UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA” ÁREA DE TECNOLOGÍA DEPART DEPARTAMENTO AMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA MODALIDAD: ADI
Integrantes: Carlenis Chirino C.I: 20.213.614
Santa Ana de Coro, julio de 2013
EVAPORADORES: Son unidades encargadas de suministrar la energía necesaria en forma de calor latente para llevar el fluido a su condición de saturación y posterior vaporización. Esto con la finalidad de que el componente más volátil pueda ser retirado en forma de vapor, dejando como resultado una solución más concentrada. Se conoce como evaporador, si se evapora agua; como vaporizador, si se evapora un producto que no es agua como: alcohol, éter, gasolina. 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.
APLICACIÓN.
Son utilizados para la obtención de agua desmineralizada para calderas u otros procesos, en las industrias de alimentos y farmacología.
CLASIFICACIÓN DE EVAPORADORES a. Evaporadores de Plantas de Fuerza o Energía.
Son evaporadores que se utilizan en plantas de generación de potencia eléctrica para obtener agua desmineralizada aprovechando extracciones de vapor en turbinas. Las principales características son un elemento calefactor tubular, un espacio en el que las gotitas del Líquido que se arrastran debido al estallido de las burbujas pueden separarse, y un medio para remover la incrustación de la parte exterior de los tubos. tub os. Todos operan llenos de agua hasta la mitad, la mitad superior es el espacio en el cual las gotas de agua se separan del vapor y, asimismo, todos están equipados con separadores que regresan el líquido separado debajo del nivel de trabajo del evaporador.
2. Evaporadores Químicos. Son utilizados para concentrar productos mediante la evaporación del agua en el cual usan un fluido de proceso de calentamiento (vapor de agua) para poder evaporar el solvente de la solución, que también suele ser vapor de agua. De igual forma son equipos ampliamente utilizados en la ingeniería química cuyo objetivo principal consiste en concentrar soluciones de una sustancia de interés. Es bastante común encontrar procesos en los cuales se produzcan ácidos y bases en medio acuoso con una concentración mayor el 50% a partir de soluciones con una concentración 10 veces menor.
COMPONENTES PRINCIPALES DE EVAPORADORES
Ebullidor Tubular: Es donde ocurre el proceso de ebullición del agua o disolvente producto del calor transmitido por el vapor latente. Por lo general está constituido por un haz de tubos por donde circula la solución a concentrar y una carcasa por la cual circula el vapor latente.
Separador líquido-vapor: Es donde la mezcla líquido-vapor proveniente del ebullidor es separada, obteniendo el líquido concentrado y la fase de vapor. El separador fue diseñado para evitar el arrastre de líquido concentrado en la corriente de vapor.
Área de circulación del medio de calentamiento: vapor, electricidad, entre otros.
TIPOS DE EVAPORADORES
Evaporadores de Plantas de Energía Evaporadores para agua de reposición para caldera Reponen agua en las calderas. Este es, el proceso de evaporación de más volumen y usualmente se efectúa en un evaporador de simple efecto, aunque ocasionalmente puede usarse un evaporador de doble efecto, dependiendo de las características del ciclo de condensado en la planta de fuerza y la cantidad requerida de agua de compensación. No hay plantas de fuerza modernas que no incluyan este equipo.
Evaporadores para agua de proceso producción agua purificada Es agua desmineralizada que se usa en algunos procesos en la planta. Hay cierto número de industrias que requieren continuamente grandes cantidades de agua destilada. Este tipo de plantas emplea evaporadores de doble, triple o cuádruple efecto y recibe calor ya sea de una purga de la turbina o directamente de la caldera. La selección del número de efectos está
correlacionada con los cargos fijos y el costo del vapor de operación. Los evaporadores de múltiple efecto con alimentación paralela no necesitan tener todos los efectos operando simultáneamente, y puede ajustarse si la demanda de agua destilada varía.
Destiladores de salmuera Son utilizados para obtener agua desmineralizada a partir del agua de mar.
Este usa
sistemas de evaporación al vacío, la temperatura reducida favorece una baja velocidad de incrustación.
