UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

Transcripción

1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS OPERACIONES UNITARIAS II EVAPORACIÓN TITULAR: Dr. IVAN OCHOA SALMERON ALUMNAS: SARA MARGARITA SALAS MORALES MAYLEM ZILENY RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ YESSENIA GUADALUPE RAMÍREZ VIZCARRA

2 EVAPORACIÓN El objetivo de la evaporación es concentrar una solución consistente en un soluto no volátil y un solvente volátil. La evaporación se realiza vaporizando una parte del solvente para producir una solución concentrada de licor espeso. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. Factores de proceso: Concentración del líquido: Por lo general, la alimentación a un evaporados es bastante por lo que su viscosidad es similar a la del agua y opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. Solubilidad: A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución Sensibilidad térmica de los materiales: Muchos productos, en especial los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado. Formación de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material. Presión y temperatura. El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Igualmente al aumentar la concentración del soluto se requiere de mayor temperatura para alcanzar la ebullición. Formación de incrustaciones y materiales de construcción. Algunas soluciones depositan materiales sólidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES 1. Marmita abierta o artesa. 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. pero el desperdicio de calor es excesivo. 2. Evaporador de tubos horizontales con circulación natural. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior.

3 3. Evaporador vertical con circulación natural. se usan tubos verticales y el líquido esta dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el líquido se eleva en los tubos por circulación natural y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. 4. Evaporador vertical de tubos largos. el líquido esta en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el líquido pasa por los tubos una sola vez y no se re circula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo. 5. Evaporador de caída de película. el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Por lo general, la separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentración de materiales sensibles al calor. 6. Evaporador de circulación forzada. se emplea el modelo de tubos verticales largos teniendo una tubería conectada a una bomba entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los tubos largos. 7. Evaporador de película agitada. Se lleva a cabo en un evaporador de caída de película modificado, usando un solo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador interno. El líquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de película turbulenta por la acción de aspas de agitación vertical. La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior. 8. Evaporador solar de artesa abierta. El agua salina se introduce en artesas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta que cristalice. MÉTODOS DE OPERACIÓN PARA EVAPORADORES. 1. Evaporadores de efecto simple. La alimentación entra a TF K y en la sección de intercambio de calor entra vapor saturado a Ts. El vapor condensado sale en forma de pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador está completamente mezclada, el producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura Ts, que corresponde al punto de ebullición de la solución. 2. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia adelante. El primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto. Nuevamente, en el segundo efecto se evapora casi 1 kg de agua, que se emplea como medio de calentamiento del tercer efecto. De manera aproximada, en un evaporador de efecto triple se evaporan 3 kg de agua por kilogramo de vapor de agua usado. Por consiguiente, el resultado es un aumento de la economía de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado. 3. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en retroceso. La alimentación entra al último efecto, que es el más frío, continua hacia atrás hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Es necesario usar bombas en cada efecto, pues el flujo va de baja a alta presión. 4. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en paralelo. Implica la adición de alimentación nueva y la extracción de producto concentrado en cada uno de los efectos. El vapor de

