TRANSFERENCIA DE CALOR EN EVAPORADORES •
¿Cuál es el objetivo de la evaporai!"#
El objetivo de la evaporación es concentrar una solución consistente en un soluto no volátil y un solvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones, evaporaciones, el solvente es agua. En la evaporación, por lo general, el producto valioso es el líquido concentrado (licor espeso) mientras que el vapor se condensa y se desech desecha. a. Sin embarg embargo, o, en un caso caso espec especíi íico co es probab probable le que que ocurra lo contrario. El agua mineral se evapora con recuencia a in de obtener un producto e!ento de sólidos para la alimentación de calderas, para procesos con requerimientos especiales o para el consumo humano. Esta t"cnica se conoce con recuencia con el nombre nombre de destilación de agua, pero t"cnicamente es evaporación. Se han desarrollado procesos de evaporación a gran escala que se utili#an para la recuperación de agua potable a partir de agua de mar. En este caso, el agua condensada es el producto deseado. Sólo Sólo se recu recupe pera ra una una racc racció ión n del del agua agua tota totall cont conten enid ida a en la alimentación, mientras que el resto se devuelve al mar. •
Pri"ipios básios del $u"io"a%ie"to de u" evaporador
$a mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que cond conden ensa sa sobr sobre e tubo tuboss metá metálic licos os.. E!ce E!cept pto o en algu alguno noss caso casoss de evaporadores de tubos hori#ontales, %& el material a evaporarse luye dent dentro ro de los los tubo tubos. s. 'ene 'enera ralm lmen ente te el vapo vaporr es de baja baja pres presió ión, n, inerior a atm absolutas, y con recuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado, con presión tan baja hasta de &.& atm absolutas. *l reducir la temperatura de ebullición del líquido, aumenta la dierencia de temperatura entre el vapor y el líquido en ebullición y, por lo tanto, aumenta la velocidad de transerencia de calor en el evaporador. evaporador. •
Evaporadores Evaporadores de si%ple & %'ltiple e$eto
+uando se utili#a un solo evaporador, el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y desecha. Este m"todo recibe el nombre de evapor aunque ue es senc sencilillo lo,, util utili# i#a a evaporaci ación ón de simple simple efecto efecto, y aunq ineica#mente el vapor. ara evaporar % -g de agua de la solución se requieren de % a %. -g de vapor. Si el vapor procedente de uno de los evap evapor orad ador ores es se intro introdu duce ce como como alim alimen enta taci ción ón en el elem elemen ento to caleactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de "ste se envía al condensador, la operación recibe el nombre de doble eecto. El calor del vapor de agua original es reutili#ado en el segundo eecto, y la evaporación obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentación al primer eecto es apro!imadamente el doble. Es posible aadir eectos de la misma orma. El m"todo general para aumentar la evaporación por -ilogramo de vapor de agua utili#ando
una serie de evaporadores entre el suministro de vapor y el condensador, recibe el nombre de evaporación de efecto múltiple . ara mantener la dierencia de temperatura para transerencia de calor entre el vapor de un eecto y el líquido en ebullición del siguiente, la presión en cada uno de los evaporadores que se suceden debe ser menor que en los predecesores. $a cantidad de purga a la que se llega por e!periencia con agua de dierentes calidades, lleva con ello considerable calor sensible y, por tanto, reduce la cantidad de vapori#ación que puede ser reali#ada en los eectos siguientes. /ebido en parte a este escape de calor al sistema, hay un límite al n0mero de eectos que son justiicables. $os cargos ijos por los eectos adicionales, disipa la ganancia de energía que resultan del uso de un gran n0mero de eectos.
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Tra"s$ere"ia de alor e" los evaporadores
En los evaporadores, el calor se suministra desde una uente e!terior a temperatura adecuada, que en la mayoría de los casos es vapor de agua, que proviene bien directamente de una caldera (vapor vivo) o bien de un estadio previo de evaporación en otro evaporador. 1tras uentes de calor, como la caleacción directa o con resistencias el"ctricas, adolecen del inconveniente de proporcionar temperaturas locales mucho mayores de las que pueden soportar sin alterarse las sustancias a evaporar2 además, en el caso de la electricidad hay que tener en cuenta su elevado costo. En los casos en los que las temperaturas del vapor condensante sean demasiado elevadas para el producto a tratar se suele utili#ar agua caliente. 3ambi"n se puede utili#ar vapor de agua a baja presión, aunque los grandes vol0menes requeridos suelen crear problemas de diseo. • Tipos
de evaporadores
() Evaporadores de tubos lar*os vertiales+
a) Evaporadores de tubos largos con lujo ascendente $as partes esenciales son4
5n intercambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la cora#a y el líquido que se desea concentrar en el interior de los tubos.