EVAPORADORES QUÍMICOS
Circulación Natural Se usan para requerimientos simples de evaporación. Se emplean unitariamente o en efecto múltiples.
Evaporador de tubos horizontales con circulación natural. El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. 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. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos.
Evaporador vertical con circulación natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido está 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. No es útil con líquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos.
Circulación forzada El coeficiente de transferencia de calor de la película líquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubos verticales largos añadiendo 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, Además, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.
Pueden ser: A. Evaporador de película descendente Una variación del modelo de tubos largos es el evaporador de caída de película, en el cual 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, como jugo
de naranja y otros zumos de frutas, debido a que el tiempo de retención es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de transferencia de calor es alto.
B. Evaporador de película ascendente. Son típicos los tubos de 1 a 2 pulgadas de diámetro y 3,5 a 10 metros de largo. Como consecuencia de la acción de ebullición el líquido y el vapor ascienden por el interior de los tubos, mientras que el líquido que se separa desciende por gravedad hasta el fondo de los tubos. La alimentación diluida, con frecuencia a temperaturas próximas al ambiente, se introduce en el sistema mezclándose con el líquido que retorna del separador.
La mezcla entra por el fondo de los tubos, en el exterior de los cuales condensa vapor de agua. Al comenzar la ebullición se forman burbujas en el líquido, dando lugar a un aumento de la velocidad lineal y de la velocidad de transmisión de calor. Los evaporadores de tubos largos son especialmente eficaces para concentrar líquidos que tienden a formar espuma, puesto que la espuma se rompe cuando la mezcla de vapor y líquido choca a elevada velocidad contra la placa deflectora.
DEFINICIÓN DE EFECTOS Evaporadores de un solo paso En la operación de un sólo paso, la alimentación pasa una sola vez a través de los tubos, desprende el vapor y sale como líquido concentrado. Son especialmente útiles para el tratamiento de materiales sensibles al calor pues operando a vacío elevado se puede mantener el líquido a baja temperatura durante poco tiempo de contacto. También se adaptan muy bien a la operación de múltiple efecto.
Evaporadores de efecto múltiple Está compuesto por varios evaporadores de efecto simple, donde la alimentación es suministrada a un primer evaporador y el concentrado que sale de este alimenta a su vez a otro, lo cual ocurre sucesivamente.
La solución concentrada que sale de un evaporador de circulación se retira del líquido contenido en el aparato, que está a la concentración máxima.
Como el líquido que entra a los tubos contiene varias partes del concentrado por cada parte de alimentación, su concentración, densidad, temperatura de ebullición son aproximadamente las correspondientes a la concentración máxima. Por esta razón el coeficiente de transmisión de calor tiende a ser bajo.
Pueden operar en un amplio intervalo de concentraciones, comprendidas entre las de la alimentación y el líquido concentrado sola unidad, y se adaptan muy bien a la evaporación de efecto simple en operar tanto con circulación natural (se debe a las diferencias de densidad) como con circulación forzada (circulación del líquido mediante una bomba).
Su modo de circulación puede ser adaptado por medio de varios mecanismos a evaporadores de efecto múltiple con: alimentación hacia delante, alimentación hacia atrás y alimentación en paralelo.
Tipo de alimentación La alimentación a los evaporadores de más de un efecto puede ser
Directa.
Inversa.
Mixta.
Paralela.
a. Alimentación Directa. Consiste en introducir mediante una bomba la dilución diluida en el primer efecto y hacerla circular después a través de los demás efectos, sin bombas, puesto que el flujo es en el sentido de presiones decrecientes, y todo lo que se requiere es válvulas de control en las líneas de unión. Es el modelo de flujo de líquido más sencillo. La concentración de la solución aumenta desde el primer efecto hasta el último, del cual es extraída por una bomba.
