OPERACIONES UNITARIAS II. Iván Ochoa Salmerón

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1 Universidad Autónoma De Chihuahua Facultad De Ciencias Químicas OPERACIONES UNITARIAS II Evaporación Iván Ochoa Salmerón Grupo 7E Noel Bejarano Cristóbal Gibrán Mejía Terrazas Aldo Estalí Pizano López Adriana Ramirez Cantú Isis Fonseca Villalpando

2 Evaporación INTRODUCCION La evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. La evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido -a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales. Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha. TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACION 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. Los principales tipos de evaporación tubulares calentados con vapor de agua se utilizan actualmente son: 1.- Evaporadores de tubos largos verticales a) Flujo ascendente b) Flujo descendente c) circulación forzada 2.- Evaporadores de películas agitadas Evaporadores con un paso y de circulación En la operación con un paso, el líquido de alimentación pasa de una vez a través de os tubos, libera el vapor y sale de la unidad como solución concentrada (o licor espeso). Toda la evaporación tiene lugar en un solo paso. Los evaporadores de película agitada operan siempre con un solo paso; los evaporadores de película ascendente y de película descendente pueden también operar en esta forma. Los evaporadores con un solo paso son especialmente útiles para materiales sensibles al calor. Al operar a vacio elevado, es posible mantener baja la temperatura del líquido. Con un solo paso rápido a través de los tubos, la solución concentrada está a la temperatura de evaporación, pero solamente durante y en corto periodo, y puede enfriarse rápidamente en cuanto sale del evaporador. En los evaporadores de circulación se mantiene una masa de líquido dentro del equipo. La alimentación que entra se mezcla con la masa global de líquido y después pasa a través de los tubos. El líquido no evaporado descarga de los tubos, retorna al equipo, de forma que en cada paso solamente ocurre una parte de la evaporación total.

3 Los evaporadores de circulación no son muy adecuados para concentrar líquidos sensibles al calor. Con un vacío razonable bueno, la temperatura de la masa global de líquido puede no ser destructiva, pero el líquido esta repetidamente expuesto al contacto con los tubos calientes. El calentamiento prolongado de incluso una pequeña parte de material sensible al calor, tal como un producto alimenticio, es capaz de estropear todo el producto. Sin embargo estos pueden operar en un amplio intervalo de concentración entre la alimentación y el licor concentrado utilizando una sola unidad Evaporadores de tubos largos con flujo ascendente Las partes esenciales son un intercambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la coraza y el líquido que se desea concentrar en el interior de los tubos, un separador o espacio de vapor para separar el líquido arrastrado por el vapor, cuando opera como una unidad de circulación, existe un brazo de recirculación para el líquido desde el separador hasta el fondo de intercambiador, existen entradas para el líquido de alimentación y el vapor de calentamiento, y salida para el vapor, la solución concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de calentamiento. La solución concentrada es retirada por el fondo del calentador; el resto de la solución es parcialmente vaporizada conforme sube a través de los tubos. Los evaporadores de tubos largos verticales son especialmente efectivos para concentrar líquidos que tienden a formar espuma. La espuma se rompe cuando la mezcla de líquido y vapor de alta velocidad choca contra las paredes deflectoras de la carga de vapor Evaporadoras de película descendente La concentración de materiales altamente sensibles al calor, tales como el jugo de naranja, requieren un tiempo mínimo de exposición a una superficie caliente, esto se consigue con evaporadores de película descendente de un solo paso, en los que el líquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentador con vapor de agua, como una película y sale por el fondo. Los tubos son largos de 50 a 255mm de diámetro. El vapor procedente del líquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el líquido y sale por el fondo de la unidad. El principal problema es la distribución uniforme del líquido como en forma de película dentro de los tubos. Esto se consigue mediante una serie de placas metálicas perforadas situadas sobre u na placa tubular cuidadosamente nivelada, por medio de inserciones en los extremos de los tubos que generen un flujo uniforme en cada tubo. Para una buena transferencia de calor, el número de Reynolds de la película descendente ha de ser superior a Los evaporadores de película descendente, sin recirculación y con tiempos de residencia cortos, tratan productos sensibles que no pueden concentrarse de otra formal. Se adaptan bien para la concentración de líquidos viscosos Evaporador de película agitada La principal resistencia a la transferencia de calor global desde el vapor de agua que condensa hasta el líquido que hierve en un evaporador reside del lado del líquido. Una forma de reducir la resistencia es por la agitación mecánica de la película liquida. La principal ventaja de un evaporador de película agitada es su capacidad para conseguir elevadas velocidades de transferencia de calor con líquidos viscosos. El producto llega a tener una viscosidad tan elevada como 1000 P a la temperatura de evaporación.

