UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
OPERACIONES UNITARIAS II
INTEGRANTES: CARCHIPULLA DAYSI CASTAÑEDA KATHERINE GALÁRRAGA VALERIA OÑA MARIBEL
QUITO - ECUADOR 2014
INTRODUCCIÓN Es una de las principales operaciones unitarias y de gran aplicación industrial es la evaporación. Es importante el conocimiento de todo lo que implica la evaporación ya que es un proceso de separación presente en las diferentes industrias químicas, alimenticias y demás, es por este motivo que debemos estar familiarizados con una diversidad de métodos de separación para de esta forma obtener diferentes soluciones y productos. En Ingeniería Química, la evaporación es una operación en la que se separa, mediante ebullición, un disolvente volátil de uno o varios solutos no volátiles, con los que se encuentra mezclado formando una disolución o suspensión. En la inmensa mayoría de las evaporaciones el disolvente es el agua. La evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra, por lo cual se debe hacer la correcta elección del tipo de evaporador tomando en cuenta el tipo de solución que se utilizara y características del mismo. EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS Figura 1: Evaporador Vertical de Tubos Largos
Fuente: GEANKOPLIS C., (1998), “Procesos de transporte y operaciones unitarias”, Editorial CECSA, Tercera edición, México, pp. 548. CARACTERISTICAS Pueden ser de flujo ascendente (película ascendente), de flujo descendente (película descendente), y de circulación forzada. Un solo pase o con recirculación. Consta de una cámara vertical provistas de cambiadores de calor tubulares verticalmente Como medio de calentamiento suele utilizarse vapor que se condensa en el interior de la cámara. El líquido esta en el interior de los tubos. Los tubos son típicamente de 1 a 2 pulg de diámetro y 12 a 32 pies de longitud, 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 recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo. En algunos casos, puede emplearse recirculación natural del producto a través del evaporador. CONDICIONES DE OPERACIÓN Se debe tener en cuenta que los evaporadores verticales de tubos largos, deben funcionar siempre a vacío parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación. La recirculación de parte del producto al evaporador es recomendable cuando la relación de alimentación a evaporación o de alimentación a superficie calefactora es baja. En caso de que la operación sea en múltiple efecto se debe tener un vacío sucesivo, es decir en la cámara de cada evaporador debe haber siempre menos presión que en el anterior, y en el primero de ellos siempre menos de la atmosférica. De no ser así la evaporación no tendría efecto. COMPONENTES Los componentes que básicamente están constituyendo al evaporador vertical de tubos largos son un intercambiador de carcasa y tubos calentados con vapor; tiene forma de un cilindro vertical en el cual se encuentra: Calefacción tubular.- está formada por haces de tubos dentro de los cuales circula el líquido, estos tubos son calentados por vapor de calefacción que entra a través del cinturón. El diámetro de éstos tubos son de 3 a 6 cm, y su longitud de 3 a 6 m. Deflector.- Se encuentra en la parte superior, y se encarga de separar del vapor la mayor parte de las partículas de líquido. Separador.- se encarga de que el vapor se separe de la fase líquida concentrada, la cual queda retenida y vuelve al tubo de salida del concentrado. Equipos Auxiliares: Algunos de los siguientes accesorios son indispensables para el funcionamiento de los evaporadores: Condensador.- se utiliza cuando un evaporador trabaja una presión inferior a la atmosférica, el procedimiento más eficaz es conectar a la cámara de evaporación una bomba de vacío, a través de un condensador enfriado por agua. Bomba de Vacío.- generalmente son de tipo reciprocante, su función es extraer los gases incondensables del condensador y descargarlos a la atmosfera. Bomba de Agua.- generalmente son bombas centrifugas, estas bombas deben ser seleccionadas de acuerdo al caudal de agua que tienen que manejar y el cabezal de presion existente en el sistema, su función es circular el liquido refrigerante (agua). VENTAJAS Mejora el coeficiente integral de transmisión de calor por aumento de la velocidad de circulación del líquido en los tubos. Bajos tiempos y volúmenes de residencia debido al aumento de velocidad del líquido en los tubos, es de gran utilidad para las sustancias que son sensibles al calor. Fácil incorporación de una limpieza química. Relativamente su costo es bajo. Alcanza una mayor evaporación a diferencia de los demás.
DESVENTAJAS Evaporadores de Película Ascendente y Descendente. La dificultad más frecuente es que tienen demasiada sensibilidad hacia el cambio en las condiciones operativas. Por lo general, no son apropiados para soluciones precipitantes o incrustantes. Bajos coeficientes de transferencia de calor en el tipo de evaporador de película ascendente, con diferencias bajas de temperatura. Algunas veces requieren recirculación. Mala distribución del material de alimentación a las unidades de película descendente. Para los evaporadores de película descendente la concentración que se puede alcanzar es limitada. El principal problema de un evaporador de película descendente es la distribución uniforme del líquido formando una película interior en los tubos. Evaporadores de circulación forzada Energía necesaria para la bomba de circulación. No compensa para líquidos poco viscosos porque la mejora que se obtiene no compensa los costes adicionales de bombeo con respecto a la circulación natural.
