TEMA 10.- EVAPORACIÓN CONTENIDOS DEL TEMA

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1 TEMA 10.- EVAPORACIÓN CONTENIDOS DEL TEMA 10.1 Evaporación 10.2 Evaporadores de múltiple efecto 10.3 Incremento útil de temperatura y Economía del vapor 10.4 Mejora del rendimiento de un evaporador 10.5 Selección del tipo de evaporador

2 TEMA 10.- EVAPORACIÓN OBJETIVO GLOBAL La finalidad principal de este tema es conocer la operación de evaporación, Operación Básica de Ingeniería Química para la concentración de disoluciones por ebullición o para la recuperación de sólidos, así como los tipos de evaporadores más habituales en la industria, y aprender a dimensionar evaporadores y resolver problemas reales en una etapa de concentración de un proceso. EJEMPLOS SIGNIFICATIVOS Concentración de disoluciones de sacarosa, NaCl

3 OBJETIVOS PARCIALES 1. Realizar balances de materia y energía a un evaporador 2. Dimensionar térmicamente un evaporador a. Proponer las condiciones más adecuadas de operación (T y P) en un evaporador b. Evaluar el calor transferido en un efecto c. Evaluar la economía del vapor en un evaporador d. Evaluar el incremento útil de temperatura e. Proponer acciones para mejorar la eficacia en evaporación i. Simple efecto o multiefecto ii. Recompresión del vapor iii. Bomba de calor 3. Conocer las distintas configuraciones de evaporadores más frecuentes en la industria química 4. Seleccionar el tipo de evaporador adecuado para una determinada aplicación

4 10.1 Evaporador W F T S Cámara condensación Cámara ebullición q T E C Variables: W = W C F C E x F, x C % peso Evaporación Suministro de q para vaporizar el disolvente TQ a líquidos en ebullición C. Ebullición (mezcla completa: T y x C uniformes) W C

5 Ecuaciones: Balances de Materia en cámara de ebullición : F = E + C Fx F = Cx C Balance Entálpico al evaporador Fh F + WH W = Ch C + EH E +Wh W Transmisión de calor q = W(H W h W ) = UA(T S T)

6 Especificaciones habituales Alimentación: F, x F y T F Vapor vivo: T S (P S ) Tipo de cambiador: U Datos adicionales Equilibrio Propiedades Coligativas disoluciones (Dependen de la concentración molal (mol soluto/ kg disolvente), relacionadas con la disminución de la presión de vapor respecto al disolvente puro: descenso crioscópico, presión osmótica y Ascenso Ebulloscópico: T = f(p, x) Entalpías de las corrientes

7 Relaciones de equilibrio Ascenso ebulloscópico e = T-Tº Disoluciones diluidas/ ideales Ley de Raoult P v = P s + P D = x s P* S + x D P* D Solutos sólidos P* S 0 Ec. específica aumento ebulloscópico: e = K e c m ; K e (agua) = (ºC kg/mol) Correlaciones gráficas basadas en la regla de Dühring T eb disolución = f lineal (T eb agua, %peso)

8 Correlaciones gráficas basadas en la regla de Dühring Teb disolución = f(teb agua, %peso)

9 Entalpías de las corrientes (origen 0ºC) Vapor de calefacción y condensado H W : vapor saturado H W = C p,l (T s 0) + H v h W : líquido saturado h W = C p,l (T s 0) Vapor generado (sobrecalentado por aumento ebulloscópico) o HE = Hsat + Cpvapor dt Valores tabulados para agua y disolventes comunes T T º Entalpías de disoluciones: h F, y h C T F h F = Cp dt Si q dis = 0 h F = T q ref dis + C P ( TF Tref ) En gráficas

10 Isotermas DIAGRAMA ENTALPÍA- CONCENTRACIÓN DEL SISTEMA NaOH H 2 O

11 10.2 Evaporador de múltiple efecto Mejora el rendimiento evaporador / economía del vapor Alimentación en paralelo o directa (Forward Feed) Evaporador/ Efecto