4 cada efecto se usa para calentar el siguiente. Este método de operación se utiliza principalmente cuando la alimentación está casi saturada y el producto son cristales sólidos Coeficientes totales de transferencia de calor en evaporadores: El coeficiente total de transferencia de calor U un evaporador está constituido por el coeficiente del lado del vapor que se condensa, cuyo valor aproximado es de 5700 Wh2 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 líquida, que por lo general se forma en el interior de los tubos. Al aumentar la velocidad de circulación del líquido en los tubos, la formación de incrustaciones se reduce notablemente ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN 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. Las concentraciones de las soluciones son bastante altas por lo cual los valores de capacidad calorífica y punto de ebullición son muy distintos de los del agua. CONDENSADORES PARA EVAPORADORES El condensador puede ser de superficie, donde el vapor por condensar y el líquido de enfriamiento están separados por una pared metálica, o de contacto directo, donde el vapor y el líquido de enfriamiento se mezclan directamente. Existen dos tipos de condensadores de superficie y de contacto directo. Condensadores de superficie: Son condensadores de tubos y coraza con vapor en la coraza y agua de enfriamiento en los tubos con flujo de pasos múltiples. La corriente de vapor casi siempre contiene gases no condensables. Éstos pueden ser aire, CO 2, N 2 y otros gases Si el vapor que se condensa está por debajo de la presión atmosférica, el líquido condensado que sale del condensador de superficie puede extraerse bombeando y los gases no condensables con una bomba de vacío Condensadores de contacto directo: El agua de enfriamiento se pone en contacto directo con el vapor para condensarlo. El vapor entra al condensador y se condensa al elevarse contra una cortina de gotas de agua de enfriamiento. El condensador se sitúa en la parte superior de un tubo largo de descarga. Está a una altura suficiente por encima del punto de descarga del tubo como para que la columna de agua en el interior de éste compense de manera sobrada la diferencia de presión entre la presión absoluta baja en el condensador y la atmósfera. De esta manera, el agua se descarga por gravedad a través de un recipiente de sellado en el extremo inferior. Se usa una altura aproximada de 10.4 m EVAPORACION DE MATERIALES BIOLÓGICOS Los materiales biológicos como los productos farmacéuticos, la leche, los jugos cítricos y los extractos vegetales, suelen ser muy sensibles al calor y con frecuencia contienen partículas muy finas suspendidas en solución. Además, y debido a los problemas de crecimiento bacteriano, el equipo debe diseñarse de tal manera que pueda limpiarse con facilidad. Para mantener la temperatura baja, la evaporación debe hacerse al vacío, lo que reduce el punto de ebullición de la disolución. Entre los equipos más usados para este tipo de materiales se encuentran: Evaporación vertical de tubos largos, evaporador de caída de película, evaporador de película agitada y evaporador de ciclo con bomba de calor.

5 Jugos de fruta: Los jugos de frutas son sensibles al calor y su viscosidad aumenta notablemente al concentrar la solución. Además, la materia sólida en suspensión en los jugos de frutas tiende a adherirse a la superficie de calentamiento, causando sobrecalentamientos que conducen a carbonizaciones y deterioro del material por lo que se requieren velocidades de circulación altas en la superficie de transferencia de calor. Como el material es sensible al calor, también se requiere una temperatura de operación baja. Soluciones de azúcar: La tendencia general consiste en usar evaporadores de circulación natural de tubos cortos. La alimentación se precalienta con el vapor de agua sobrante del evaporador y en el sistema más típico, se introduce a uno de seis efectos con alimentación hacia adelante. Licores de de desperdicio de la pulpa de papel: En la fabricación de pulpa de papel con el proceso de sulfato, los trozos de madera se digieren o cocinan y después de lavar la pulpa, queda un licor negro. Esta solución que, contiene principalmente carbonato de sodio y compuestos orgánicos de azufre, se concentra en un sistema de seis efectos EVAPORACIÓN MEDIANTE RECOMPRESIÓN DE VAPOR En el evaporador de recompresión de vapor de un solo efecto el vapor se comprime hasta que aumenta su temperatura de condensación o de saturación. Este vapor comprimido se devuelve al calentador de la caja de vapor y se condensa, de modo que el vapor se forma en el evaporador. De esta manera, el calor latente del vapor se utiliza y no se desperdicia. Los dos tipos de unidades de recompresión de vapor son la de tipo mecánico y la de tipo térmico. Evaporador mecánico de recompresión de vapor. Se utiliza un evaporador convencional de un solo efecto La alimentación fría se precalienta por intercambio con el producto líquido caliente.de la salida y luego fluye hacia la unidad. El vapor que se eleva no va hacia un condensador, sino que se envía a un compresor centrífugo o de desplazamiento positivo impulsado por un motor eléctrico o por vapor. Este vapor comprimido se envía de nuevo al intercambiador de calor o caja de vapor. El vapor comprimido se condensa a una mayor temperatura que el punto de ebullición del líquido caliente en el efecto, y se establece una diferencia de temperatura. De nuevo se genera vapor y el ciclo se repite. Evaporador térmico de recompresión de vapor. Un chorro de vapor también se puede usar para comprimir el vapor en una unidad térmica de recompresión de vapor. Las desventajas principales son la baja eficiencia del chorro de vapor, que hace necesaria la eliminación de este exceso de calor, y la poca flexibilidad a los cambios en las variables de proceso. Los chorros de vapor son más económicos y más durables que los compresores mecánicos y manejan con más facilidad grandes volúmenes de vapor a baja presión.

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