EVAPORACION

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS Página 0

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL AREA ACADEMICA DE INGENIERIA QUIMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I

INFORME Nº5

EVAPORACION

CURSO : PI – 135 – A INTEGRANTES : AYCHASI NAUPARI DIEGO CABANILLAS ARAUJO NICOLAS

CLAROS RAMIREZ JOHAN CÓNDOR SALAZAR ENRIQUE

DÁMAZO URBANO JOSE PROFESOR : ING. ABEL VERGARA SOTOMAYOR 2011-II



INTRODUCCIÓN

Un caso especial de la transmisión de calor a un líquido en ebullición ocurre con tanta

frecuencia que se considera como una operación individual, denominada evaporación. El

objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y

un disolvente volátil vaporizando una parte de dicho disolvente en recipientes calentados con

vapor de agua. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua.

Los principios de la evaporación no sólo se limitan a esta operación, sino que se extienden

también a otras, como la humidificación, en la que sin que haya soluto se evaporan pequeñas

cantidades de agua. Sin embargo, la evaporación difiere del secado en que el residuo es un

líquido -a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el

vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la

evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su

interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales.

Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras que el

vapor se condensa y se desecha. Sin embargo, en los procesos de recuperación de agua potable

a partir de evaporación de agua de mar, el agua condensada es el producto deseado. Solamente

se recupera una fracción del agua contenida en la alimentación, mientras que el resto se

devuelve al mar.

Las condiciones en que se efectúa la evaporación son muy variadas, por ejemplo: el líquido a

evaporar puede ser menos viscoso que el agua o tan viscoso que difícilmente fluya; puede

depositar incrustaciones sobre la superficie de calefacción; puede precipitar cristales; puede

tender a la formación de espuma; puede tener una gran elevación, en el punto de ebullición o

puede ser dañado por aplicación de altas temperaturas. Toda esta variedad de problemas ha

producido una variedad considerable en los tipos de construcción mecánica utilizados.

Los evaporadores operan mediante transferencia de calor, y debido al gran número de factores

que intervienen, es muy difícil predecir el comportamiento de dicha transmisión. El punto de

partida para proyectar un evaporador son los balances de materia y de energía. También hay

que tener en cuenta la influencia del soluto en el equilibrio líquido-vapor, sobre todo cuando

se emplea un múltiple efecto.

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. Ocasionalmente, el principal objetivo de la evaporación consiste en concentrar una

solución de manera que al enfriarse ésta se formen cristales que puedan separarse. Este

proceso especial de evaporación se llama cristalización.



LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS EVAPORACIÓN

1.-OBJETIVOS

Analizar el proceso de evaporación en un evaporador de tubos verticales largos de

película ascendente tomando como muestra una solución de agua azucarada y así

entender cuál es la finalidad de este proceso.

Conocer la economía del proceso según las variables manejadas ( P, Flujo )

2.-FUNDAMENTO TEÓRICO

FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES TUBULARES Las principales características de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de libras de agua evaporada por hora. La economía es el número de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la unidad. En un evaporador de simple efecto la economía es siempre algo menor que la unidad, pero en los evaporadores de múltiple efecto puede se considerablemente mayor. También es importante el consumo de vapor, en libras por hora, que es igual a la capacidad dividida por la economía. Elevación del punto de ebullición y regla de Dühring. La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presión dada, la temperatura de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura. El aumento es pequeño para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides orgánicos pero puede alcanzar un valor de hasta 150 0F para disoluciones concentradas de sales inorgánicas. Para disoluciones concentradas la elevación del punto de ebullición se obtiene con la regla de Dühring, según la cual la temperatura de ebullición de una determinada disolución es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión. Por tanto, si se representa la temperatura de ebullición de la disolución frente a la del agua a la misma presión se obtiene una línea recta. Para diferentes concentraciones resultan diferentes rectas. Para todo el intervalo de presiones la regla no es exacta, pero para un intervalo moderado las líneas son aproximadamente rectas aunque no necesariamente paralelas. Métodos de operación para evaporadores 1. Evaporadores de efecto simple. La alimentación entra a TF 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 T1 que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura del vapor también es T1, pues está en equilibrio con la solución en ebullición. La presión es P1, que es la presión de vapor de la solución a T1. Si se supone que la solución que se va a evaporar es bastante diluida y parecida al agua, 1 kg de vapor de agua producirá aproximadamente 1 kg de vapor al condensarse. Esto ocurrirá siempre que la alimentación tenga una temperatura TF cercana al punto de ebullición.



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. Sin embargo, la operación de gran capacidad, al usar más de un efecto, reducirá de manera significativa los costos del vapor. 2. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia adelante. Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante energía, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto múltiple. En la figura inferior se muestra el diagrama simplificado de un evaporador de efecto triple con alimentación hacia adelante. Si la alimentación del primer efecto esta a una temperatura cercana al punto de ebullición y a la presión de operación de dicho efecto, 1 kg de vapor de agua evaporará casi 1 kg de agua. El primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto. Nuevamente, en el segundo efecto se evapora casi 1 kg de agua, que se emplea como medio de calentamiento del tercer efecto. De manera aproximada, en un evaporador de efecto triple se evaporan 3 kg de agua por kilogramo de vapor de agua usado. Por consiguiente, el resultado es un aumento de la economía de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado. Esto también resulta cierto de forma aproximada para más de tres efectos. Sin embargo, este aumento de la economía del vapor de agua en un evaporador de efecto múltiple se logra a expensas de mayor inversión en el equipo. En la operación de alimentación hacia adelante, la alimentación se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del vapor. Éste es el método de operación que se emplea cuando la alimentación está caliente o cuando el producto concentrado final puede hallarse a temperaturas elevadas. Las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto. Esto significa que si el primer efecto está a P1 = 1 atm absoluta de presión, el último estará al vacío, a presión P3.



