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• Fernanda Reyes

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INTRODUCCIÓN Una operación unitaria bastante frecuente en las industrias de los procesos es la evaporación, en la cual se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la que se obtiene una solución más concentrada, logrando con ello la finalidad de la puesta en práctica de este proceso. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. La evaporación, forma parte de las operaciones que son controladas por la transferencia de energía, ya que un sistema y sus alrededores pueden intercambiar energía en forma de calor o en forma de trabajo. La velocidad de transmisión de calor desempeña un papel controlante en este proceso. Es una operación muy empleada en diversas industrias, bien sea para aprovechar la disolución concentrada o para aprovechar el vapor del disolvente, por ello es de gran utilidad estudiar todo lo relacionado a este proceso tan importante para poder aplicarlo.

DEFINICIÓN

EVAPORACION “Operación que consiste en la separación de un disolvente volátil de un soluto no volátil por vaporización del disolvente” (OCON J. & TOJO G.) 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, el solvente es agua. (MCCABE W. & SMITH J., 2007) EVAPORADORES “Son equipos vaporizantes que utilizan como fuente de energía un vapor latente a una temperatura mayor a la temperatura de vaporización del agua o solución acuosa para concentrar.” Un evaporador consiste básicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solución y un dispositivo para separar la fase vapor del líquido en ebullición. En su forma más simple puede ser una charola de líquido colocada sobre una placa caliente.

COMPONENTES BÁSICOS DE UN EVAPORADOR Los evaporadores industriales están compuestos normalmente por (GUERRERO, 1987): 1. Un intercambiador de calor para suministrar calores sensible y latente de evaporación al alimento. 2. Un separador en el que se separe el vapor de la fase liquida concentrada. 3. Condensador para llevar a cabo la condensación del vapor y su separación, componente que se puede omitir si el sistema trabaja a la presión atmosférica.

FACTORES DE PROCESO

Existen algunos factores que se deben considerar a la hora de elegir el tipo de evaporador a utilizar, ya que las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor tienen un efecto sobre esta decisión. Algunas de estas propiedades son (GEANKOPLIS, 1988): 

Concentración en el líquido. La densidad y la viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se hace muy dificultosa para la adecuación de transmisión de calor.



Solubilidad. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución.



Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y del tiempo.



Formación de espumas. Algunos materiales, especialmente sustancias orgánicas, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material.



Presión y temperatura. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador y la concentración del material disuelto, mayor será la temperatura de ebullición.



Formación de incrustaciones y materiales de construcción. Las incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador.

El diseñador de un evaporador debe tener en cuenta muchas otras características del líquido. Algunas de ellas son el calor específico, el calor de concentración, la temperatura de congelación, la liberación de gas durante la ebullición, la toxicidad, los peligros de explosión, la radioactividad y la necesidad de operación estéril. (MCCABE W. & SMITH J., 2007)

TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN

El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido. Estos tipos generales son (GEANKOPLIS, 1988): 

MARMITA ABIERTA O ARTESA. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. Estos evaporadores son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo.



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.



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.



EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el del lado del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el líquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos el líquido está en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el líquido

pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo.



EVAPORADOR DE CAÍDA DE PELÍCULA. 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 debido a que el tiempo de retención es bastante bajo y el coeficiente de transferencia de calor es alto.



EVAPORADOR DE 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 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.



EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA. 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 vertical. La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior. Este tipo de evaporador es

práctico para materiales muy viscosos, pues el coeficiente de transferencia de calor es mayor que en los modelos de circulación forzada. Se usa para materiales viscosos sensibles al calor. Sin embargo, tiene costo alto y capacidad baja.



EVAPORADOR SOLAR DE ARTESA ABIERTA. Un proceso muy antiguo pero que todavía se usa es la evaporación solar en artesas abiertas. El agua salina se introduce en artesas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta que cristalice.

MÉTODOS DE OPERACIÓN PARA EVAPORADORES EVAPORADORES DE EFECTO SIMPLE El líquido de alimentación pasa una sola vez a través de los tubos, desprende el vapor y sale de la unidad como líquido concentrado. 

Son especialmente útiles para el tratamiento de materiales sensibles al calor, y operando con un vacío elevado se puede mantener el líquido a baja temperatura.



Con un solo paso rápido a través de los tubos el líquido concentrado está durante un corto período de tiempo a la temperatura de evaporación y se puede enfriar bruscamente a medida que abandona el evaporador.