b. Alimentación Inversa. En esta la solución diluida se alimenta en el último efecto y se bombea hasta los sucesivos efectos hasta el primero, esta requiere una bomba entre cada pareja de efectos además de bomba para extraer la solución concentrada, ya que el flujo es en sentido de presiones crecientes. La alimentación inversa conduce con frecuencia a una mayor capacidad que la alimentación directa cuando la disolución viscosa, pero puede producir menor economía cuando la alimentación esta fría.
c. Alimentación Mixta. En este tipo la solución diluida es alimentada en un efecto intermedio, circula con alimentación directa hasta el extremo de la serie, y después se bombea hacia atrás a los primeros efectos para conseguir la concentración final. Esta forma permite eliminar alguna de las bombas que se requieren en la inversa y permite realizar la evaporación final a temperaturas más elevadas.
d. Alimentación Paralela. La solución diluida es alimentada directamente en cada efecto, no hay transporte de líquido entre los efectos. Se utiliza en los evaporadores que presentan cristalización y donde se retiran suspensiones de cristales y aguas madres.
SECADORES Son equipos utilizados para separar un líquido de un sólido mediante la evaporación. Principalmente es utilizado para reducir o eliminar humedad. En estos equipos la fuente de calor es una corriente de gas aliente. El secado de solidos consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro liquido de un material solido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valor aceptable bajo. El secado es habitualmente la etapa final de una serie de operaciones y con frecuencia, el producto que se extrae de un secador para empaquetado.
CLASIFICACIÓN DE LOS SECADORES:
Secadores directos: El contacto directo entre los gases calientes y los sólidos se aprovechan para calentar estos últimos y separar el vapor. Las temperaturas de secado varían hasta 1.000k, que es la temperatura limitante para casi todos los metales estructurales de uso común. A mayores temperaturas, la radiación se convierte en un mecanismo de transmisión de calor de suma importancia. Para secados a temperaturas bajas y cuando las humedades atmosféricas son excesivamente elevadas, quizá sea necesario deshumidificar el aire de secado. Un secador directo consume más combustible por libra de agua evaporada cuanto más bajo sea el contenido final de humedad. La eficiencia mejora al aumentar la temperatura del gas de entrada, para una temperatura de salida constante. Debido a las cantidades grandes de gas que se necesitan para proporciones todo el calor de secado, el equipo de recuperación de polvo puede ser muy grande y costoso cuando se trata de secar partículas muy pequeñas.
Este se divide en:
Secadores directos continuos: En donde la operación es continua, sin interrupciones, en tanto suministre alimentación húmeda.
Tipos de secadores directos continuos:
Secadores continuos de bandeja: Tales como los de bandeja metálicas continuas, de bandeja vibratorias que emplean gases calientes, los turbo secadores verticales.
Secadores rotatorios: El material se transporta y rocía dentro de un cilindro rotatorio por el que circulan gases calientes.
Secadores continuos de material dosificado en una capa: Se hace pasar por el secador una capa o lamina continua de materia, ya sea como festones o en una lámina tensa y distendida sobre un marco con clavijas.
Secadores por aspersión: La alimentación del secador debe poderse atomizar, ya sea mediante un disco centrifugo o una boquilla.
Secadores de circulación directa: El material se mantiene en un tamiz de transporte continuo, mientras se sopla aire caliente a través de él.
Secadores de túnel: El material colocado en carretillas de desplaza a través de un túnel en contacto con gases calientes.
Lechos de fluidos: Los sólidos se fluidizan en un tanque estacionario. También pueden tener superficies de calor indirecto.
Secadores directos discontinuos: Los secadores se diseñan para operar con un tamaño específico de carga de alimentación húmeda, para ciclos de tiempos dados. En los secadores discontinuos, las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían continuamente en cualquier punto de equipo.
Tipos de secadores directos discontinuos.
Secadores discontinuos de circulación directa: El material se coloca en bandejas con base tamiz a través de las cuales se impulsa el aire caliente.
Secadores de bandejas y compartimentos: El material se coloca en bandejas que pueden o no montarse en vagones eliminables. El aire se impulsa sobre el material contenido en las bandejas.
Lechos de fluidos: Los sólidos se fluidizan en un carro de reposo sobre el cual va montado un filtro de polvo.