3. EQUIPOS DE EVAPORACIÓN

Tipos de evaporadores Los diferentes tipos de evaporadores pueden clasificarse como sigue: A. Aparatos calentados a fuego directo. B. Aparatos con el medio calentador en camisas, dobles paredes, etc. C. Evaporadores calentados por vapor con tubos como superficies calefactoras.

a) Tubos horizontales (vapor por el interior de los tubos). b) Tubos verticales.

1. Tipo standard. 2. Tipo de cesta. 3. Tipo de tubos largos. 4. Tipo de circulación forzada.

c) De tubos de formas especiales: serpentines, tubo en U, etc.

Aparatos calentadores a fuego directo. El dispositivo más importante que cae dentro de este tipo es la caldera de vapor. En aquellos casos en que se desee hervir o evaporar líquidos con gases de escape, hay que calcular los evaporadores, que no han sido normalizados. Aparatos de camisa calefactora. Cuando se desea evaporar líquidos en pequeñas cantidades, la operación se efectúa en uno de cualquiera de los tipos de caldera con camisa de vapor que existen. El material de construcción más empleado es la fundición. En muchas industrias, tales como las de preparación de alimentos, se emplean las calderas de acero inoxidable, aluminio, cobre y metales similares; en industrias farmacéuticas y químicas especiales, se emplean con gran profusión las calderas esmaltadas. 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. En casi todos los casos, los evaporadores operan con régimen continuo, con alimentación y salida de concentrado a velocidad constante.



Evaporador vertical con circulación natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido esta 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. Una variación de este modelo es el evaporador de cesta, que usa tubos verticales, pero el elemento de calentamiento se cuelga en el cuerpo, de tal manera que haya un espacio anular que sirva de bajada. El modelo de canasta difiere del evaporador vertical de circulación natural, pues éste tiene un espacio central en vez del anular como bajada. Este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azúcar, la sal y la sosa cáustica.



Evaporador de circulación forzada. En este evaporador se utiliza una bomba para impulsar el líquido a gran velocidad a través de los tubos, produciéndose relativamente poco vapor en cada paso. La mezcla vapor-líquido choca al salir de los tubos contra una pantalla que tiene una forma especial para provocar la coalescencia de las gotas pequeñas. De la forma de la pantalla depende el arrastre de gotas líquidas en el vapor. El empleo de un evaporador de circulación forzada en una determinada instalación depende, en último término, de un estudio económico del costo de la energía para impulsar el líquido, en comparación con el coeficiente de transmisión óptimo que es posible lograr a la máxima velocidad de paso. En la práctica es corriente emplear una turbina de vapor para accionar la bomba, aprovechándose el vapor de escape de la turbina para calentar el evaporador. En instalaciones pequeñas resulta mejor y menos complicado accionar la bomba con un motor eléctrico. La bomba suele ser de tipo centrífugo, aunque con líquidos muy viscosos es de desplazamiento directo. Cuando se trata de coloides que podrían estropearse con una agitación rápida, se emplean bombas de movimientos más lentos.

Evaporador de tubos largos Verticales. Este evaporador es conocido también con el nombre de evaporador Restner. El líquido se mueve en los tubos por convección natural y, como en los anteriores, tiene una pantalla de choque para facilitar la separación del vapor y del líquido. Por lo general, el evaporador de tubos largos no se emplea con líquidos que formen costras, separación de sales o sean muy viscosos; en cambio, está muy indicado con líquidos espumosos, debido a que la espuma se rompe contra la pantalla al salir de los tubos a gran velocidad. El líquido evaporado en cada paso por los tubos es mayor en el evaporador Restner que en uno de circulación forzada. La operación puede ser con recirculación o de un solo paso; en este caso, el líquido concentrado se separa por la cabeza o cúspide del evaporador. Los coeficientes de transmisión del calor son inferiores, pero en cambio se elimina el costo de instalación y funcionamiento de la bomba.



