Instituto Politécnico Nacional
ESIQIE
Introducción a los Procesos de Separación Evaporadores de Simple Efecto Tipos de Evaporador
Profa.: Patricia Flores Sánche
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%$ EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO Evaporadores de efecto simple. En la figura siguiente se muestra un diagrama simplificado
del evaporador de una sola etapa o de efecto simple. La alimentación entra a T F 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 T 1 , que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura del vapor tambin es T 1 , pues esta en equilibrio con la solución en ebullición. La presión es P !, que es la presión de vapor de la solución a T 1.
"i se supone que la solución que se va a evaporar es bastante diluida y parecida al agua, ! #g de vapor de agua producirá apro$imadamente ! #g de vapor al condensarse. Esto ocurrirá siempre que la alimentación tenga una temperatura T F cercana al punto de ebullición. En el cálculo de la velocidad de transferencia de calor en un evaporador se emplea el concepto de un coeficiente total de transferencia de calor. "e establece entonces la ecuación
donde q es la velocidad de transferencia de calor en % &btu'h(, ) es el coeficiente total de transferencia de calor en %'m * + &btu'h . pie * . -(, / es el 0rea de transferencia de calor en m* &pie*(, Ts es la temperatura del vapor que se condensa en &-( y T 1 es el punto de ebullición del l1quido en &-(.
Los evaporadores de efecto simple se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña o el costo del vapor es relativamente barato comparado con el costo del evaporador. "in embargo, la operación de gran capacidad, al usar más de un efecto, reducirá de manera significativa los costos del vapor. Balance de calor y de materia para evaporadores La e$presión básica para determinar la capacidad de un evaporador de efecto simple es la ecuación que puede escribirse como q = UA ΔT
donde 23 &-( es la diferencia de temperatura entre el vapor de agua que se condensa y el l1quido a ebullición en el evaporador. Para resolver la ecuación &4.56l( es necesario determinar el valor de q en % &btu'h( llevando a cabo un balance de calor y materia en el evaporador de la figura inferior. La alimentación al evaporador es #g'h &7bm'h( con contenido de sólidos de fracción de masa 8 , temperatura 3 y entalp1a h 9'#g &btu'lbm(. La salida es de un l1quido concentrado L #g'h &lb m'h( con un contenido de sólidos $L una temperatura 3! y una entalp1a hL. El vapor : #g'h &lb,'h( se desprende como disolvente puro con un contenido de sólidos yv; <, temperatura 3 l y una entalp1a =v. La entrada de vapor de agua saturado " #g'h &7b m'h( tiene temperatura de 3s y entalp1a =s. "e supone que el vapor de agua condensado " #g'h sale a 3s, esto es, a la temperatura de saturación, y con entalp1a de hs Esto significa que el vapor de agua solo transfiere su calor latente >, que es
&Ecuación !( Puesto que el vapor : esta en equilibrio con el l1quido L, las temperaturas de ambos son iguales. /demás, !? presión P ! es la de vapor de saturación del l1quido de composición $ L a su punto de ebullición T 1 , &Esto supone que no hay elevación del punto de ebullición.( Para el balance de materia, y puesto que se trata de estado estacionario, la velocidad de entrada de masa ; velocidad de salida de masa. Entonces, para un balance total,
F=L+V
&Ecuación *(
Para un balance con respecto al soluto &sólidos( solamente, &Ecuación @(
Para el balance de calor, y puesto que calor total que entra ; calor t otal que sale, calor en la alimentación A calor en el vapor de agua ; calor en el l1quido concentrado A calor en el vapor A calor en el vapor de agua condensado
"e supone que no hay prdidas de calor por radiación o convección. "ustituyendo en Ba ecuación
&Ecuación 5(
"ustituyendo la ecuación ! en la ecuación 5
&Ecuación C( Entonces, el calor q transferido en el evaporador es
&Ecuación 0(
En la ecuación C el calor latente > del vapor de agua a la temperatura de saturación 3s se obtiene de las tablas de vapor de agua.. "in embargo, generalmente no se dispone de las entalp1as de la alimentación y de los productos. Los datos de entalpia y concentración sólo se tienen para algunas sustancias en disolución. Por tanto, se establecen algunas apro$imaciones para determinar el balance de calor, como sigueD
!. "e puede demostrar en forma apro$imada que el calor latente de evaporación de ! #g masa de agua de una solución acuosa se calcula con las tablas de vapor mediante la temperatura de la solución a ebullición 3! &temperatura de la superficie e$puesta( en lugar de la temperatura de equilibrio del agua pura a P !.
*. "i se conoce la capacidad calor1fica cp de Ba alimentación liquida y cp L del producto, estos valores son tiles para calcular las entalp1as. &"e desprecian los calores de dilución, que en la mayor1a de los casos se desconocen.(
Evaporadores de Circulación Forzada
Los evaporadores de circulación forzada son empleados si se desea evitar la evaporación del producto sobre la superficie de calentamiento debido a las caracter1sticas de ensuciamiento del producto o para evitar la cristalización. La velocidad de fluFo en los tubos debe ser alta y se requieren bombas de alta capacidad.