Los evaporadores de película: agitada, ascendente y descendente también pueden operar de esta forma.

En el cálculo de la velocidad de transferencia de calor en un evaporador se emplea el concepto de un coeficiente total de transferencia de calor. Se establece Donde entonces la ecuación: q=UA ∆ T =UA (T S −T l )

q es la velocidad de transferencia de calor en W (btu/h) U es el coeficiente de transferencia de calor en W/m2.K (btu/h.ft2.°F) A es el área de transferencia de calor en m 2 (ft2) Ts es la temperatura del vapor que se condensa en K (°F) Tl es el punto de ebullición del líquido en K (°F)

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.

 

El coeficiente de transmisión de calor tiende a ser bajo. 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.

En un evaporador de múltiple efecto la superficie de calentamiento del primer efecto transmitirá por hora una cantidad de calor de acuerdo con la ecuación: q1 =A 1 U 1 ∆ T 1 El calor transferido en el segundo efecto viene dado por la ecuación: q 2=A 2 U 2 ∆T 2 Como q1 y q2 son prácticamente iguales: A 1 U 1 ∆T 1= A2 U 2 ∆ T 2

Este razonamiento puede ampliarse, de forma que, aproximadamente: A 1 U 1 ∆T 1= A2 U 2 ∆ T 2 =A 3 U 3 ∆T 3 En la práctica ordinaria las áreas de calentamiento de todos los efectos de un evaporador de múltiple efecto son iguales, lo cual conduce a una economía en la construcción. Por lo tanto, puesto que q1 = q2 = q3,

U 1 ∆ T 1=U 2 ∆T 2=U 3 ∆ T 3=

q A

SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN Los sistemas de alimentación reciben nombre distinto según el sistema de circulación seguido por el líquido a concentrar, denominándose (OCON J. & TOJO G.): 1. ALIMENTACIÓN DIRECTA. Cuando la dirección de la corriente del vapor de calefacción y del líquido a concentrar es la misma. 2. ALIMENTACIÓN EN CONTRACORRIENTE. Cuando la dirección de la corriente del vapor de calefacción y del líquido a concentrar son contrarias, entrando el líquido por el ultimo efecto. 3. ALIMENTACIÓN MIXTA. En una parte del sistema la dirección de las corrientes es directa y en otra es en contracorriente. 4. ALIMENTACIÓN EN PARALELO. Cuando la alimentación entra simultáneamente en todos los efectos y el líquido concentrado procedente de cada efecto se une en una sola corriente. DIFERENCIA ÚTIL DE TEMPERATURAS SIMPLE EFECTO

MÚLTIPLE EFECTO ∆ t útil=(t 0 −t n )−(∆ e 1 +∆ e 2 +∆ e 3 …)

∆ t útil=t cond−t eb −∆ e Diferencia

entre

la

temperatura

de

condensación del vapor vivo y la temperatura se ebullición del líquido hirviente contenido en la cámara de evaporación.

Diferencia entre la temperatura de condensación del vapor vivo y la temperatura de condensación del vapor procedente del último efecto, menos la suma de los incrementos en el punto de ebullición correspondiente a los distintos efectos.

APLICACIONES PRÁCTICAS Tienen un sinfín de aplicaciones y cada uno es fabricado según las necesidades y características que el cliente desee, principalmente son utilizados para la obtención de agua desmineralizada para calderas u otros procesos,, en las industrias de alimentos y de farmacología o como ya se mencionó con anterioridad en la industria e jugos de fruta, hidrolizados, extractos, entre otros. Además que debemos tomar en cuenta las características del líquido que será concentrado ampliando esta operación desde una sencilla transferencia de calor hasta una complicada y arte de separación. Para evaporar un líquido es necesario tener presentes algunas de sus propiedades más importantes como: Concentración: Esta propiedad es de mucha importancia ya que en el transcurso del proceso la concentración del líquido es nuestro objetivo por lo que su punto de ebullición puede ir aumentando al considerar un aumento en los sólidos de modo que la temperatura de ebullición de una solución concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presión Formación de espuma: Algunos materiales, en especial las sustancias orgánicas, forman espuma durante la vaporización. Una espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador, causando un fuerte arrastre. Sensibilidad a la temperatura: Muchos productos químicos finos, productos farmacéuticos y alimentos se deterioran cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos materiales se necesitan técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento. Materiales de construcción: Siempre que es posible, los evaporadores se construyen con algún tipo de acero. Sin embargo, muchas soluciones atacan a los metales ferrosos y se produce contaminación. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como cobre, níquel, acero inoxidable, aluminio, grafito y plomo. Por lo tanto cada evaporador debe contener algunos de los siguientes componentes necesarios: 