12 Alimentación en paralelo o directa (Forward Feed) F E 1 E 2 E 3 Sistema de vacío T 1 T S C 1 Tº 1 T 2 C 2 Tº 2 T 3 C 3 W C1 E 1C E 2C T 1 º > T 2 T 1 T 1 > T 1 º T 2 <T 1 P 2 < P 1 T S P 1 T n Tºn-1 Si n (Número de efectos) HACER VACÍO x F P n x n

13 Balances Evaporador Corrientes Paralelas B. Materia Disolución: C n-1 = C n + E n Soluto: C n-1 x Cn-1 = C n x Cn si n = 1 C n-1 = F X Cn-1 = X F B. Entalpía a cada efecto: E n-1 H En-1 + C n-1 h Cn-1 = E n H En + C n h Cn + E n-1 h En-1 si n = 1 E n-1 = W Ec. Transferencia de calor Q n =U n A n (Tº n-1 T n )

14 Alimentación en contracorriente o inversa (Backward Feed)

15 Alimentación en contracorriente o inversa (Backward Feed) E 1 E 2 E 3 W F T 1 T 2 T 3 T S C 2 Tº 1 Tº 2 C 1 C 3 W C1 E 1C T 1 E 2C Necesidad de bombeo de concentrado T S P 1 T n Tºn-1 P n x F x n F, C n

16 Paralelo. Ventajas gran utilización del vapor la presión se distribuye el mismo vacío hace que fluyan los concentrados. Inconvenientes la transmisión de calor está dificultada por: Xc & T µ U Contracorriente. Ventajas mejora la transmisión de calor, se compensa el gradiente de temperatura al aumentar la concentración. Inconvenientes hay que colocar bombas para que fluya el concentrado

17 Otras configuraciones - Alimentación mixta: Tratamiento de disoluciones muy viscosas al aumentar la concentración. Optimización Energética (reducción del número de bombas) - Alimentación múltiple en paralelo: alimentaciones muy concentradas y producto con formación de cristales Ej. Concentración de disoluciones de sales (sal común)

18 La elección del sistema de alimentación depende: Coste de operación vs Coste inmovilizado Utilización de la mayor cantidad posible de vapor Influencia de T F : TF C. directa TF C. contracorriente Gasto de bombeo: mayor en C. contracorriente Obtener U elevados S pequeñas: C. contracorriente

19 10.3 Incremento útil de temperatura F E SIMPLE EFECTO W T útil = T S T 1 = T S Tº 1 - e 1 Ts q T C W C T útil = (T S T 1 ) + (Tº 1 T 2 ) = T S Tº 2 - e 1 - e 2 DOBLE EFEC. T útil = T S Tº n - i= 1 e i n- EFECTOS si n ( T útil ) Nº Finito máximo de efectos Q = U S ( T útil )

20 Economía del vapor F E e = n i= 1 E W i W q W C C Para calefacción con vapor de agua y agua = disolvente a evaporar E W E e = 1 Simple efecto W W E 1... E n e nmúltiple efecto (N-efectos) Si n ( T útil ) S Coste inmóvil. e Coste operación

21 10.4 Mejora del rendimiento de un evaporador 1. Evaporadores de múltiple efecto 2. Recompresión del vapor generado 3. Bomba de calor (Evaporación a baja temperatura)

22 Recompresión del vapor E hasta P S (W) A. Compresor mecánico Unidades medias-pequeñas: E Compresores rotativos (lóbulos) B. Eyector con vapor vivo Unidades medianas-grandes: E = f (disponibilidad de vapor P v ) Eficacia elevada (R): R 80% f (condiciones operación específicas) Equipos Robustos, no tienen partes móviles

23 B. Recompresión mediante Eyector de Chorro de vapor Vapor vivo V (P V ) Evaporado E (P) W (Ps) Cámara de condensación P E W E Ln +1 = R Ln ( PV P) ( P P) S P s V/ E P v