Evaporador de Circulación Naural
En un evaporador de circulación natural se distribuyen una serie de tubos verticales de longitudes muy variables &calandria de tubos( dentro de una carcasa por donde circula vapor &u otro fluido caloportador(. Guando se calienta el producto, la propia evaporación de ste hace que vaya subiendo por el interior de los tubos & evaporación sbita que arrastra el l1quido(, mientras que por el e$terior de los mismos condensa el vapor calefactor. "i el evaporador es de simple efecto o es el ltimo de una serie de evaporadores de mltiple efecto, el vapor generado por la ebullición del producto ha de retirarse necesariamente, siendo habitual un sistema de condensador y bomba de vac1o. Htras posibilidades como la termocompresión tienen aplicación en muchas industrias. El concentrado puede volver a
introducirse como alimentación en otro evaporador si se requiere mayor concentración, o e$traerlo del equipo como producto final.
TIPOS DE EVAPORADORES Evaporador de !"liple e#eco$
El evaporador denominado de mltiple efecto consiste realmente en un sistema con varios evaporadores o efectos interconectados. En el primero de ellos se utiliza vapor fresco como agente de calefacción, mientras que la corriente de vapor generada en el mismo se introduce como agente de calefacción, mientras que la corriente de vapor generada en el mismo se introduce como agente de calefacción en el segundo. / su vez, el vapor generado en el segundo efecto es el agente calefactor del tercero y as1 sucesivamente. "e utiliza en industria de bebidas no alcohólicas. Evaporador de riple e#eco$
)tiliza un sistema de circulación natural del calor y un sistema de evaporación por presión negativa, además es de alta velocidad de evaporación y produce una alta concentración, por eFemplo, recicla alcohol con una concentración de cerca de 4< grados. Estos se especializan por ser tiles para temperaturas de baFa concentración en materiales sensibles al calor. Puede ser usado para evaporar y concentrar l1quidos glucosa, almidón, glutamato mono sodico, lácteos, qu1micos, etc. Evaporador al vac%o$
La evaporación al vac1o consiste en reducir la presión del interior de la caldera del evaporador por debaFo de la presión atmosfrica. Esto permite reducir la temperatura de ebullición del l1quido a evaporar, lo que reduce la cantidad de calor a aportar'eliminar en el proceso de ebullición y de condensación, además de otras ventaFas tcnicas como la de poder destilar l1quidos con alto punto de ebullición, evitar la descomposición de sustancias sensibles a la temperatura, se utiliza enD I 7ndustria de alimentaciónD Famones y embutidos, salazones, conservas de pescado y marisco, piscifactor1as, pepinillos, aceitunas y otros encurtidos I 7ndustria qu1mica y farmacutica I 7ndustria curtido de piel I 7ndustria en generalD rechazo de ósmosis inversa I 7ndustria en generalD en fluidos de regeneración de descalcificadora Evaporador de placas$
Este ensamble de placas es semeFante a intercambiadores de calor de placas, pero son equipados con grandes espacios para el fluFo de vapor. En estas unidades una placa para producto y una placa para vapor son conectadas alternadamente. El espacio para el producto es diseñado para una distribución uniforme de l1quido sobre la superficie de la placa y una baFa ca1da de presión en la fase de vapor. Este tipo de evaporador es utilizado en la industria de los Fugos de frutas.
Evaporador &r!ico$
Este evaporador trmico esta equipado con un sistema de precalentamiento. Los materiales que tienen que ser precalentados hasta su punto de ebullición pueden se evaporador directamente en la caldera, por lo que se reduce el consumo de vapor. Los equipos de evaporación tambin tienen una bomba de calor. /dicionalmente, es innecesaria una segunda pasada por el vapor, por lo que el vapor restante puede ser rehusado eficientemente en otros tipos de calentado o pasteurizado. Es til para concentrar licor de ma1z en la industria de la producción de almidones, del azcar l1quido, de la leche e industria de los lácteos, en la industria del filtrado de alcohol, de la alimentación, de los producción de Fugos y zumos, de la fermentación de licores, de los sulfatos de amoniaco, as1 como de la concentración de agua sobrante en otros procesos. Evaporador de pel%cula descendene$
En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo, la cual ha sido normalmente precalentada a la temperatura de ebullición del primer efecto, mediante intercambiadores de calor adecuados al producto. "e produce una distribución homognea del producto dentro de los tubos en la parte superior del evaporador, generando una pel1cula descendente de iguales caracter1sticas en la totalidad de los tubos. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente moFabilidad de los tubos trae apareFado posibles sitios en donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a baFos rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos. Jentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que esta siendo concentrado, permanece en 1ntimo contacto con el vapor que se genera. "e utiliza en la industria de los aditivos y en la industria de los lácteos. Evaporador de pel%cula ascendene$
En estos tipos de evaporadores la alimentación se produce por la parte inferior del equipo y la misma asciende por los tubos. El principio teórico que tienen estos evaporadores se asimila al Kefecto sifónK, ya que cuando la alimentación se pone en contacto con los tubos calientes, comienza a producirse la evaporación, en donde el vapor se va generando paulatinamente hasta que el mismo, empieza a eFercer presión hacia los tubos, determinando de esta manera, una pel1cula ascendente. Esta presión, tambin genera una turbulencia en el producto que está siendo concentrado, lo que permite meFor la transferencia trmica, y por ende, la evaporación. En estos evaporadores e$iste alta diferencia de temperaturas entre la pared y el l1quido en ebullición. Gabe mencionar que la altura de los mismos es limitada, ya que la capacidad del vapor en arrastrar la pel1cula formada hacia la parte superior del equipo no es suficiente y determina la altura má$ima posible para el diseño.