SECADORES INDIRECTOS: Difieren de los directos en la transmisión de calor y la separación del vapor: El calor transfiere al material húmedo por conducción a través de una pared de retención de sólidos, casi siempre metálica. Las temperaturas de superficie pueden variar desde niveles inferiores al de congelación en el caso de secadores de congelación, hasta mayores de 800k en el caso de secadores indirectos calentados por medio de productos de combustión. Los secadores indirectos que utilizan fluidos de condensación como medio de calentamiento son en general económicos, desde el punto de vista de consumo de calor, ya que suministran calor solo de acuerdo con la demanda hecha por el material que se está secando. La recuperación de polvos y materiales finamente pulverizados se maneja de una manera más satisfactoria en los secadores indirectos que los directos.
Tipos de secadores indirectos continuos:
Secadores de cilindro para hojas continúas: Como papel, celofán, piezas textiles. Por lo general, los cilindros se calientan con vapor y rotan.
Secadores de tambor: Esto se pueden calentar con vapor o agua caliente.
Secadores de transportador de tornillo: Aunque estos equipos son continuos pueden funcionar al vacío. También es posible recuperar disolventes durante el secado.
Secadores rotatorios de tubería de vapor: Se puede utilizar vapor o agua caliente. Es posible operar con una ligera presión negativa para permitir la recuperación del disolvente durante el secado, si así se desea.
Secadores de bandeja vibratorios: El calentamiento se logra con vapor o agua caliente
Secadores indirectos discontinuos: Se adaptan muy bien a operaciones al vacío. Se subdividen en agitado y no agitados.
Tipos de secadores indirectos discontinuos.
Secadores con agitación: Estos pueden operar atmosféricamente o al vacío, y manejan una producción de casi cualquier forma de solidos húmidos, es decir, líquidos, lechadas, pastas o solidos granulares.
Secadores por congelación: El material se congela antes de secarse. A continuación se efectúa el secado a este estado, ha elevado vacío.
Secadores rotatorios al vacío: El material se agita bajo una cubierta horizontal y estacionaria. No siempre es necesario aplicar vacío. El agitador se puede calentar con vapor además de hacer lo mismo con la cubierta.
Secadores de bandejas al vacío: El calentamiento se hace por contacto con parrillas calentadas con vapor y agua caliente, sobre las cuales se coloca el material. No interviene la agitación.
SECADORES DIVERSOS: Los secadores infrarrojos dependen de la transferencia de en ergía radiante para evaporar la humedad. La energía radiante se suministra eléctricamente por medio de lámparas infrarrojas, resistencias eléctricas o refractarios incandescentes calentados por gas. Este último método ofrece la ventaja adicional de calentamiento por convección. El calentamiento infrarrojo no se utiliza comúnmente en la industria química para eliminar la humedad, siendo su aplicación principal el horneado o el secado de capas de pinturas y en el calentamiento de capas finas de materiales.
SECADORES DIELÉCTRICOS: No han encontrado hasta ahora un campo muy amplio de aplicación. Su característica fundamental de generación de calor dentro de los sólidos, como madera y cerámicos. Los costos de energía aumentan hasta diez veces el costo de combustible por métodos tradicionales.
LAS CARACTERÍSTICAS DE MANEJO Y LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL MATERIAL HÚMEDO:
Selección inicial de los secadores:
Se debe seleccionar los secadores que sean más adecuados para manejar el material mojado y el producto seco que se adapten a la continuidad del proceso como un todo y que generen un producto con las propiedades físicas deseadas.
Comparaciones iniciales de los secadores:
Los secadores seleccionados de esta manera se evaluaran en forma aproximada, basándose en los datos de coste y funcionamiento. Partiendo de esta evaluación, los secadores que aparezcan ser menos económicos
o pocos apropiados desde el punto de vista de su
funcionamiento no se deberán someter a consideraciones superiores.
Pruebas de secado:
Estas pruebas se deben llevar a cabo en los secadores que aun estén en estudio. Dichas pruebas determinaran las condiciones las condiciones óptimas de operación y las características del producto, y constituirán la base para obtener presupuestos rigurosos de los distribuidores de este tipo de equipo.
