Evaporación En este proceso se elimina el vapor formado por

Evaporación
En este proceso se elimina el vapor formado por ebullición de una solución liquida de la que
se obtiene una solución mas concentrada. Generalmente consiste en la eliminación de agua
de una solución acuosa.
Aplicaciones del proceso de evaporación:
•
Concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, glicerina, gomas,
leche y jugo de naranja.
•
Obtención de agua potable por evaporación de agua de mar.
Tipos de Evaporadores
Los principales tipos de evaporadores tubulares calentados con vapor de agua utilizados
actualmente son:
•
Evaporadores de tubos horizontales con vapor en el interior de los tubos y
circulación natural. Son los mas clásicos y utilizados en el pasado.
•
Evaporadores de tubos verticales cortos con vapor por el exterior de los tubos y
circulación natural. Son muy útiles para evaporaciones a gran escala.
•
Evaporadores de tubos largos verticales con vapor por el exterior de los
tubos y circulación natural. La velocidad de circulación y el caudal de calor
transmitido aumentan rápidamente alcanzándose coeficientes de transmisión de calor
elevados
•
Evaporadores de tubos verticales, horizontales o inclinados con vapor por el
exterior de los tubos y circulación forzada. La convección forzada incrementa el
coeficiente de transmisión de calor. Se utilizan en evaporaciones muy variadas.
•
Evaporadores de película ascendente o descendente. Por su alto coeficiente de
transmisión de calor están indicados para la evaporación de líquidos sensibles al calor
y de viscosidad elevada.
(a)
(b)
Fig. 1. Tipos de evaporadores: a) Evaporador de tubo vertical corto; b) Evaporador de tubo
vertical con cambiador de calor
Fuente: Martínez de la Cuesta, P. y Rus M., E. (2004)
(d)
(c)
Fig. 1. Tipos de evaporadores: c) Evaporador con circulación forzada y superficie de calentamiento
horizontal; d) Evaporador con sección de precalentamiento y película ascendente-descendente.
(Cont.)
Fuente: Martínez de la Cuesta, P. y Rus M., E. (2004)
Coeficiente de transmisión de calor, U
El coeficiente de transferencia de calor U en un evaporador esta constituido por:
¾ Coeficiente del lado del vapor que se condensa cuyo valor aproximado es 5700
W/m2.ºK (1000 Btu/h.pie2.ºF)
¾ Por la pared metálica, que tiene una conductividad térmica alta y casi siempre una
resistencia despreciable.
¾ Coeficiente de la película liquida.
El coeficiente global esta influenciado por el diseño y la forma de operación del evaporador.
Coeficiente de la película de vapor
El coeficiente de la película de vapor de agua es elevado, aun para la condensación en
película. La presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el coeficiente del
película del vapor.
Coeficiente de película del lado del liquido
En la mayoría de los evaporadores, especialmente en los que tratan materiales viscosos, la
resistencia del lado del liquido controla la velocidad global de transmisión de calor hacia el
liquido en ebullición.
Este coeficiente para soluciones diluidas, en los evaporadores de circulación natural, esta
comprendido entre 200 y 600 BTU/pie2.h.ºF
La condensación forzada conduce a coeficientes elevados del lado del liquido aun cuando la
ebullición dentro de los tubos es suprimida por la elevación de la carga estática y, puede
calcularse a partir de la ecuación:
2
hi ⎛ C P µ ⎞
⎜
⎟
CP G ⎝ k ⎠
3
⎛ µw ⎞
⎜⎜
⎟⎟
⎝ µ ⎠
0 ,14
=
0,028
(DG µ )0 ,2
En la practica se determina experimentalmente, se dispone de graficas que permiten
determinar el valor de este coeficiente para distintas condiciones de operación.
Tabla 1. Coeficientes típicos de transferencia de calor para diversos evaporadores*
(Fuente: Geankoplis, 1998)
U
Tipo de evaporador
W/m2.ºK
Btu/h.pie2.ºF
Tubo vertical corto, circulación natural
1100 - 2800
200 . 500
Tubo horizontal, circulación natural
1100 - 2800
200 – 500
Tubo vertical largo, circulación natural
1100 - 4000
200 – 700
Tubo vertical largo, circulación forzada
2300 - 11000
400 - 2000
680 - 2300
120 - 400
Película con agitación
* Por lo general, los líquidos no viscosos tienen los coeficientes mas altos y los líquidos viscosos, los mas
bajos en los intervalos dados
Superficie de evaporación.
Generalmente, este valor es fijo e independiente de las condiciones de operación en
evaporadores ya construidos.
Diferencia de temperaturas.
La diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el liquido hirviente es función de
los siguientes factores:
¾ Las condiciones del vapor de calefacción
¾ La presión de la cámara de evaporación
¾ La concentración de la disolución
¾ Altura de liquido sobre la superficie de calefacción
Condiciones del vapor de calefacción.
El vapor de calefacción en los procesos de evaporación no se encuentra a presión elevada.
Al ser mayor la presión ====> es mayor la temperatura de condensación
Aumenta el gradiente de temperatura entre la cámara de
condensación y la de ebullición y con ello la cantidad de
calor y el costo del equipo.