5n separador o espacio de vapor para separar el líquido arrastrado por el vapor.
+uando opera como una unidad de circulación, e!iste un bra#o de recirculación para el líquido desde el separador hasta el ondo del intercambiador. E!isten entradas para el líquido de alimentación y el vapor de calentamiento, y salidas para el vapor, la solución concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de calentamiento.
El calentador tubular opera de la misma orma que la calandria de circulación natural. Sin embargo, los tubos son más lar gos que los de la calandria4 tienen por lo general de 6 a & mm (% o 6 in.) de diámetro y de a %& m (%& a 6 t) de longitud. $a alimentación diluida entra al sistema y se me#cla con el líquido que retorna del separador. $a solución concentrada es retirada por el ondo del calentador2 el resto de la solución es parcialmente vapori#ada conorme sube a trav"s de los tubos. $a me#cla de líquido y vapor luye desde arriba de los tubos dentro del separador, donde su velocidad se reduce en orma considerable. ara ayudar a eliminar las gotas de líquido, el vapor golpea sobre ellas y entonces pasa alrededor de placas delectoras colocadas antes de la salida del separador. El evaporador mostrado en la igura solamente puede ser operado como una unidad de circulación. $os evaporadores de tubos largos verticales son especialmente eectivos para concentrar líquidos que tienden a ormar espuma. $a espuma se rompe cuando la me#cla de líquido y vapor de alta velocidad choca contra las paredes delectoras de la carga de vapor.
b). Evaporadoras de película descendente $a concentración de materiales altamente sensibles al calor, tales como el jugo de naranja, requieren un tiempo mínimo de e!posición a una supericie caliente. Esto se consigue con evaporadores de película descendente de un solo paso, en los que el líquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentados con vapor de agua, +omo una película y sale por el ondo. $os tubos son largos de & a 6& mm (6 a %& in.) de diámetro. El vapor procedente del líquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el líquido y sale por el ondo de la unidad. Estos
evaporadores parecen largos intercambiadores tubulares verticales con un separador de líquido y vapor en el ondo y un distribuidor de líquido en la parte superior. El principal problema de un evaporador de película descendente es la distribución uniorme del líquido como en orma de película dentro de los tubos. Esto se consigue mediante una serie de placas metálicas peroradas situadas sobre una placa tubular cuidadosamente nivelada, por medio de inserciones en los e!tremos de los tubos que generen un lujo uniorme en cada tubo, o mediante distribuidores tipo araña con bra#os radiales que distribuyen con velocidad constante la alimentación sobre la supericie interior de cada tubo. 1tra orma consiste en utili#ar una boquilla individual de pulveri#ación dentro de cada tubo. c).Evaporadores de circulación or#ada En un evaporador de circulación natural, el líquido entra a los tubos a una velocidad de &. a %.6 m7s. $a velocidad lineal aumenta muy rápido al ormarse vapor en los tubos, de orma que por lo general las velocidades de transerencia de calor son satisactorias. Sin embargo, con líquidos viscosos, el coeiciente global en una unidad de circulación natural qui#á será demasiado bajo desde el punto de vista económico. +oeicientes más elevados se obtienen en evaporadores de circulación or#ada. 5n ejemplo es, una bomba centríuga impulsa el líquido a trav"s de los tubos entrando con una velocidad de 6 a . m7s. $os tubos están sometidos a una carga estática suiciente para asegurar que no se produ#ca ebullición en los mismos2 el líquido comien#a a sobrecalentarse a medida que se reduce la carga estática con el lujo desde el calentador hasta el espacio de vapor, y se genera una me#cla de vapor y líquido pulveri#ado a la salida del intercambiador, justo antes de entrar en el cuerpo del evaporador. $a me#cla de vapor y líquido choca contra una placa delectora en el espacio de vapor. El líquido retorna a la entrada de la bomba, donde se me#cla con la alimentación resca2 el vapor sale por la parte superior del cuerpo del evaporador hacia el condensador, o al siguiente eecto. $a parte del líquido que abandona el separador se retira de orma continua como concentrado.
,) Evaporador de pel-ula
$a principal resistencia a la transerencia de calor global desde el vapor de agua que condensa hasta el líquido que hierve en un evaporador reside del lado del líquido. 5na orma de reducir la resistencia, especialmente con líquidos viscosos, es por la agitación mecánica de película líquida.