4. CÁLCULOS Y RESULTADOS

DATOS EXPERIMENTALES:

Presión del vapor vivo= 50 Psig (64.7 psia)

Diámetro del tanque= 0.5588 m

Área= 0.2452 m2

Presión de operación del evaporador es la atmosférica,por lo tanto puede asumirse que la

temperatura de ebullición del solvente(agua) es 100 0C

Solución diluida:

TF(0C)

0Brix Flujo :F(lb/h)(Rotámetro)

23 5.2 300

Vapor :

Corrida T(0C) h(m) t(s)

1 81.3 0.005 22.86

2 83.5 0.005 41.5

3 86 0.01 69

Solución concentrada:

Corrida T(0C) V(ml) t(s) 0Brix

1 75 435 17.54 7.5

2 80 425 17.34 8.5

3 83 480 18.98 8.5

Solvente condensado:

Corrida T(0C) V(ml) t(s)

1 83 330 14.95

2 83 305 14.37

3 84 320 14.01



Cálculo del flujo másico de vapor vivo:

Corrida T(0C) h(m) t(s) V(m3) Caudal(m3/s) ρ(Kg/ m3) S(Kg/s) S(lb/h)

1 81.3 0.005 22.86 0.001226 5.36E-05 970.985 5.21E-02 412.9

2 83.5 0.005 41.5 0.001226 2.95E-05 969.587 2.86E-02 227.1

3 86 0.01 69 0.002452 3.55E-05 967.971 3.44E-02 272.8

Cálculo del flujo másico de solvente condensado:

Corrida T(0C) V(ml) V(m3) t(s) Caudal(m3/s) ρ(Kg/m3) E(Kg/s) E(lb/h)

1 83 330 0.00033 14.95 2.21E-05 969.907 2.14E-02 169.8

2 83 305 0.000305 14.37 2.12E-05 969.907 2.06E-02 163.2

3 84 320 0.00032 14.01 2.28E-05 969.267 2.21E-02 175.6

Los valores de las densidades para el cálculo de flujo másico de vapor vivo y de condensado se

tomaron del manual del ing químico Perry

Cálculo del flujo másico de concentrado:

Corrida T(0C) V(ml) V(m3) t(s) Caudal(m3/s) 0Brix ρ(Kg/m3) P(Kg/s) P(lb/h)

1 75 435 0.000435 17.54 2.48E-05 7.5 1039.5 2.58E-02 204.4

2 80 425 0.000425 17.34 2.45E-05 8.5 1043.3 2.56E-02 202.8

3 83 480 0.00048 18.98 2.53E-05 8.5 1043.3 2.64E-02 209.2

Para la conversión de 0Brix a densidad se interpoló de la tabla que se muestra a continuación extraída

de la página web:

http://vinosyenologia.blogcindario.com/2010/08/00008-tabla-de-conversion-de-grados-

baume-brix-alcohol.html

Tabla de Conversión de Gravedad Específica a ºBaumé ºBrix ºAlcohol

Densidad ºBaumé ºBrix ºAlcohol

1012 1.70 0.20 0.11

1013 1.84 0.47 0.23



1014 1.98 0.73 0.43

1015 2.12 1.10 0.59

1016 2.27 1.26 0.70

1017 2.41 1.53 0.88

1018 2.55 1.80 1.06

1019 2.68 2.06 1.18

1020 2.82 2.33 1.35

1021 2.91 2.59 1.47

1022 3.10 2.86 1.65

1023 3.24 3.13 1.82

1024 3.37 3.39 1.94

1025 3.51 3.66 2.21

1026 3.65 3.92 2.30

1027 3.79 4.19 2.41

1028 3.92 4.46 2.69

1029 4.06 4.72 2.77

1030 4.20 5.00 2.95

1031 4.33 5.27 3.06

1032 4.47 5.54 3.24

1033 4.60 5.80 3.42

1034 4.74 6.07 3.54

1035 4.88 63.3 3.71

1036 5.01 6.6 3.7



1037 5.15 6.9 4.0

1038 5.28 7.2 4.2

1039 5.41 7.4 4.4

1040 5.50 7.6 4.5

1041 5.68 8.0 4.7

1042 5.81 8.2 4.8

1043 5.95 8.4 5.0

1044 6.08 8.7 5.1

El flujo másico de entrada de la solución diluida se tenía que tratar de que no varíe del valor de 300

lb/h en el rotámetro. Para un cálculo más exacto hallaremos ese flujo mediante un balance de masa en

el sistema que se indica en la siguiente figura ya que en estado estacionario todo lo que entra es igual a

lo que sale. Vamos a considerar que todo el vapor se condensa y no se pierde líquido.



BALANCE DE MATERIA:

F+S= P+E+S

Entonces: F= P+E

Corrida P(lb/h) E(lb/h) F(lb/h)

1 204.4 169.8 374.2

2 202.8 163.2 366.0

3 209.2 175.6 384.8

BALANCE DE ENERGÍA:

Para nuestros sistemas vamos a considerar que: ya que el sistema está

en estado estacionario, la energía mecánica es despreciable, no se realiza trabajo.

Entonces la ecuación que vamos a utilizar en los balances es:

Calor entregado por el vapor de calentamiento:

Sea el sistema la cámara de vapor:

Considerando que la presión de la cámara se mantiene constante

qs

Vapor saturado

64.7 Psi condensado

147.6 0C 64.7 psi

Para las condiciones que se indica el líquido es subenfriado y el vapor es saturado. Tratando al líquido

como si fuera líquido saturado ya que la presión es baja (64.7 psi) la ecuación quedaría de la siguiente

forma:

qs: Calor entregado por el vapor de calentamiento, Btu/h

Hv: Entalpía específica del vapor de agua, Btu/lb

Hc: Entalpía específica del condensado, Btu/lb

Corrida T(0C) Hc(Btu/lb) Hv(Btu/lb) S(lb/h) qs(Btu/h)

1 81.3 146.6 1138.6 412.9 -409623.7



2 83.5 150.5 1140.1 227.1 -224768.5

3 86 154.9 1141.8 272.8 -269186.7

El signo negativo significa que el sistema pierde calor, lo que quiere decir que es el calor entregado por

el vapor de calentamiento.