4 Este evaporador es en particular efectivo con materiales viscosos sensibles al calor tales como gelatina, látex de caucho, antibióticos y jugos de frutas. Sus desventajas son el costo elevado; las partes internas móviles que requieren un mantenimiento considerable; y la baja capacidad de cada unidad FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES TUBULARES Las principales características de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de kilogramos de agua vaporizada por hora. La económica es el número de kilogramos vaporizados por kilogramo de vapor de calentamiento que entra en la unidad Capacidad de un evaporador La velocidad de transferencia de calor q a través de la superficie de calentamiento de un evaporador, de acuerdo con la definición del coeficiente global de transferencia de calor, es el producto de tres factores: el área A de la superficie de transferencia de calor, el coeficiente global de transferencia de calor U, y la caída global de temperatura T, o q = UA T si la alimentación está a la temperatura de ebullición correspondiente a la presión absoluta en el espacio de vapor, todo el calor transferido a través de la superficie de calentamiento es utilizado en la evaporación y la capacidad es proporcional a q. si esta fría, el calor que requiere para calentarla a la temperatura de ebullición tal vez será considerable, reduciendo la capacidad para un valor dado de q. si la alimentación está a temperatura superior a la ebullición, una parte se evapora en forma espontánea y la capacidad será superior a la correspondiente a q. este proceso recibe el nombre de evaporación instantánea La caída de temperatura depende de la solución que se evapora, de la diferencia de presión entre la cámara de vapor y el espacio de vapor situado encima del líquido en ebullición, así como de la altura del líquido sobre la superficie de calentamiento. Elevacion del punto de ebullición y regla de Duhring La presión de vapor de la mayor parte de las soluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. En consecuencia, para una presión dada, la temperatura de ebullición de las soluciones es mayor que el del agua pura. El aumento del punto de ebullición sobre el del agua se conoce como elevación del punto de ebullición BPE, boiling point elevation de la solución. El BPE debe restarse de la caída de temperatura que se predice a partir de las tablas del vapor de agua.

5 Para soluciones concentradas, el BPE se obtiene mejor a partir de la regla de Duhring, en la cual según la temperatura de ebullición de una determinada solución es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión, obteniendo una línea recta al graficarse. Para amplios intervalos de presión la regla no es exacta Efecto de la carga de líquido y de la fricción sobre la caída de temperatura Si la altura de líquido en un evaporador es apreciable, el punto de ebullición correspondiente a la presión en el espacio de vapor es el punto de ebullición solo de la capa superficial del líquido. Una masa de líquido situada a una distancia Zm o ft por debajo de la superficie está sometida a la presión del espacio de vapor más una carga de Zm o ft del líquido, por consiguiente, tiene un punto de ebullición más elevado. Además cuando la velocidad del líquido es grande, la perdida por fricción e n los tubos aumenta todavía más la presión promedio del équido. No es posible estimar la producción desde el punto de vista cuantitativo con precisión, pero el efecto cualitativo de la carga de líquido, especialmente con niveles elevados de licor y altas velocidades de líquido debe ignorarse. Tanto para altas como para bajas velocidades, el vapor y el líquido concentrado alcanzan el equilibrio para la presión existente en el espacio vapor. Si el líquido tiene una elevación apreciable del punto de ebullición (BPE), la temperatura T es mayor que T, el punto de ebullición del agua pura a la presión del espacio vapor. La diferencia entre T y T es el BPE. La caída de temperatura, corregida para BPE, es Ts T. la verdadera caída de temperatura, corregida para tener en cuenta la elevación del punto de ebullición y la carga estática, está representada por la distancia promedio entre Ts y la temperatura variable del liquido Cambios de presión Cuando la velocidad dentro de un tubo es tal que comienza la ebullición dentro del mismo, el líquido en la sección de no ebullición del tubo se mueve lentamente y la caída de presión por fricción es pequeña. Sin embargo, en la sección de ebullición, la mezcla de vapor y líquido tiene una lata velocidad, y la perdida de fricción es grande. Entonces la presión en el tubo cae lentamente en la parte más baja de los tubos Coeficientes de trasferencia de calor El flujo de calor y la capacidad del evaporador son afectadas por cambios en la caída de temperatura y en el coeficiente global de la transferencia de calor. La caída de temperatura está fijada por las propiedades del vapor de agua y del líquido que hierve y, excepto por lo que respecta a la carga hidrostática, no depende d el a construcción del evaporador. Por otra parte, el coeficiente global está fuertemente afectado por el diseño y la forma de operación del evaporador