Selección final del secador:
Una vez que hayan recopilado los resultados de las pruebas de secado y las cotizaciones sobre los equipos, se hará la selección final del secador más apropiado para el caso. Los factores que se deben tomar en cuenta para la selección preliminar de un secador:
1. Propiedades del material que se va a manejar. a. Características físicas en mojado b. Características físicas en seco c. Corrosividad d. Toxicidad e. Inflamabilidad f. Tamaño de partícula g. Abrasividad
2. Características del secado del material a. Tipo de humedad (retenida, no retenida, o ambas) b. Contenido inicial de humedad c. Contenido final de humedad(máxima) d. Temperatura permisible de secado e. Tiempo probable de secado para diferentes secadores
3. Flujo del material que entra y sale del secador. a. Cantidad que se va a tratar por hora b. Operación continua o discontinua c. Proceso anterior al secado d. Proceso posterior al secado
4. Calidades del producto. a. Concentración b. Contaminación c. Uniformidad del contenido final de humedad d. Descomposición del producto e. Secado excesivo f. Estado de subdivisión g.
Temperatura del producto
h. Densidad
5. Problemas de recuperación a. Recuperación de polvos b. Recuperación de disolventes.
6. Instalaciones disponibles en el sitio de ubicación propuesto a. Espacio b. Temperatura, humedad y limpieza del aire c. Combustibles disponibles d. Energía eléctrica disponible e. Ruido, vibración, polvo o perdidas de calor permisibles f. Fuente de alimentación húmeda g. Salidas de gases de escape
CAMPO DE APLICACIÓN Secadores rotatorios: Se aplican al procesamiento de solidos tanto en discontinuo como en continuo, que tienen flujo relativamente libre, siendo el producto que descargan granular. Los materiales que no poseen un flujo completamente libre bajo sus condiciones de alimentación se manejan de una manera especial, ya sea reciclando una porción del producto final y mezclándola con la alimentación en una mezcladora externa para obtener una alimentación granular uniforme para el proceso, o bien manteniendo un lecho de producto de flujo libre dentro del cilindro propiamente dicho. Un diseño adecuado del proceso de reciclo originaria que se puedan depositar en procesos rotatorios muchas clases de lechadas y alimentaciones en solución. Los hornos rotatorios directos y calcinadores
indirectos sin aspas internas u otras obstrucciones, a menudo están provistos de cadenas de enlaces colgantes. Estas pueden servir como superficies en las cuales se acumulan el material hasta que deja de ser pegajoso, momento en que se desprende convertido en solido granular, continuando su movimiento por el cilindro. Las cadenas de raspado se pueden utilizar también en calcinadores indirectos, para mantener limpias las paredes interiores de los mismos.
Secadores agitados: Se aplican al proceso de solidos que tienen una relativa de movimiento y granulado, cuando se descargan como producto. Los materiales que no tienen libertad de movimiento en su condición de alimentación se tratan por métodos de reciclaje. En general los secadores agitados tienen aplicaciones similares a los depósitos rotatorios en donde sus principales características son: A. No se necesitan sellos rotatorios de diámetro grande en los puntos de admisión y salida de los sólidos y el gas, ya que la cubierta es estacionaria y, por esta razón los problemas de fuga del gas se reducen a lo mínimo. B. El empleo de un agitador mecánico para mezclar solidos introducen fuerzas cortantes que son de gran utilidad para subdividir grumos y conglomerados. Se evita la formación de bolas y grumos de solidos pegajosos, lo que ocasionalmente en depósitos rotatorios, utilizando un diseño de agitador especial.
Secadores por gravedad: Una de las principales ventajas de la técnica de lecho por gravedad es que se presta muy bien para establecer un contacto realmente íntimo a corriente entre sólidos y gases, asegurando una eficaz transferencia en calor y masa. El contacto de un lecho por gravedad también permite emplear los sólidos como medio de transmisión de calor, como sucede en los calentadores de piedras.