Calor transferido a la solución diluida:

Sea el sistema de la solución a concentrar:

Vapor que sale sin agua de

enfriamiento V

Solución diluida 97 0C

F Solución concentrada

P

Qp Qs

Si se cierra la línea de agua de enfriamiento, el vapor que sale del condensador tiene una temperatura

de 97 0C y está saturado entonces la ecuación a utilizar es:

HF

Q: Velocidad de transmisión de calor desde la superficie de calentamiento hacia el líquido, Btu/h

Hv: Entalpía específica del vapor de agua, Btu/lb

HF: Entalpía específica de la solución diluida, Btu/lb

H: Entalpía específica de la solución concentrada, Btu/lb

Para los cálculos se va a utilizar Tref=680F =20 0C

Cálculo de HF: HF=CpF(TF - Tref)

TF= 23 0C = 73.4 0F

A 5.2 0Brix : CpF=0.968 Btu/lb 0F (De la fig 14.34b del Kern)

HF=0.968(73.4 – 68)= 5.2272 Btu/lb

Cálculo de Hv:

De tablas de vapor (Vapor saturado a 97 0C ) Hv=1149.5 Btu/lb

Cálculo de H: H=Cp(T - Tref)



T(0C) T(0F) 0Brix Cp(Btu/lb0F) H(Btu/lb)

75 167 7.5 0.953 94.347

80 176 8.5 0.950 102.6

83 181.4 8.5 0.950 107.73

El flujo másico del vapor es igual al flujo másico del condensado (E) ya que se había considerado que

todo el vapor se condensa.

V=E

P(lb/h) H(Btu/lb) V(lb/h) Hv(Btu/lb) F(lb/h) HF(Btu/lb) Q(Btu/h)

204.4 94.347 169.8 1149.5 374.2 5.2272 212513.6

202.8 102.6 163.2 1149.5 366 5.2272 206492.5

209.2 107.73 175.6 1149.5 384.8 5.2272 222377.9

Las capacidades caloríficas de la solución diluida y concentrada se tomaron de la gráfica 14.34b del

Kern.

El calor perdido es Qp=QS-Q Qs=-qs

Qs(Btu/h) Q(Btu/h) Qp(Btu/h) %Pérdidas

409623.7 212513.6 197110.1 48.

224768.5 206492.5 18276.0 8



269186.7 222377.9 46808.8 17

CÁLCULO DE LA CAIDA APARENTE DE TEMPERATURA:

Ts: Temperatura de condensación del vapor vivo

T: Temperatura de ebullición de la solución

A 5.2 0Brix la elevación del punto de ebullición aproximadamente es 0.6 0F

Elevación del punto de ebullición =T – Teb(H2O)=0.6 0F

La presión de operación del evaporador es la atmosférica, por lo tanto puede asumirse que la

temperatura de ebullición del solvente (agua) es 100 0C(2120F)

Entonces T=212.6 0F

Ts =147.6 0C(297.680F)

CÁLCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR:



Entonces:

Donde:

Q = Calor promedio transferido a la solución diluida (213794.7 Btu/h)

U =Coeficiente global de transferencia de calor.

A = N x x D x L

N = Número de tubos= 12.

D = Diámetro del tubo = 0.75 pulg.(0.0625 pies)

L = 7.67 pies.

Cálculo del Área de Transferencia (A):

A=12 x x 0.0625x 7,67 = 18.07 pies2.

U= 139.06 Btu/h.pie2 .0F

ECONOMÍA DEL VAPOR:

ECONOMÍA = (F – P) / S

F(lb/h) P(lb/h) S(lb/h) Economía

374.2 204.4 412.9 0.41

366 202.8 227.1 0.72

384.8 209.2 272.8 0.64

La economía del vapor sale menor que 1 ya que se trata de un evaporador de simple efecto.



GRÁFICA DE U vs T:

A continuación valores de U para diferentes valores de T:

∆T(0F) U(Btu/h.pie2 .0F)

40 295.786801

45 262.921601

50 236.629441

55 215.117674

60 197.191201

65 182.022647

70 169.021029

75 157.752961

80 147.893401

85 139.193789

90 131.460801



5.- CUESTIONARIO

Hacer una breve descripción de los principales tipos de evaporadores, usos, ventajas y desventajas. Describir el equipo utilizado en la práctica y de manera especial investigue sobre las trampas de vapor su importancia y tipos.

TIPOS EVAPORADORES

A) EVAPORADORES DE TUBOS CORTO

Es uno de los principales evaporadores. La circulación por la superficie de calentamiento se induce mediante la ebullición en los tubos que son casi siempre de hierro colado y los tubos se dilatan en láminas tubulares horizontales que cubren el diámetro del cuerpo. El vapor se condensa en el exterior de los tubos. El haz de tubos tiene un gran conducto central descendente cuya área transversal es del 25 al 40% de la sección total ocupada por los tubos. La mayor parte de la ebullición se produce en los tubos pequeños, de forma que el líquido asciende a través de ellos y retorna por el conducto descendente. Las gotas de líquido sedimentan a través del vapor contenido en la cámara alta situada encima de los tubos. El líquido concentrado se retira por el fondo de la carcasa.

