UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

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1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS OPERACIONES UNITARIAS II PROYECTO 1: EVAPORACIÓN TITULAR DE LA MATERIA: Dr. IVAN SALMERON OCHOA ALUMNOS: Luis Jiménez Brenda Rodríguez Ríos Iván Peña

2 EVAPORACIÓN: La operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua (solvente) de una solución acuosa. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil (disolución concentrada) y un disolvente volátil, eliminado por medio de vapor una parte del disolvente (agua) formado por la ebullición. Ejemplos. Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. FACTORES DE PROCESO. En la evaporación influye mucho las propiedades físicas y químicas (características) de la solución que se esta 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. 1. Concentración del líquido. Por lo general, la alimentación líquida a un evaporador es bastante diluida teniendo propiedades similares al del agua. Con forme avanza evaporación la solución se concentra, su viscosidad y densidad se eleva notablemente. La disolución se transforma en saturada o resulta inadecuada para una transmisión de calor adecuada. Se requiere entonces mecanismos que permitan la circulación adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado. 2. Solubilidad. A medida que se evapora una solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Al enfriar a temperatura ambiente una solución concentrada caliente que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalización. 3. Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, en especial los alimentos y otros materiales biológicos, se dañan cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y del tiempo. En la concentración de estos materiales se necesitan técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento. 4. Formación de espumas. Algunos materiales, especialmente sustancias orgánicas, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material. En casos extremos toda la masa de líquido puede salir con el vapor y perderse. 5. Formación de costras (inclaustraciones) y materiales de construcción. Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefacción. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. Provocan que el coeficiente global disminuya

3 progresivamente hasta que es preciso interrumpir la operación y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difícil y costosa. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión. 6. Presión y temperatura. La elevación del punto de ebullición de una sustancia esta en función de la presión y concentración. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termo sensible suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vacío. TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN. La evaporación consiste en la adición de calor a una solución, 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. El tipo de equipo usado depende de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios para lograr la circulación del líquido. Tipos de evaporadores. Principales tipos de evaporadores tubulares calentados con vapor de agua actualmente usados: 1. Marmita abierta o artesa. Es la forma más simple de un evaporador en la cual 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. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el líquido. 2. tubos horizontales con circulación natural. Similar a un intercambiador de calor, el vapor de agua entra a los tubos, se condensa y sale por el otro extremo. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida y sale por la parte superior. Es relativamente económico, se utiliza para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y líquidos que no formen costras. La circulación del líquido no es muy buena, poco adecuados para materiales viscosos. Operan con alimentación a velocidad constante y salida a velocidad constante. 3. tubos verticales con circulación natural. El líquido esta dentro de los tubos, 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. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. Inútil con líquidos viscosos. 4. Evaporador vertical de tubos largos. El coeficiente de transferencia de calor del vapor es más alto que el líquido que se evapora. Es mas prudente contar con velocidades altas para el líquido. El líquido esta en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto facilitando velocidades muy altas. El líquido pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto son breves. 5. caída de película. Variación del modelo anterior, el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. La separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentración de materiales sensibles al calor y coeficiente de transferencia de calor alto. 6. circulación forzada. Por medio de bombeo se provoca una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Se conecta una bomba una entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Los tubos suelen ser más cortos que los tubos largos, se emplea un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.

4 7. película agitada. Para aumentar el coeficiente de transferencia de calor, se requiere la agitación mecánica de la película liquida. Se efectúa en un evaporador de caída de película modificado, usando un solo tubo grande que contiene un agitador interno. El líquido penetra por la parte superior del tubo, la solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior. Es práctico para materiales muy viscosos sensibles al calor, pues el coeficiente de transferencia de calor es mayor que en de circulación forzada. Tiene costo alto y capacidad baja. 8. Evaporador solar de artesa abierta. Proceso muy antiguo donde 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 DE EVAPORADORES. 1. efecto simple o una sola etapa. Este método es el mas sencillo como su nombre lo indica sucede en una sola etapa. La mezcla acuosa entra como alimentación, en los tubos de intercambio de calor entra vapor de agua y sale un condensado ya que la mezcla y el vapor (separados por los tubos) llegan a un equilibrio en sus temperaturas. El vapor generado se libera en forma condensada. 2. efecto múltiple con alimentación hacia adelante. Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante energía, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto múltiple. La alimentación del primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto. El segundo efecto se emplea como medio de calentamiento del tercer efecto y así sucesivamente. El resultado es un aumento de la economía de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado. Este aumento de la economía del vapor de agua en un evaporador de efecto múltiple se logra a expensas de mayor inversión en el equipo. Las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto al igual la presión. 3. efecto múltiple con alimentación en retroceso. La alimentación entra al último efecto, que es el más frío, y 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. Es útil cuando el producto concentrado es bastante viscoso. Las altas temperaturas de los primeros efectos reducen la viscosidad. 4. 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 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. 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. La capacidad se define como el número de libras de agua evaporada por hora. La economía es el número de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la unidad. Coeficientes totales de transferencia de calor en evaporadores:

