda fase).
-Evaporador de efecto múltiple (el vapor
procedente de un efecto sirve para el
efecto siguiente).
-Evaporador de efecto múltiple con
alimentación
hacia
delante
(la
alimentación se introduce en el primer
efecto).
-Evaporador de efecto múltiple con
alimentación en retroceso (retroceso la
alimentación entra al último efecto, el
más frio).
-evaporadores de efecto múltiple con
alimentación en paralelo (requiere la
adición de alimentación nueva
y
extracción en cada uno de los efectos).
Factores
-Concentración del líquido
-Formación de espuma
-Formación de costras
-Sensibilidad térmica de los
materiales
-Materiales de construcción
Variables
dependientes
-Presión
-Temperatura
-Solubilidad
-Viscosidad
-Densidad