Ventajas Desventajas Usos Buena transmisión de calor

a un costo bajo.

Practico para trabajar con

líquidos que forman

costras.

Espacio superior bajo.

Mala transferencia cuando

las diferencias de

temperatura son bajas y a

bajas temperaturas.

La convección natural es

mucho menos que en los

tubos largos.

Mala transferencia de

calor con líquidos

viscosos.

Para evaporación del jugo de

la caña de azúcar.

Para líquidos limpios.

Para líquidos relativamente

no corrosivos.

B) EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS VERTICALES

EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA

No son económicos, pero son necesarios cuando los productos involucrados en la

evaporación tienen propiedades incrustantes, altas viscosidades, precipitaciones,

cristalizaciones o ciertas características térmicas que imposibilitan una circulación natural.

Son equipos en donde el producto es calentado a través de un intercambiador de calor (los

intercambiadores puede ser horizontales o verticales), luego se envía a un separador, donde la

evaporación se lleva a cabo gracias a la presión reinante dentro del mismo, produciéndose de

esta forma una evaporación flash y por ende un enfriamiento del producto. La velocidad de

circulación del producto dentro de los tubos es un factor esencial a tener en cuenta para cada

tipo de producto.



Ventajas Desventajas Usos Puede trabajar bajo

relativo

ensuciamiento y

formación de sales y

escamas.

Coeficientes

elevados de

transferencia de

calor

Tiempo

relativamente alto

de permanecía o

retención.

Tienen mayor

costo.

Para la

concentración de

sosa cáustica.

Para soluciones

viscosas

Para soluciones

corrosivas.

EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS CON FLUJO ASCENDENTE

Su 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 'efecto sifón', 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 ejercer presión hacia los tubos, determinando de esta manera, una película ascendente. Esta

presión, también genera una turbulencia en el producto que está siendo concentrado, lo que

permite mejor la transferencia térmica, y por ende, la evaporación.

En estos evaporadores existe alta diferencia de temperaturas entre la pared y el líquido en

ebullición. Cabe mencionar que la altura de los mismos es limitada, ya que la capacidad del

vapor en arrastrar la película formada hacia la parte superior del equipo no es suficiente y

determina la altura máxima posible para el diseño. Son evaporadores en los cuales se puede

recircular el producto concentrado, donde el mismo es enviado nuevamente al interior del

equipo, y de esta forma, asegurar un correcto caudal de alimentación.

Ventajas Desventajas Usos Es económico.

Amplia superficie de

calentamiento.

Buenos coeficientes

de transferencia de

calor en todas las

diferentes

temperaturas.

No es adecuado

para líquidos que

forman deposiciones

de sales y escamas.

Para concentración

de líquidos negros

en la industria

papelera y de pulpa

de madera

Para líquidos

espumosos.



EVAPORADORES DE PELÍCULA DESCENDENTE

En este tipo 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. Se produce una distribución homogénea del

producto dentro de los tubos en la parte superior del evaporador, generando una película

descendente de iguales características en la totalidad de los tubos. Este punto es de suma

importancia, ya que una insuficiente mojabilidad de los tubos trae aparejado posibles sitios en

donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos rendimientos de

evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los

mismos

Ventajas Desventajas Usos

Buena eficiencia y

económico.

Buena flexibilidad

operativa.

Capacidad de

trabajar con

productos termo

sensibles que puede

sufrí deterioros es

sus propiedades.

De limpieza rápida

simple.

Necesidad de

conseguir un

Reynolds superior a

2000 en todos los

puntos para obtener

buena transferencia

de calor.

Solo se puede

utilizar con un solo

paso.

Para aceites

lubricantes.

Para solventes

Para la glicerina de

calidad farmacéutica

C) EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA

Un método que aprovecha aumentando la turbulencia para aumentar la transferencia de calor, consiste en una agitación mecánica de dicha película. Para ello, se usa un sólo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador interno. El líquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de película turbulenta por la acción de aspas de agitación verticales.

La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior



Ventajas Desventajas Usos

Grandes velocidades de transmisión de calor con líquidos viscosos.

Costos elevados.

Necesita constante mantenimiento.

Pequeñas capacidades.

Para productos en la preparación de gelatina, látex de caucho antibióticos y jugos de fruta.

TRAMPAS DE VAPOR

Una trampa de vapor es un dispositivo cuya misión es descargar condensado sin permitir que

escape vapor vivo. También puede quitar el aire y los componentes no condensables de la fase

vapor permitiendo que el vapor haga su trabajo lo más eficiente y económicamente posible.

Importancia

El vapor cede energía a cualquier superficie de menor temperatura, entonces parte del vapor

se condensa prácticamente a la misma temperatura, la mezcla de agua y vapor hace que el flujo

de calor sea menor debido a que el coeficiente de transferencia de calor del agua es menor que

el del vapor. Entonces la importancia radica en mantener al vapor en condiciones óptimas

para cualquier transferencia de calor, lo cual es muy bien aprovechado en equipos calentados

con vapor.

Eliminación de condensado:

El condensado siempre debe pasar rápida y completamente a través de la trampa de vapor

para obtener un mejor aprovechamiento de la energía térmica del vapor.