6 Coeficiente de película de vapor El coeficiente de calentamiento es elevado, aun para la condensación de película. A veces se adicionan promotores al vapor para provocar la condensación de gotas y aumentar todavía más el coeficiente. Es preciso tomar precauciones para purgar los gases no condensables de la cámara de vapor y prevenir la fuga de aire presente cuando el vapor está a una presión inferior a la atmosférica Coeficientes del lado líquido Depende en gran medida de la velocidad del líquido sobre la superficie de calentamiento. En la mayoría de los evaporadores, y especialmente en los que tratan materiales viscosos, la resistencia del lado líquido controla la velocidad global de la transferencia de calor hacia el líquido en ebullición. La circulación forzada conduce a coeficientes elevados, aun cuando la ebullición dentro de los tubos es suprimida por la elevada carga estática Coeficientes globales Debido a la dificultad de medir los elevados coeficientes de película individuales en un evaporador, por lo general los resultados experimentales se expresan en función de los coeficientes globales. Estos están basados en la caída neta de temperatura corregida para tener en cuenta le elevación del punto de ebullición. El coeficiente global está, por supuesto, influido por los mismos factores que los coeficientes individuales; por, si una resistencia es lo que controla, variaciones importantes de las demás resistencias apenas tendrían efecto sobre el coeficiente global Economía de un evaporador Mediante un diseño adecuado, la entalpia de vaporización del vapor de calentamiento que entra en el primer efecto se utiliza una o más veces dependiendo del número de efectos. También se ve afectada por la temperatura de alimentación. Si es inferior a la de ebullición, para la carga de calentamiento utiliza una parte de la entalpia de vaporización del vapor y solo una parte queda disponible para le evaporación; si la alimentación está a una temperatura superior, la vaporización súbita que se produce contribuye a generar una evaporación adicional a la producida por la entalpia. Balances de entalpia para evaporador de simple efecto En un evaporador de simple efecto, el calor latente de condensación del vapor es transferido a través de una superficie de calentamiento para vaporizar agua de una solución en ebullición, se necesitan dos balances de entalpia, uno para el vapor de agua y otro para el lado del líquido. En un evaporador de simple efecto. La velocidad del flujo del vapor y del condensado es m s, la de la solución diluida o alimentación es m f, la del líquido concentrado es m. La velocidad de flujo de vapor hacia el condensador, suponiendo que no precipitan solidos de licor, es m f - m. por otra parte, Ts es la temperatura de condensación del vapor de agua, T la

7 temperatura de ebullición del líquido en el evaporador, y Tf la temperatura de la alimentación. La diferencia entre la entalpia de vapor de agua y la del condensado es simplemente ʎ s, el calor latente de condensación del vapor de agua. El balance de entalpia para el lado del vapor es: q s = m s (H s H c ) = m s ʎ s Balances de entalpia con calor de dilución despreciable Para disoluciones cuyos calores de disolución son despreciables, los balances de entalpia para un evaporador de simple efecto se calculan a partir de los calores específicos y las temperaturas de las soluciones. La velocidad de trasferencia de calor q del lado del licor incluye q f, el calor transferido hacia la solución diluida necesario para variar su temperatura T f hasta la temperatura de ebullición T, y q v, calor necesario para realizar la evaporación, esto es, q = q f + q v Si el calor especifico de la solución diluida se supone constante para el intervalo de temperatura comprendido entre T f y T, entonces Por otra parte q f = m f c pf (T T f ) q v = (m f m) ʎ s Si la elevación del punto de ebullición de la solución concentrada es despreciable, ʎ v = ʎ, el calor latente de vaporización del agua a la presión del espacio de vapor. Sin embargo, en la práctica, casi siempre resulta suficiente exacto utilizar ʎ, que se obtiene directamente a partir de las tablas del vapor de agua. Se obtiene la ecuación final para el balance de entalpia en un evaporador de simple efecto cuando el calor de dilución es despreciable: q = m f c pf (T T f ) + (m f m) ʎ esta ecuación establece que el calor procedente del vapor de condensación se utiliza: 1) en vaporizar desde la solución 2) En calentar la alimentación hasta la temperatura de ebullición; si la alimentación entra a una temperatura superior a la de ebullición en el evaporador, una parte de la evaporación es instantánea