TIPOS DE SUSTANCIAS CON LAS CUALES PUEDE TRABAJAR Líquidos que tienden a formar espumas o natas, puesto que la espuma se rompe cuando la mezcla de vapor y líquido a elevada velocidad choca contra la placa deflectora. Con grandes cargas de evaporación. Líquidos moderadamente sensibles al calor. Líquidos con viscosidad elevada. Líquidos corrosivos Evaporador de película descendente Sin recirculación y con cortos tiempos de residencia se puede trabajar con sustancias termosensibles, (Ejemplos: zumos de frutas, plasma sanguíneo, vitaminas, etc.) Adecuados para fluidos limpios o que contienen pequeñas cantidades de sólidos y con tendencia entre baja y moderada a formar incrustaciones. Evaporador de película ascendente Con diferencias elevadas de temperatura. Evaporadores de circulación forzada Productos cristalinos. Soluciones salinas. APLICACIONES INDUSTRIALES DEL EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS Se emplean para soluciones que no separen sólidos (incrustaciones). Film descendente: industria alimenticia (productos termosensibles sabores--aromas), productos viscosos o en la elaboración de zumos de frutas, plasma sanguíneo, etc. Film ascendente: concentración NaOH (hasta 50%), licor negro (industria celulosa)
El evaporador Roberts tiene un tubo ancho de circulación en el centro del paquete de tubos de calefacción por el que concentra el flujo de retorno al fondo del paquete de tubos. El evaporador Roberts aun es ampliamente usado en la industria azucarera. Las plantas de evaporación son usadas como tecnologías de separación térmica para la concentración o separación de soluciones líquidas, suspensiones y emulsiones. Aplicación real Lácteos evaporadores de película descendente Este tipo de evaporador es deseable desde el punto de vista del producto, ya que ofrece un tiempo de retención corto. Además, la cantidad de producto en el evaporador se reduce y la superficie desde la que el evaporador tiene lugar se incrementa. La figura 2 muestra un diagrama de un evaporador de película descendente. Figura 2: Falling Film Recirculación del evaporador
El líquido a evaporar se distribuye uniformemente sobre la superficie interna de un tubo. El líquido fluirá hacia abajo formando una película delgada, de la que el punto de ebullición / evaporación se llevará a cabo por el calor aplicado por el vapor. El vapor de agua se condensará y fluir hacia abajo en la superficie exterior del tubo. Una serie de tubos se construyen juntos lado a lado. En cada extremo de los tubos se fijan a las placas de tubos, y, finalmente, el haz de tubos está rodeado por una chaqueta.
El vapor se introduce a través de la chaqueta. El espacio entre los tubos se está formando de este modo la sección de calentamiento. El lado interior de los tubos se llama la sección de ebullición. Juntos forman los llamados calandria. El líquido concentrado y el vapor dejan la calandria en la parte inferior, desde donde se descarga la proporción principal del líquido concentrado. La parte restante entra en el separador posterior tangencialmente junto con el
vapor. El concentrado separado se descarga (por lo general ser medios de la misma bomba como para la mayor parte del concentrado de la calandria), y el vapor sale del separador de la parte superior. El vapor de calentamiento, que se condensa en la superficie exterior de los tubos, se recogen como condensado en la parte inferior de la sección de calentamiento, desde donde se descarga por medio de una bomba. Puesto que la leche, debido al contenido de proteína, es un producto sensible al calor, la evaporación (es decir, punto de ebullición) a 100 °C causa una desnaturalización de estas proteínas en un grado tal que el producto final se considera apta para el consumo. Por consiguiente, la sección de punto de ebullición es operado bajo vacío, lo que significa que el punto de ebullición / evaporación se lleva a cabo a una temperatura inferior a la correspondiente a la presión atmosférica normal. El vacío es creado por una bomba de vacío antes de la puesta en marcha del evaporador y es mantenido por condensación del vapor por medio de agua de refrigeración. Una bomba de vacío o similar se utiliza para evacuar los gases no condensables de la leche. A 100 ° C, la entalpía de evaporación del agua es 539 Kcal/kg y a 60 ºC es 564 Kcal/kg. Como la leche tiene que ser calentado a partir de por ejemplo 6 °C hasta el punto de ebullición, y como energía, aprox. 20 Kcal / kg, se requiere para mantener un vacío que corresponde a un punto de ebullición de 60 °C, obtenemos las siguientes cifras de consumo de energía, siempre que calculamos la pérdida de calor a ser del 2%: La T de ebullición
°C
100
60
Calefacción
Kcal/kg
94
54
Evaporación
Kcal/kg
539
564
Vacío
Kcal/kg
_
20
Net Consumo de Energía
Kcal/ kg
633
638
La pérdida de calor, aprox.
Kcal/ kg
15
15
Consumo total de energía
Kcal/ kg
648
653
BIBLIOGRAFÍA MCCABE W., SMITH J., HARRIOTT P., (1998), “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Editorial McGraw-Hill, Cuarta edición, España. GEANKOPLIS C., (1998), “Procesos de transporte y operaciones unitarias”, Editorial CECSA, Tercera edición, México. http://www.gea-wiegand.com/cmsresources.nsf/P03es Evaporation_Technology2013.pdf http://www.cib.espol.edu.ec/Digipath/D_Tesis_PDF/D-2533.pdf