Eliminación de aire y otros gases no condensables:

El aire y los gases disminuyen el coeficiente de transferencia de calor, también se debe tener

presente que el oxígeno y CO2 causan corrosión.

Prevención de pérdidas de vapor:

No debe permitir el paso de vapor sino hasta que ceda la mayor parte de energía que contiene,

además las pérdidas de vapor deben ser mínimas mientras la trampa libera condensado, aire y

gases no condensables.



Tipos de trampa de vapor

GRUPO MECÁNICO

Se basan en la diferencia de densidades entre el vapor y el condensado. Estas trampas de

vapor trabajan mediante un flotador, el cual hace de válvula donde se acumula el condensado

hasta cierto nivel, luego la válvula se abre y el condensado es descargado. Cuando está cerrada

nuevamente inicia el ciclo llenándose de vapor el cual se irá condensando. Entre estas trampas

tenemos:

Trampa de flotador libre Consta de una esfera hueca que hace de flotador, al ingresar el flujo de vapor, la esfera se

mantiene apoyada en un asiento. Cuando el vapor comienza a condensarse el nivel de agua

hace subir la esfera dejando libre el orificio de drenaje, una vez que el condensado

disminuye la esfera retorna a su posición en el asiento tapando el orificio de salida

causando la mínima perdida de vapor.

Trampa de flotador y palanca El vapor entra y comienza a condensarse haciendo subir una esfera flotante, la diferencia

con el anterior tipo de trampa es que la esfera está conectada a una palanca, la que a su vez

está conectada con la válvula de drenaje o salida. De este modo, cuando el nivel del

condensado comienza a subir también lo hará la válvula de salida, la que gradualmente

descargará el condensado, una vez terminada la descarga, el flotador desciende y

nuevamente se acomoda sobre el asiento para impedir el escape de vapor.

Trampa de balde Este tipo de trampa no posee la esfera flotadora, tiene un balde que hace de válvula.

Teniendo 2 variantes:

Trampa de balde abierta

Es llamada así ya que el balde que está dentro del cuerpo de la trampa está con su parte

abierta hacia arriba. Este balde flotará con el condensado cuando permanezca vacío, pero

caerá o descenderá por su peso cuando esté lleno de condensado. Cuando comience a

generarse condensado poco a poco irá llenando el espacio bajo el balde, con esto el balde

comenzará a subir y la válvula se cerrará. Conforme el nivel de condensado aumenta se



comenzará a llenar el balde que debido al peso tenderá a bajar abriendo la válvula. Así

mismo la presión ejercida por el vapor empujará al condensado por la guía de la varilla de

la válvula descargando el condensado hasta que nuevamente el balde pueda flotar.

Estas trampas no poseen un sistema de descarga de aire y gases no condensables, sólo se

podrá hacer manualmente o con un sistema termostático. Estas trampas son pesadas y de

gran tamaño en relación con su capacidad de descarga, debido a que trabajan en función

de a presión ejercida sobre el agua dependen de la sección que posee el balde.

Trampa de balde invertido

Posee en su interior un balde cuya abertura está hacia abajo(invertido). El vapor que entra

mantiene el balde flotando y mientras flote éste mantendrá cerrada la válvula de salida.

Cuando comienza a condensarse el interior de la trampa se va llenando del condensado, el

cual mandará al fondo al balde, haciendo que la válvula se abra, lo que junto con la presión

ejercida por el vapor dentro del balde descargará el exceso de condensado.

GRUPO TERMODINÁMICO

Este tipo de trampas de vapor operan bajo el principio de diferencia entre el flujo de vapor

sobre la superficie comparado con el flujo del condensado. Al entrar el vapor este viene con

una velocidad mayor y el disco que usan como válvula se cierra, y el disco se abrirá al

presentarse la baja velocidad del condensado.

Al comienzo la presión del condensado y/o aire levanta el disco de su asiento. El flujo es

radial debajo del disco, hacia la salida. La descarga prosigue hasta que el condensado se acerca

a la temperatura del vapor.

Un chorro de vapor reduce la presión debajo del disco y al mismo tiempo por compresión

origina presión en la cámara de control encima del disco, esto empuja al disco contra su

asiento, asegurando un cierre perfecto sin pérdidas de vapor.

Al acumularse condensado se reduce el calor en la cámara de control, conforme se va

condensando el vapor bloqueado en la cámara la presión se reduce. El disco es levantado por

la presión de entrada y se descarga el condensado.

GRUPO TERMOSTÁTICO



Estas trampas operan mediante un sensor de temperatura, el que indica la temperatura del

vapor y del condensado. Como el vapor se condensa adquiera una temperatura menor a la del

vapor, cuando ésta temperatura del condensado llega a cierto valor específico, la trampa se

abrirá para drenar el condensado. Entre este tipo de trampa tenemos:

Trampa de presión balanceada: Posee un termostato que en su interior está lleno de una mezcla de alcohol. Cuando el

cuerpo de la trampa está lleno de condensado, la mezcla está a una temperatura baja, en

comparación con el vapor, debido a esto el alcohol no ejerce presión dentro del tubo

corrugado en el que se encuentra, dejando salir al condesado a través del canal de salida.