5 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 es igual al producto de tres factores: el área A de la superficie de transmisión de calor, el coeficiente global de transmisión de calor U, y la caída global de temperatura, o sea: 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 W/m 2 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 líquida, que por lo general se forma en el interior de los tubos. Elevación del punto de ebullición de las disoluciones y regla de Dühring. En soluciones concentradas de solutos disueltos no es posible predecir la elevación del punto de ebullición debido a la presencia del soluto. Sin embargo, se puede usar una ley empírica muy útil conocida como regla de Dühring. Se obtiene una línea recta cuando se grafica el punto de ebullición de una solución en función del punto de ebullición del agua pura a la misma presión para determinada concentración a diferentes presiones. La carga de líquido y la elevación del punto de ebullición influyen sobre la capacidad de un evaporador de múltiple efecto todavía más que en el caso de un solo efecto. CONDENSADORES PARA EVAPORADORES Los vapores del último efecto de los evaporadores de efecto múltiple salen al vacío, esto es, a presiones inferiores a la atmosférica. Estos vapores deben condensarse y descargarse como líquido a presión atmosférica. Esto se logra al condensar los vapores usando agua de enfriamiento. Condensadores de superficie. Se emplean cuando no se desea que se mezclen el condensado y el agua de enfriamiento donde el vapor por condensar y el líquido de enfriamiento están separados por una pared metálica. La corriente de vapor casi siempre contiene gases no condensables. Éstos pueden ser aire, CO 2, N 2 y otros gases. Condensadores de contacto directo. El agua de enfriamiento se pone en contacto directo con el vapor para condensarlo, se mezclan directamente. Los gases no condensables pueden eliminarse del condensador con una bomba de vacío mecánica o un eyector de chorro de vapor de agua. EVAPORACIÓN DE MATERIALES BIOLÓGICOS Los materiales biológicos suelen ser muy sensibles al calor y contienen partículas muy finas suspendidas en solución. Debido a los problemas de crecimiento bacteriano, el equipo debe diseñarse de manera que pueda limpiarse con facilidad. El grado de degradación de los materiales biológicos durante la evaporación esta en función de la temperatura y del tiempo de procesamiento. Para mantener la temperatura baja, la evaporación debe hacerse al vacío, lo que reduce el punto de ebullición de la disolución. Para que el tiempo de contacto sea corto, el equipo debe tener un tiempo bajo de contacto del material que se está evaporando. Jugos de frutas. Los jugos de frutas son sensibles al calor y su viscosidad aumenta al concentrar la solución. La materia sólida en suspensión en los jugos de frutas

6 tiende a adherirse a la superficie de calentamiento, causando sobrecalentamientos que conducen a carbonizaciones y deterioro del material. Para reducir la adhesión y disminuir el tiempo de residencia, se necesitan velocidades de circulación altas en la superficie de transferencia de calor. Como el material es sensible al calor, se requiere una temperatura de operación baja. Una planta de jugos de frutas concentrados casi siempre usa un evaporador de efecto simple en lugar de unidades múltiples. También se emplea vacío para reducir la temperatura de evaporación. Soluciones de azúcar. El azúcar tiende a formar caramelo cuando se mantiene a temperaturas altas durante largos periodos. La tendencia general consiste en usar evaporadores de circulación natural de tubos cortos. Licores de desperdicio de la pulpa del papel. En la fabricación de pulpa de papel con el proceso de sulfato, los trozos de madera se 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. EVAPORACION MEDIANTE RECOMPRESIÓN DE VAPOR. Existe una diferencia de temperatura creada para que el vapor de un efecto se condense en el efecto siguiente y haga hervir el líquido para formar vapor. En el evaporador de re-compresión 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 re-compresión de vapor son la de tipo mecánico y la de tipo térmico. Evaporador mecánico de re-compresión 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. Algunas aplicaciones comunes de las unidades mecánicas de re-compresión de vapor son la evaporación del agua de mar para obtener agua destilada, la evaporación de materiales sensibles al calor, como los jugos de frutas y la cristalización de sales que tienen curvas de solubilidad inversas, en las que la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura. Los evaporadores de película descendente son muy adecuados para los sistemas de re-compresión de vapor, dado que operan con valores bajos de diferencia de temperatura y tienen muy poco líquido del arrastre que pueda causar problemas en el compresor. Evaporador térmico de re-compresión de vapor. Un chorro de vapor también se puede usar para comprimir el vapor en una unidad térmica de re-compresión 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

7 más durables que los compresores mecánicos y manejan con más facilidad grandes volúmenes de vapor a baja presión. Mapa Conceptual. Evaporación Operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua (solvente) de una solución acuosa Factores de Proceso Tipos de Evaporadores Métodos de Operación Condensadores Ev. De Materiales Biológicos Recompresión de vapor Concentración del líquido. Solubilidad Sensibilidad térmica de los materiales Formación de espumas Formación de costras (inclaustraciones) y materiales de construcción. Presión y temperatura. Marmita abierta o artesa tubos horizontales con circulación natural tubos verticales con circulación natural Evaporador vertical de tubos largos caída de película efecto simple o una sola etapa. efecto múltiple con alimentación hacia adelante. efecto múltiple con alimentación en retroceso. efecto múltiple con alimentación en paralelo Condensadores de superficie. Condensadores de contacto directo. Jugos de frutas Soluciones de azúcar. Licores de desperdicio de la pulpa del papel. Mecánico Térmico película agitada Evaporador solar