8 Balance de entalpia con calor de dilución apreciable; diagrama entalpiaconcentración Un diagrama de entalpia concentraciones, la entalpia, en Btu por libra o joules por gramo de solución, se grafica contra la concentración, en fracciones de masa o porcentaje de la conc4entracion a temperatura constante. Las isotermas de un diagrama entalpia concentración para un sistema sin calor de dilución son líneas rectas. Los diagramas de entalpia concentración puede construirse, para soluciones con calores de dilución despreciables, pero resultan innecesarios a la vista de la simplicidad del método de calor especifico. Evaporador de múltiple efecto En estos evaporadores las conexiones están hechas de tal forma que el vapor procedente de un efecto sirve como medio de calentamiento para el efecto siguiente. Un eyector de aire y un condensador establecen un vacío en el tercer efecto de la serie y retiran los no condensables del sistema. El primer efecto es aquel en el que se introduce el primer vapor de calentamiento y en el que la presión en el espacio vapor es la más elevada. El último efecto tiene la presión mínima en el espacio vapor. La diferencia de presión entre el primer vapor de calentamiento y el condensador se divide a lo largo de dos o más efectos. Cada efecto, por sí solo, actúa como un evaporador de un solo efecto y tiene una caída de temperatura correspondiente a la caída de presión. Todo lo que se ha dicho de un evaporador de un solo efecto es aplicable a cada uno de los efectos de un sistema de múltiple efecto. La numeración de los efectos es independiente del orden en el que las soluciones entren como alimentación; se numeran siempre en la dirección de disminución de presión. En la operación en estado estacionario, las velocidades de flujo y las velocidades de evaporación son tales que tanto el solvente como el soluto no se acumulan ni disminuyen en cada efecto. Todas las concentraciones internas, velocidades de flujo, presiones y temperaturas se mantienen automáticamente constantes durante la operación del proceso mismo. La superficie de calentamiento del primer efecto transmitirá por hora una cantidad de calor de acuerdo a la ecuación q 1 = A 1 U 1 T 1 Sin embargo, el calor transferido en el segundo efecto viene dado por la ecuación q 2 = A 2 U 2 T 2 ya que q 1 y q 2 prácticamente son iguales, se obtiene que A 1 U 1 T 1 = A 2 U 2 T 2 Puede emplearse, de forma que, aproximadamente A 1 U 1 T 1 = A 2 U 2 T 2 = A 3 U 3 T 3

9 En la práctica ordinaria las áreas de calentamiento de todos los efectos de un evaporador de múltiple efecto son iguales, lo cual conduce a una economía en la construcción. Por lo tanto, puesto que q 1 = q 2 = q 3, A 1 U 1 T 1 = A 2 U 2 T 2 = A 3 U 3 T 3 = q/a a partir de aquí se deduce que las caídas de temperatura en un evaporador de múltiple efecto son, de forma aproximada, inversamente proporcionales a los coeficientes de transferencia de calor Métodos de alimentación El método habitual de alimentar un evaporador de múltiple efecto consiste en introducir, mediante una bomba, la solución diluida en el primer efecto y hacerla circular después a través de los demás efectos. Este método recibe el nombre de alimentación directa. Requiere de una bomba para introducir la alimentación en el primer efecto, ya que con frecuencia este efecto está a una presión atmosférica. Otro método común es el de alimentación inversa, en el que la alimentación de la solución diluida se introduce en el último efecto y se bombea después a través de los efectos sucesivos hasta el primero. Este método requiere una bomba entre cada pareja de efectos, además de la bomba de solución concentrada, ya que el flujo tiene lugar en el sentido de presiones crecientes. Otro método es el de alimentación mixta, donde la solución diluida entra en un efecto intermedio, circula con la alimentación directa hasta el extremo final de la serie, y después se bombea hacia atrás a los primero efectos para conseguir la concentración final. En los evaporadores con cristalización, donde se retira una suspensión de cristal y licor madre, la alimentación se introduce directamente en cada efecto para dar lugar a lo que se llama alimentación paralela. Capacidad y economía de evaporadores de múltiple efecto El aumento de economía mediante la evaporación de múltiple efecto se consigue a costa de una capacidad reducida. En general, la capacidad total de un evaporador de múltiple efecto no es superior a la de uno de simple efecto que tiene igual superficie de calentamiento en cada uno de los efectos y opera con las mismas condiciones extremas. Cuando la elevación del punto de ebullición es despreciable, el T efectivo global es igual a la suma de los T, y la cantidad de agua evaporada por unidad de área de superficie es aproximadamente igual a (1/N) enésimo. Si se desprecian la carga de calentamiento y el calor de dilución, el calor transferido viene dado por las ecuaciones q 1 = A 1 U 1 T 1 q 2 = A 2 U 2 T 2 q 2 = A 2 U 2 T 2