5n evaporador de película descendente modiicado con un solo tubo enchaquetado que contiene un agitador interno. $a alimentación entra por la parte superior de la sección enchaquetada y se dispersa en orma de película altamente turbulenta mediante las palas verticales del agitador. El concentrado sale por la parte inerior de la sección enchaquetada2 el vapor asciende desde la #ona de vapori#ación hasta un separador no enchaquetado, cuyo diámetro es algo mayor que el tubo de evaporación. En el separador, las palas del agitador proyectan hacia uera el líquido arrastrado que choca contra unas placas verticales estacionarias. $as gotas coalescen sobre estas placas y retornan a la sección de evaporación. El vapor e!ento de líquido sale a trav"s de los oriicios situados en la parte superior de la unidad. $a principal ventaja de un evaporador de película agitada es su capacidad para conseguir elevadas velocidades de transerencia de calor con líquidos viscosos. El producto llega a tener una viscosidad tan elevada como % &&& a la temperatura de evaporación. ara
líquidos moderadamente viscosos, el coeiciente de transerencia de calor aumenta. +omo en otros evaporadores, el coeiciente global disminuye a medida que aumenta la viscosidad, pero en este diseo la disminución es lenta. +on materiales altamente viscosos, el coeiciente es apreciablemente mayor que en los evaporadores de circulación or#ada y mucho mayor que en las unidades de circulación natural. El evaporador de película agitada es en particular eectivo con materiales viscosos sensibles al calor tales como gelatina, láte! de caucho, antibióticos y jugos de rutas. Sus desventajas son el costo elevado2 las partes internas móviles que requieren un mantenimiento considerable2 y la baja capacidad de cada unidad que es muy inerior a la de los evaporadores multitubulares. • Fu"io"a%ie"to
De Los Evaporadores Tubulares
$as principales características de uncionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. $a capacidad se deine como el n0mero de -ilogramos de agua vapori#ada por hora. $a economía es el n0mero de -ilogramos vapori#ados por -ilogramo de vapor de calentamiento que entra a la unidad. En un evaporador de simple eecto la economía es siempre algo menor que %, pero en los evaporadores de m0ltiple eecto se considera mayor. 3ambi"n es importante tomar en cuenta el consumo de vapor de calentamiento, en -ilogramos por hora. Esto es igual a la capacidad dividida entre la economía. Si la alimentación que entra en el evaporador está a la temperatura de ebullición correspondiente a la presión absoluta e!istente en el espacio de vapor, todo el calor transerido a trav"s de la supericie de calentamiento es utili#ado en la evaporación y la capacidad es proporcional a q. Si la alimentación está ría, el calor que se requiere para calentarla hasta su temperatura de ebullición tal ve# será considerable y en consecuencia, se reduce la capacidad para un valor dado de q, toda ve# que el calor utili#ado para calentar la alimentación no está disponible para la evaporación. or el contrario, si la alimentación está a una temperatura superior a la de la ebullición en el espacio de vapor, una parte de la alimentación se evapora en orma espontánea mediante equilibrio adiabático con la presión del espacio de vapor, y la capacidad será superior a la correspondiente a q. Este proceso recibe el nombre de evaporación instantánea.
q 8 UA ∆T…… (I)
En algunos evaporadores, la velocidad del líquido en los tubos tambi"n inluye sobre la caída de temperatura debido a que la p"rdida por ricción en los tubos aumenta la presión eectiva del líquido. •
Coe$iie"tes de tra"s$ere"ia de alor
3al como indica la ecuación (9), el lujo de calor y la capacidad del evaporador son aectadas por cambios en la caída de temperatura y en el coeiciente global de la transerencia de calor. $a caída de temperatura está ijada por las propiedades del vapor de agua y del líquido que hierve y, e!cepto por lo que respecta a la carga hidrostática, no depende de la construcción del evaporador. or otra parte, el coeiciente global está uertemente aectado por el diseo y la orma de operación del evaporador.
(99) /e la ecuación (99), la resistencia global a la transerencia de calor entre el vapor de calentamiento y el líquido en ebullición es la suma de cinco resistencias individuales4 la resistencia de la película de vapor2 las dos resistencias por incrustaciones, interior y e!terior de los tubos2 la resistencia de la pared del tubo, y la resistencia del líquido en ebullición. El coeiciente global es el inverso de la resistencia global. En la mayoría de los evaporadores, el actor de ensuciamiento del vapor de agua condensante y la resistencia de la pared del tubo son muy pequeos, y por lo general se desprecian en el cálculo de evaporadores. En un evaporador de película agitada la pared del tubo es bastante gruesa, de orma que su resistencia representa una parte importante de la resistencia total. Coeficientes de película de vapor.