Una vez que el vapor entra al cuerpo de la trampa es tal la temperatura de éste, que la

mezcla de alcohol comienza a hervir, causando un aumento en la presión del interior del

elemento. Esta presión es superior a la que se encuentra en el cuerpo de la trampa con lo

que tendremos una expansión del elemento termostático, causando el cierre de la válvula.

Una vez que la válvula a cerrado, el vapor no puede escapar. Entonces éste vapor

nuevamente se condensará y también se enfriará, con lo que también enfriará la mezcla de

alcohol en el elemento termostático.

Trampa tipo bimetálica: El llamado bimetal es la unión de dos láminas delgadas de metales distintos, los que al

haber una variación de temperatura se dilatan cantidades distintas.

El funcionamiento de las trampas bimetálicas es: La trampa está abierta en su totalidad en

el arranque, donde descargará el aire y el condensado que se encuentre al interior del

cuerpo ya que la temperatura de éste es menor que el condensado. Una vez que comience

a ingresar el vapor, la placa bimetálica (donde uno de sus extremos permanece fijo y al

otro se le une una válvula, reaccionará al cambio de temperatura dilatándose, para así

cerrar el orificio de salida por medio de la válvula.

La presión de vapor dentro de la trampa actúa para mantener cerrada la válvula, por lo que

para que el bimetal regrese a su posición de descarga es necesario que el condensado se

enfríe considerablemente.

Estas trampas son ligeras, de tamaño pequeño y con gran capacidad de descarga, además

son resistentes a los fluidos corrosivos, presiones de vapor elevadas y vapor

sobrecalentado.

6.- CONCLUSIONES

De la medición de grados BRIX de producto hubo un incremento con respecto al de alimentación, con lo que concluimos que el proceso se realizo con éxito en el sentido que se logro concentrar la solución.

Si bien se logro concentrar la solución, esta no es mucha, es decir que necesitaríamos que este proceso no sea de simple efecto sino de uno múltiple.



La economía del proceso es menor a 1 y en promedio para nuestras 3 corridas es de 0.59 esto da a entender que la cantidad de líquido condensado no es suficiente como para lograr concentrar más la solución concentrada.

La alimentación de la solución diluida debe estar a una temperatura lo suficiente como para llegar en un tiempo no tan largo a la temperatura de ebullición del solvente, de tal forma que el calor cedido por el vapor vivo esté enfocado más a la evaporación del solvente que para el incremento de temperatura.

Al hacer la gráfica U Vs ΔT, observamos que el coeficiente total U es inversamente proporcional a la caída de temperatura aparente, esto se debe a que el ΔT podría verse incrementado por el hecho de que la alimentación de la solución diluida está ingresando a una temperatura mucho menor a la temperatura de ebullición del solvente, entonces necesitará gran parte del calor cedido para incrementar su temperatura hasta el punto de ebullición del solvente, y luego comenzar a utilizar el calor restante para el cambio de fase de su solvente, entonces la solución a concentrar tendrá un mayor tiempo de estancia relativo para su incremento de temperatura que si ingresara a mayor temperatura, y como sabemos el coeficiente de transferencia de calor del agua(solución diluida, estancia relativa de tiempo mayor) es menor que el del vapor(solvente evaporándose), por lo que nos arrojará un coeficiente global de transferencia de calor menor.

7.- ANEXO

EVAPORADORES PARA EL MEDIO AMBIENTE, CONCENTRACIÓN DE PURINES DE CERDO.

La intensificación de las explotaciones agroganaderas ha supuesto en las granjas un aumento en la producción de purines. El alto índice de estiércol pastoso o semilíquido, derivado de la limpieza con agua, ha creado una nueva problemática medioambiental, ya que su manejo es difícil y su utilización como abono orgánico ya no es una práctica habitual, y estos residuos acaban vertiéndose y filtrándose en el suelo.

Ya que los residuos sólidos no presentan grandes dificultades en su manejo y además están valorizados en la agricultura, las actuaciones públicas y privadas se han centrado en buscar soluciones para los residuos que contienen un porcentaje de líquido, para reducirlos, reciclarlos y reutilizarlos. Los procesos de evaporación tienen como objetivo la reducción de volúmenes y la separación de sólido/líquido de materiales solubles. El problema reside en el mal comportamiento de los evaporadores en este tipo de proceso, debido a las incrustaciones de los depósitos en la pared de los intercambiadores de los cuerpos de evaporación.

CONTEXTO DE LA APLICACIÓN

La acumulación y sedimentación de los purines en el suelo de los criaderos de cerdos obliga a un consumo masivo de agua durante la limpieza de las granjas, agua que acaba altamente contaminada. La solución hasta el momento ha sido la de verterlos en los campos. Además de contaminar el agua subterránea, provoca la aparición de balsas y olores que afectan a los núcleos urbanos colindantes y que dificultan la actividad vecinal y, a veces, la turística. Nadie

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duda en este momento que la tecnología de purines en las plantas existentes no está afinada y es mejorable considerablemente.

La Administración española ha decidido resolver este problema desde un punto de vista lógico (cogeneración). Sin embargo, en este contexto, no se prima la eficacia térmica de la depuración, sino el resultado producido, independientemente. El problema era tecnológico, ahora, HRS pone a disposición del mercado tecnologías que permiten optimizar el ratio vapor/concentración a través de la única tecnología posible: multiefecto. Tecnología que permite:

Optimizar el uso de la energía disponible.