24 Bomba de calor E G, P, T F C G L P T (15-60ºC) Evapora F E (condensado) L, P, T L G P Condensa E Evapora a Bajas Temperaturas (15-60ºC) Susts. Termolábiles (Ej. Zumos) Circuito evaporación-concentración a vacío, generalmente Circuito cerrado de un fluido calo-portador a presión Volumen a tratar reducido equipo de compresión menor Ej. Ciclo de compresión/ descompresión de amoniaco a presión

25 10.5 Selección del tipo de evaporador Tipos de evaporadores Circulación natural: Tubos horizontales Tubos verticales y tubo central Tipo cesta Circulación forzada con bomba externa Película Descendente Película fina descendente Ascendente Placas

26 Factores que influyen en la elección del tipo de evaporador: Costes de inversión y funcionamiento. Intervalo de concentración final, disoluciones muy viscosas U bajos se utilizan tipos especiales de evaporadores. Tipo de disolución: Formación de costras: curvas de solubilidad inversa Importancia del incremento ebulloscópico: calidad vapor calefacción/ rendimiento del vapor Formación de cristales: posible importancia de tamaño y forma Inestabilidad térmica: descomposición producto, T máx 60ºC Formación de espumas: sistemas especiales de la separación de la fase vapor Corrosividad: Tendencia a la utilización de sistemas de 1 Efecto

27 Circulación Natural con Tubos horizontales (Rillieux) Son baratos Requieren poca altura Son de fácil instalación Adecuados a líquidos que no cristalicen Para líquidos no viscosos Buena transmisión de calor Medidas cuerpo diám 0,9x3,6 altura 2,4 x 3,9 m Tubos entre 22 y36 mm

28 Tubos verticales con tubo central. (Tipo Robert) Nivel del líquido por encima de los tubos Área del tubo central entre el 40% y 100% de la sección transversal de los tubos Tubos L entre 0,9 y 1,8 m d entre 37 y 75 mm L/di 20 y 40mm Aplicaciones ind azucarera, sal común Ind. química pesada: nitrato amónico, sosa cáustica

29 Evaporador tipo cesta Facilidad para retirar la unidad calefactora

30 Evaporadores de tubos cortos de calandria exterior

31 Evaporador de circulación forzada con bomba externa Sistema de calentamiento externo (ejemplo) Sistema de calentamiento interno Mejora la transmisión de calor, al aumentar u (2 y 5 m/s) Adecuado para líquidos disoluciones concentradas Líquidos viscosos Aumentan los costes de bombeo Aplicaciones Extractos de carne Sal común Sosa cáustica Colas Sustancias que formen espumas Centrifuga, si hay cristales Tipo paletas

32 Evaporador de película descendente Sistemas de distribución de la alimentación Estático Tubos de 38 a 50 mm (ø) y 3 a 15 m (L) Aplicaciones productos sensibles al calor Dinámico

33 Evaporador de película fina Sistema de paletas para conseguir una película fina que al agitarse favorece la transmisión de calor

34 Evaporador de placas Elevadas velocidades de transferencia de calor Baja retención de líquido, tr mínimo. Se puede variar con facilidad la capacidad de tratamiento al aumentar el número de placas Aplicaciones: materiales termosensibles, líquidos viscosos, elevada concentración de sólidos.

35 Circulación del fluido en un evaporador de placas Pequeña separación entre las placas, fluj. turb. Altos coeficientes de TC Puede llegar a 1.25 kg/s de agua evaporada

36 Equipos auxiliares Condensador barométrico Eyector de chorro de vapor

37 TEMA 10.- EVAPORACIÓN OBJETIVOS 1. Realizar balances de materia y energía a un evaporador 2. Dimensionar térmicamente un evaporador a. Proponer las condiciones más adecuadas de operación (T y P) en un evaporador b. Evaluar el calor transferido en un efecto c. Evaluar la economía del vapor en un evaporador d. Evaluar el incremento útil de temperatura e. Proponer acciones para mejorar la eficacia en evaporación i. Simple efecto o multiefecto ii. Recompresión del vapor iii. Bomba de calor 3. Conocer las distintas configuraciones de evaporadores más frecuentes en la industria química 4. Seleccionar el tipo de evaporador adecuado para una determinada aplicación