El coeiciente de la película del vapor de calentamiento es elevado, aun para la condensación de película. * veces se adicionan promotores al vapor para provocar la condensación de gotas y aumentar todavía más el coeiciente. uesto que la presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el coeiciente de película de vapor, es preciso tomar precauciones para purgar los no condensables de la cámara de vapor y prevenir la uga de aire presente cuando el vapor está a una presión inerior a la atmos"rica.
Coe$iie"tes del lado l-.uido
El coeiciente del lado líquido depende en gran medida de la velocidad del líquido sobre la supericie calentada. En la mayoría de los evaporadores, particularmente los que trabajan con materiales viscosos, la resistencia del lado líquido controla la velocidad global de transerencia de calor al líquido en ebullición. En evaporadores de circulación natural, el coeiciente del lado líquido para soluciones acuosas diluidas se encuentra entre % && y &&& :7m6 ;+ (6& y && vapor. El coeiciente de película es mayor que el del lujo netamente laminar. $a circulación or#ada da coeicientes elevados en el lado del líquido, debido a la alta velocidad en la sección de no ebullición y a la intensa turbulencia en la sección de ebullición. Es diícil predecir el punto donde comien#a la ebullición o predecir el coeiciente global para el evaporador. Coe$iie"tes *lobales
/ebido a la diicultad de medir los elevados coeicientes de película individuales en un evaporador, por lo general los resultados e!perimentales se e!presan en unción de los coeicientes globales. ?stos están basados en la caída neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevación del punto de ebullición. El coeiciente global está, por supuesto, inluido por los mismos actores que los coeicientes individuales2 pero, si una resistencia (tal como la película del líquido) es lo que controla, variaciones importantes de las demás resistencias apenas tendrían eecto sobre el coeiciente global. 5n evaporador de película agitada produce un coeiciente aparentemente bajo con un líquido de una viscosidad de %&& , pero este coeiciente es mucho mayor que el que podría encontrarse con cualquier otro tipo de evaporador que tratase un material tan viscoso.
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Tipos de evaporadores
/) Evaporadores de tubos lar*os vertiales+
b) Evaporadores de tubos largos con lujo ascendente $as partes esenciales son4
5n intercambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la cora#a y el líquido que se desea concentrar en el interior de los tubos.
5n separador o espacio de vapor para separar el líquido arrastrado por el vapor.
+uando opera como una unidad de circulación, e!iste un bra#o de recirculación para el líquido desde el separador hasta el ondo del intercambiador. E!isten entradas para el líquido de alimentación y el vapor de calentamiento, y salidas para el vapor, la solución concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de calentamiento.
El calentador tubular opera de la misma orma que la calandria de circulación natural. Sin embargo, los tubos son más largos que los de la calandria4 tienen por lo general de 6 a & mm (% o 6 in.) de diámetro y de a %& m (%& a 6 t) de longitud. $a alimentación diluida entra al sistema y se me#cla con el líquido que retorna del separador. $a solución concentrada es retirada por el ondo del calentador2 el resto de la solución es parcialmente vapori#ada conorme sube a trav"s de los tubos. $a me#cla de líquido y vapor luye desde arriba de los tubos dentro del separador, donde su velocidad se reduce en orma considerable. ara ayudar a eliminar las gotas de líquido, el vapor golpea sobre ellas y entonces pasa alrededor de placas delectoras colocadas antes de la salida del separador. El evaporador mostrado en la igura solamente puede ser operado como una unidad de circulación. $os evaporadores de tubos largos verticales son especialmente eectivos para concentrar líquidos que tienden a ormar espuma. $a espuma se rompe cuando la me#cla de líquido y vapor de alta velocidad choca contra las paredes delectoras de la carga de vapor.