La entalpía del vapor a presión alta es mayor que a presión baja, su calor de condensación
disminuye al aumentar la presión, disminuyendo así la cantidad de calor suministrado por
kilo de vapor condensado
La mayor parte de los evaporadores trabajan con vapor entre 3,5 y 1,75 kg/cm2 ind.,
aunque también existen algunos que lo hacen con vapor entre 3,5 y 4,5 kg/cm2 ind.
Presión en la cámara de evaporación.
Al disminuir la presión en esta cámara disminuye la temperatura de ebullición y con ello
aumenta el gradiente de temperatura entre el vapor condensante y el liquido hirviente,
disminuyendo así la superficie de calefacción para las mismas condiciones de operación.
La cámara debe operar en vacío para aumentar la economía del proceso.
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.
En la practica para el calculo del incremento del punto de ebullición se hace uso del
Diagrama de Dϋhring.
Efecto de la carga de liquido y de la fricción sobre la diferencia de temperatura
Se supone que alimentación entra en el evaporador a la temperatura de ebullición del
liquido para la presión del espacio de vapor, T. A elevadas velocidades, el fluido permanece
prácticamente liquido hasta el final del tubo y en las ultimas pulgadas del mismo se escinde
en una mezcla de liquido y vapor. La máxima temperatura del liquido corresponde al punto
b’ en la Figura 2
Para bajas velocidades, la escisión del liquido se produce cerca del centro del tubo y
alcanza la máxima temperatura en el punto b de la Figura 2. El punto b divide el tubo en
dos secciones, una sección sin ebullición por debajo del punto b y una sección con
ebullición por encima de este punto.
Si el liquido tiene una elevación apreciable del punto de ebullición, la temperatura T es
mayor que T’, el punto de ebullición del agua pura a la presión del espacio de vapor. La
diferencia entre T y T’ es la elevación del punto de ebullición (IPE).
Fig. 2 Historia de la temperatura del liquido en los tubos y caídas de temperatura en un evaporador de tubos
verticales largos.
Fuente: McCabe-Smith-Harriott, 1998.
Funcionamiento de los evaporadores tubulares
Las principales características de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con
vapor de agua son la capacidad y la economía.
Capacidad: es el numero de libras de agua evaporada por hora
Economía: es el numero de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la
unidad
Consumo de vapor: capacidad/Economía = Libras de vapor vivo por hora
Capacidad de un evaporador
•
Si la alimentación que entra al evaporador esta a la temperatura de ebullición
correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor, todo el calor
transmitido a través de la superficie de calefacción es utilizado en la evaporación y la
capacidad es proporcional a q.
•
Si la alimentación esta fría, se requiere gran cantidad de calor para calentarla hasta
su temperatura de ebullición, y consecuentemente, se reduce la capacidad para un
valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para calentar la alimentación no esta
disponible para la evaporación.
•
Si la temperatura es superior a la de ebullición en el espacio de vapor, una parte de
la alimentación se evapora espontáneamente mediante equilibrio adiabático con la
presión del espacio de vapor y la capacidad es superior a la correspondiente q. Este
proceso se denomina Evaporación Flash.
Balance entálpico si el calor de dilución es despreciable.
Cuando los calores de disolución y cristalización son despreciables, la entalpía de la
alimentación y la disolución concentrada, hF y hL, pueden calcularse a partir de los calores
específicos, tomando una temperatura de referencia.
hF = Cp,F(TF – Tref)
El liquido concentrado y el vapor que sale de la cámara de evaporación están en equilibrio,
y si la disolución no tiene aumento apreciable en el punto de ebullición estarán ambos a la
misma temperatura TL. La entalpía del vapor que sale de la cámara de vapor, Hv, será igual
al calor latente de vaporización de la disolución a la temperatura TL.
El calor especifico de las disoluciones cuyo calor de mezcla es despreciable se puede
determinar, para una concentración x, si se conoce para otra concentración xo,
considerando que el calor especifico es función lineal de la concentración:
Cp = 1- (1 – Cpo)(x/xo)
Si la disolución tiene aumento apreciable en el punto de ebullición, el vapor procedente de
la disolución es vapor sobrecalentado y su entalpía será el calor latente a TL - IPE, mas el
aumento de entalpía debido al sobrecalentamiento.
Balance entálpico si el calor de dilución es apreciable.
En este caso la entalpía no varia linealmente con la concentración a temperatura constante,
y estas deben determinarse con la ayuda de datos tabulados o mediante diagramas de
entalpía – concentración.
Fig. 3. Diagrama de Dϋrhing para disoluciones acuosas NaOH – H2O
Fuente: Geankoplis, 1998
Ejemplo.
Para concentrar 5000 kg/h de una disolución acuosa de NaOH
desde el 10 % hasta 40 % en peso, se trata en una instalación
que consta de un evaporador simple, dos intercambiadores de
calor y un condensador de contacto directo. En uno de los
intercambiadores se calienta la disolución diluida a expensas
del condensado procedente de la cámara de calefacción del
evaporador; en el otro se enfría con agua la disolución
concentrada procedente de la cámara de evaporación.