10 La capacidad total es proporciona a la velocidad de la transferencia de calor q T, que se obtiene a partir de las ecuaciones: q T = q 1+ q 2+ q 3 = A 1 U 1 T 1 + A 2 U 2 T 2 + A 3 U 3 T 3 Suponiendo que el área Am 2 y que el coeficiente global U es además el mismo en cada efecto, entonces: q T = UA ( T 1 + T 2 + T 3 ) = UA T Si el coeficiente global es el mismo en cada efecto, la velocidad de transferencia de calor en un solo efecto será: q T = UA T la elevación del punto de ebullición tiende a que la capacidad de un evaporador de múltiple efecto sea menor que la del correspondiente a un solo efecto Efecto de la carga de líquido y de la elevación del punto de ebullición La carga de líquido y la elevación del punto de ebullición influyen sobre la capacidad de una evaporadora de múltiple efecto todavía más que en el caso de un solo efecto. La carga de líquido reduce la caída de temperatura en cada efecto como en la elevación del punto de ebullición En casos extremos de un gran número de efectos o elevaciones del punto de ebullición muy altos, la suma de las elevaciones del punto de ebullición en un evaporador propuesto podría ser mayor que la caída total de temperatura disponible. Sería preciso revisar las condiciones de operación del evaporador para reducir el número de efectos o aumentar la caida total de temperatura. La economía de un evaporador de efecto múltiple no se ve influida por las elevaciones del punto de ebullición si se desprecian factores menores. Como la temperatura de alimentación y variaciones de los calores de vaporización. La economía depende de consideraciones de balance de calor y no de la velocidad de transferencia de calor. La capacidad, se reduce a causa de la elevación del punto de ebullición. La capacidad de un evaporador de doble efecto es generalmente menor que la mitad de la capacidad de dos efectos simples que operan con la misma caída global de temperatura. La capacidad un triple efecto también es por lo general menor que un tercio que tres efecto simples con las mismas temperaturas extremas.

11 Numero óptimo de efectos El costo de cada efecto, es una función de su área total y disminuyen con el área, tendiendo a un valor asintótico par agrandes instalaciones. La inversión necesaria para un evaporador de N efectos es aproximadamente N veces la de un evaporador de simple efecto de la misma capacidad. El numero optimo se obtiene de un balance económico teniendo en cuenta el ahorro de vapor de calentamiento y la inversión adicional que se requiere. RECOMPRESION DEL VAPOR La energía del vapor formado en la ebullición de una solución puede utilizarse para vaporizar más agua siempre que exista una caída de temperatura en la dirección deseada para la transferencia de calor. La fuerza impulsora deseada también se puede obtener aumentando la presión (y, por lo tanto, la temperatura de condensación) del vapor formado, utilizando una recompresión mecánica o térmica. Este se condensa después en la cámara de vapor de elevación. Recompresión mecánica La alimentación fría se precalienta hasta una temperatura próxima a la de la ebullición mediante intercambio de calor con la solución concentrada y se bombea a través de un calentador como en el caso de un evaporador convencional de circulación forzada. El vapor formado no se condensa directamente sino que se comprime hasta una presión algo más elevada, transformándose así en vapor de calentamiento que entra como alimentación en el calentador. Puesto que la temperatura de saturación es superior a la de ebullición de alimentación, el calor fluye desde el vapor hacia la solución generando más vapor. La economía basada en el vapor de calentamiento equivale al poder de energía que se requiere para accionar el compresor es el correspondiente a un evaporador de 10 a 15 efectos. Sus aplicaciones son la producción de agua destilada a partir de agua salada, evaporación de licor negro en la industria del papel, evaporación de materiales sensibles al calor como los juegos de fruta, y la cristalización de sales. Recompresión térmica En un sistema de recompresion térmica, el vapor se comprime utilizando vapor de alta presión en un eyector de chorro dando lugar a mas vapor de calentamiento del que se requiere, de forma que el exceso de vapor se purga o se condensa. La relación entre el vapor de calentamiento y el vapor procedente de la solución depende de la presión de evaporación. Como los chorros de vapor pueden manejar grandes volúmenes de vapor de baja densidad, la recompresion térmica resulta más adecuada que la recompresion mecánica para la evaporación al vacío. Los eyectores son más baratos y de fácil mantenimiento que los compresores y los sopladores,

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