b). Evaporadoras de película descendente $a concentración de materiales altamente sensibles al calor, tales como el jugo de naranja, requieren un tiempo mínimo de e!posición a una supericie caliente. Esto se consigue con evaporadores de película descendente de un solo paso, en los que el líquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentados con vapor de agua, +omo una película y sale por el ondo. $os tubos son largos de & a 6& mm (6 a %& in.) de diámetro. El vapor procedente del líquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el líquido y sale por el ondo de la unidad. Estos
evaporadores parecen largos intercambiadores tubulares verticales con un separador de líquido y vapor en el ondo y un distribuidor de líquido en la parte superior. El principal problema de un evaporador de película descendente es la distribución uniorme del líquido como en orma de película dentro de los tubos. Esto se consigue mediante una serie de placas metálicas peroradas situadas sobre una placa tubular cuidadosamente nivelada, por medio de inserciones en los e!tremos de los tubos que generen un lujo uniorme en cada tubo, o mediante distribuidores tipo araña con bra#os radiales que distribuyen con velocidad constante la alimentación sobre la supericie interior de cada tubo. 1tra orma consiste en utili#ar una boquilla individual de pulveri#ación dentro de cada tubo. c).Evaporadores de circulación or#ada En un evaporador de circulación natural, el líquido entra a los tubos a una velocidad de &. a %.6 m7s. $a velocidad lineal aumenta muy rápido al ormarse vapor en los tubos, de orma que por lo general las velocidades de transerencia de calor son satisactorias. Sin embargo, con líquidos viscosos, el coeiciente global en una unidad de circulación natural qui#á será demasiado bajo desde el punto de vista económico. +oeicientes más elevados se obtienen en evaporadores de circulación or#ada. 5n ejemplo es, una bomba centríuga impulsa el líquido a trav"s de los tubos entrando con una velocidad de 6 a . m7s. $os tubos están sometidos a una carga estática suiciente para asegurar que no se produ#ca ebullición en los mismos2 el líquido comien#a a sobrecalentarse a medida que se reduce la carga estática con el lujo desde el calentador hasta el espacio de vapor, y se genera una me#cla de vapor y líquido pulveri#ado a la salida del intercambiador, justo antes de entrar en el cuerpo del evaporador. $a me#cla de vapor y líquido choca contra una placa delectora en el espacio de vapor. El líquido retorna a la entrada de la bomba, donde se me#cla con la alimentación resca2 el vapor sale por la parte superior del cuerpo del evaporador hacia el condensador, o al siguiente eecto. $a parte del líquido que abandona el separador se retira de orma continua como concentrado.
0) Evaporador de pel-ula
$a principal resistencia a la transerencia de calor global desde el vapor de agua que condensa hasta el líquido que hierve en un evaporador reside del lado del líquido. 5na orma de reducir la resistencia, especialmente con líquidos viscosos, es por la agitación mecánica de película líquida.
5n evaporador de película descendente modiicado con un solo tubo enchaquetado que contiene un agitador interno. $a alimentación entra por la parte superior de la sección enchaquetada y se dispersa en orma de película altamente turbulenta mediante las palas verticales del agitador. El concentrado sale por la parte inerior de la sección enchaquetada2 el vapor asciende desde la #ona de vapori#ación hasta un separador no enchaquetado, cuyo diámetro es algo mayor que el tubo de evaporación. En el separador, las palas del agitador proyectan hacia uera el líquido arrastrado que choca contra unas placas verticales estacionarias. $as gotas coalescen sobre estas placas y retornan a la sección de evaporación. El vapor e!ento de líquido sale a trav"s de los oriicios situados en la parte superior de la unidad. $a principal ventaja de un evaporador de película agitada es su capacidad para conseguir elevadas velocidades de transerencia de calor con líquidos viscosos. El producto llega a tener una viscosidad tan elevada como % &&& a la temperatura de evaporación. ara
líquidos moderadamente viscosos, el coeiciente de transerencia de calor aumenta. +omo en otros evaporadores, el coeiciente global disminuye a medida que aumenta la viscosidad, pero en este diseo la disminución es lenta. +on materiales altamente viscosos, el coeiciente es apreciablemente mayor que en los evaporadores de circulación or#ada y mucho mayor que en las unidades de circulación natural. El evaporador de película agitada es en particular eectivo con materiales viscosos sensibles al calor tales como gelatina, láte! de caucho, antibióticos y jugos de rutas. Sus desventajas son el costo elevado2 las partes internas móviles que requieren un mantenimiento considerable2 y la baja capacidad de cada unidad que es muy inerior a la de los evaporadores multitubulares.
Di$ere"ia e"tre evaporai!" & otros tipos de separaio"es $-sias
$a evaporación se reali#a vapori#ando una parte del solvente para producir una solución concentrada de licor espeso. $a evaporación diiere del secado en que el residuo es un líquido (a veces altamente viscoso) en ve# de un sólido2 diiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea
una me#cla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en racciones2 diiere de la cristali#ación en que su inter"s reside en concentrar una solución y no en ormar cristales.