El vapor vivo para la calefacción del evaporador, que es vapor
saturado a 3,2 atm de presión absoluta, sale como liquido de
la cámara de calefacción a la temperatura de condensación, y
del intercambiador a 40 ºC. En la cámara de evaporación se
mantiene un vacío de 200 mmHg (referido a 760 mmHg), y
del condensador de contacto directo el liquido sale a la
temperatura de condensación. La alimentación entra en el
intercambiador a 20 ºC, y la disolución concentrada sale del
intercambiador a 45 ºC. El agua de refrigeración de que se
dispone esta a 20 ºC y sale del intercambiador a 50 ºC.
Experimentalmente se ha determinado el coeficiente integral
de transmisión de calor para el evaporador, encontrando que
vale 1800 Kcal./m2.h.ºC. Determine: a) la temperatura de
ebullición de la disolución; b) la cantidad de vapor vivo
consumido; c) Superficie de calefacción del evaporador; d)
Cantidad de agua de enfriamiento necesaria; e) Superficie de
calefacción de cada uno de los intercambiadores.
Si los coeficientes integrales de transmisión de calor valen 500
y 300 Kcal./m2.h.ºC para el intercambiador que calienta la
disolución diluida y para el que enfría la concentrada,
funcionando ambos en contracorriente.
Características del liquido
™ Concentración.
A mayor concentración aumenta: la densidad y la viscosidad y la temperatura de
ebullición de la disolución
™ Formación de espuma.
Especialmente las sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Una
espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un
importante arrastre.
™ Sensibilidad a la temperatura.
Se necesitan técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del liquido como el
tiempo de calentamiento.
™ Formación de costras.
El coeficiente global de transmisión de calor disminuye progresivamente hasta que se
hace necesario interrumpir la operación y limpiar los tubos.
™ Materiales de construcción
Generalmente se construyen con algún tipo de acero. En casos especiales se utilizan
materiales tales como cobre, níquel, acero inoxidable, grafito y plomo. A fin de
minimizar los costos del equipo deben obtenerse elevadas velocidades de transmisión
de calor .
Fig. 4. Diagrama Entalpía – composición para el sistema NaOH – H2O. Estado de referencia,
agua liquida a 0 ºC
Fuente: Geankoplis, 1998.
Método de calculo para un evaporador simple.
V1
F, xF
We
Pcamara
V1 + We
TF
L1
x1
TL1
Vo
To , P o
Vo
Balance de materia global:
F + Vo = V1 + L1 + Vo
(1)
Balance de materia del componente menos volátil: F.xF = L1.xL1
(2)
Balance de Energía: Vo.HVo + F.hF = V1.HV1 + L1.hL1 + Vo.hVo
(3)
Transmisión de calor: q = Vo.(HVo – hVo) = U.A.△T
(4)
Solución:
V1
F, xF = 0,1
Pcamara
TF = 20 ºC
560
mmHg
Vo
Balance de materia global:
V1 + W
L1
Vo
Vo
TVo = 40 ºC
xL1 = 0,4
F = V1 + L1 ====>
Balance de materia en soluto:
W
5000 kg/h = V1 + L1
F.xF = L1.xL1 ====>
L1 = 1250 kg/h
V1 = 3750 kg/h
5000 (0,10) = L1(0,40)
Fig. 2. Disposición del rehervidor de circulación forzada
TIPOS DE REHERVIDORES
Fig.1. Disposición del rehervidor de circulación natural
Fig. 3 Rehervidor
vertical
Fig. 2. Disposición del rehervidor de
circulación forzada
de termosifón
TIPOS DE REHERVIDORES (Cont.)
Fig.4. Rehervidor de termosifón horizontal
Fig. 5 Disposición del rehervidor de marmita
GUIA RAPIDA DE SELECCIÓN DEL REHERVIDOR
De Termosifón
De paso continuo (1)
Horizontal
De Circulación
forzada (5)
De Marmita (6)
De recirculación
Vertical
Horizontal (2)
Con
desviador (4)
Sin
desviador
Vertical (3)
Con
desviador (4)
Sin
desviador
¾ Cuando la disolución concentrada es muy viscosa, el sistema de alimentación mas
adecuado el la alimentación en contracorriente, para contrarrestar en parte, el
aumento de la viscosidad con la concentración.
¾ En la alimentación directa, la disolución mas concentrada se encuentra en el efecto
de menor temperatura, alcanzando una viscosidad para la cual el coeficiente de
transferencia de calor desciende notablemente.
¾ La alimentación mixta se utiliza cuando la solución es intermedia: la disolución diluida
entra al segundo efecto y sigue el sentido de la alimentación directa, pasando
después desde el ultimo efecto al primero para completar la evaporación a
temperatura elevada.
¾ Si la temperatura de entrada es inferior a la de ebullición del primer efecto: debe
alimentarse en corriente indirecta o contracorriente ya que la temperatura de
ebullición en el ultimo efecto es menor, la disolución recibe menos calor sensible y la
perdida de evaporación no afecta el resto de los efectos.
¾ Si la temperatura de entrada es superior a la de ebullición del ultimo efecto: es mas
conveniente la alimentación directa