No añadir ácido sulfúrico a otros ácidos a la totalidad de purines.

No deshidratar ni secar directamente.

Reducir el alto consumo eléctrico.

Maximizar la producción de luz.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

La evaporación de purines con la tecnología de múltiple efecto se utiliza cuando la planta está asociada a una instalación de cogeneración eléctrica. La evaporación del purín se realiza en dos etapas, para mejorar la eficiencia en la transmisión de calor, ya que en la primera etapa (preconcentración) se realiza la mayor parte de la evaporación manteniendo una baja viscosidad del producto. En la segunda etapa, el purín adquiere una mayor viscosidad debido al contenido en materia seca.

1. Fijación del amoniaco

Los condensados procedentes de los condensadores correspondientes a las etapas de preconcentración, concentración y acabado, son recogidos en un depósito pulmón de condensados, donde se consigue una separación ciclónica de vapores y agua líquida. Esta última es extraída por una bomba de evacuación que la envía hasta el depósito o balsa de acumulación a una temperatura de 50ºC aproximadamente, con un contenido en amoniaco inferior a 15ppm, tal como exige la normativa para el vertido de aguas. Los vapores pasan por un condensador. Una bomba de vacío envía los condensados y los gases que aún existan hasta la trampa de amoniaco. En el camino hacia la trampa existe un intercambiador de calor para el enfriamiento de los gases y la condensación de vapores residuales, los cuales entran en el depósito de trampa de amoniaco. La concentración del agua residual se ha de realizar en un intercambiador de calor de superficie rascada que garantice una limpieza en continuo del equipo, evitando posibles incrustaciones sólidas en la pared de los tubos, y manteniendo los coeficientes de transmisión de calor durante todo el tiempo de funcionamiento del equipo.

Los intercambiadores de calor están colocados en posición vertical para facilitar la recirculación. Para mejorar la eficiencia en la transferencia de calor realizada en cada efecto del evaporador, se dispone de una bomba de recirculación que hace pasar un gran caudal de agua a través del evaporador. Esta bomba es de tipo centrífugo con rodete abierto.

2. Precalentamiento y entrada al primer efecto

El agua entrante es inyectada precalentada a una temperatura de 125ºC en el primer efecto del evaporador. Este precalentamiento tiene lugar en intercambiadores tubulares, recuperando la



energía de los condensados de los diferentes efectos. La evaporación en el primer efecto se consigue utilizando la energía procedente del vapor de caldera a 170ºC. En el resto de los efectos se utiliza la energía del vapor generado en el efecto anterior.

3. Funcionamiento de cada efecto de evaporación

El agua entrante es introducida en el efecto a la entrada del evaporador, por lo que se mezcla con la ya existente en recirculación. A la salida del evaporador, la mezcla de vapor y agua entra en un ciclón separador de fases líquida y gaseosa. La parte líquida cae al fondo del separador ciclónico y continúa el proceso de recirculación y/o extracción. Por otro lado, los vapores escapan por la parte superior del separador para ser condensados en el lado de camisa del siguiente efecto de evaporación.

Para evitar la adición de ácido para la fijación del amoniaco, se dispone de un sistema que nos permite poner en contacto los gases de evaporación a través de una solución ácida, lo que nos permite fijar el amoniaco a través de sulfato amónico. El equipo incluye un sistema de extracción de parte del agua en recirculación, para pasar a la siguiente etapa de concentración, aprovechando la presión diferencial. El caudal de salida es controlado por medio de una válvula modulante.

Los condensados que se producen en cada evaporador pasan a un depósito de acumulación desde el que son extraídos por medio de una bomba centrífuga que los impulsa a través de un intercambiador de recuperación de calor hasta el depósito de acumulación del siguiente efecto. Por otro lado, en este recuperador circula el agua que va a entrar en el primer efecto. El producto concentrado se envía a un acabador y de éste a un secadero indirecto.

4. Condensador final y grupo de vacío

Los vapores procedentes del último efecto son condensados en atmósfera de vacío en un condensador final.Existen dos opciones: un condensador multitubular de tubo corrugado refrigerado por agua, o condensadores con tubo aleteado refrigerados con aire.Los condensados son acumulados en un depósito cerrado desde el que son extraídos por medio de una bomba centrífuga. Este depósito está conectado a la bomba de vacío.

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Comentario:

Los evaporadores son de gran importancia en la actualidad no solo para la industria alimentaria , sino que también para el cuidado del medio ambiente , tanto así que se utiliza para un manejo adecuado de abono orgánico sin contaminar el medio ambiente, anteriormente la acumulación y sedimentación de los purines obligaba a un consumos masivo de agua que luego eran vertidos los ríos y suelos, llegando a contaminarlas, ahora en la actualidad la purinas son tratadas en un procesos de evaporación que tienen como objetivo la reducción de volúmenes y la separación de sólido/líquido de materiales solubles.

BIBLIOGRAFÍA

DONALD Q. KERN ;Procesos de Transferencia de Calor; Compañía Editorial Continental; Pág. 131-212

http://vinosyenologia.blogcindario.com/2010/08/00008-tabla-de-conversion-de-

grados-baume-brix-alcohol.html

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