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, etc)

CONCENTRACIÓN EN LA DISOLUCIÓN: ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN Y LA REGLA DE DÜHRING La evaporación se lleva a cabo para tres fines principales: 1. Para la concentración de un líquido antes de proceder a operar con él, un ejemplo de esto es la cristalización por lo tanto la industria azucarera. 2. Disminuir el volumen del líquido para que así reducir de costos de almacenamiento principalmente y transporte. 3. Por último para aumentar la concentración de sólidos solubles de los productos, a fin de facilitar su preservación.

La resolución de los conceptos generales referentes a la transmisión del calor desde el vapor condensante hasta la disolución a concentrar. Esta cantidad de calor viene dada por:

q=UA ∆ t

Coeficiente integral de transmisión del calor: Para su determinación debemos conocer el coeficiente de condensación del vapor de calefacción, la resistencia de conducción del material que forma la superficie de intercambio de calor entre el vapor condensante y la disolución, incluyendo los depósitos sólidos, y el coeficiente de convección del líquido hirviente.

En cuanto a la concentración de la disolución, si se trata de un disolvente puro, su temperatura de ebullición sería la correspondiente a la presión que mantuviera en la cámara de evaporación, pero al tratarse de disoluciones hemos de tener de cuenta que la presión de vapor de la disolución es menos que la del disolvente puro; por lo tanto la temperatura de ebullición de la disolución será mayor que del disolvente, denominándose a la diferencia entre ambas elevación en el punto de ebullición. Para las disoluciones ideales de acuerdo con la ley de Raoult, resulta: Donde: R →Constante de los gases T b → Temperaturanormal de ebullici ón x → fracción molar del soluto Mλ →

Calor

latente

molar

de

2

∆ T b=

R Tb x Mλ

Según esta ley, para el mismo número de moles distintas sustancias en el mismo disolvente se producirá la misma elevación en el punto de ebullición y para la misma cantidad de distintas sustancias disueltas en el mismo disolvente se originará una elevación en el punto de ebullición tanto mayor cuanto menor sea su peso molecular. Para poder llevar a cabo y poder cumplir con todos estos requerimientos es necesario crear y pensar un estudio detallado acerca de los equipos que nos ayudan a realizar estas características como bien sabemos se les conoce como: Debido a que las desviaciones experimentales que presenta esta ley para disoluciones iónicas son grandes, en la práctica para el cálculo del incremento en el punto de ebullición hacemos uso de la regla de Düring según la cual: “Si se representa el punto de ebullición de una disolución frene a la temperatura de ebullición del disolvente los puntos correspondientes a distintas presiones caerán sobre una recta.”

COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR

DE PELÍCULA DE VAPOR

DEL LADO DEL LÍQUIDO

GLOBALES

Es elevado, aun para la condensación de película. A veces se adicionan promotores al vapor para provocar la condensación de gotas y aumentar todavía más el coeficiente. Depende en gran medida de la velocidad del líquido sobre la superficie calentada. En la mayoría de los evaporadores, la resistencia del lado líquido controla la velocidad global de transferencia de calor al líquido en ebullición. Están basados en la caída neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevación del punto de ebullición. Se pueden determinar con tablas o gráficas.

En la siguiente tabla se muestran los coeficientes globales de evaporadores típicos. Coeficientes globales típicos de los evaporadores Tipo Evaporadores de tubos verticales largos Circulación natural Circulación forzada Evaporador de película agitada, liquido newtoniano, viscosidad 1 cP 1P 100 P

Coeficiente global U w/m2.°C Btu/ft2.h °F 1000-2500 2000-5000

200-500 400-1000

2000 1500 600

400 300 120

El coeficiente total de transferencia de calor U de un evaporador está constituido por el coeficiente del lado del vapor que se condensa, por la pared metálica, que tiene una conductividad térmica alta y casi siempre una resistencia despreciable; por la resistencia de las incrustaciones en el lado del líquido, y por el coeficiente de la película líquida, que por lo general se forma en el interior de los tubos. 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 kilogramos de agua vaporizada por hora.



La economía es el cociente entre la cantidad de agua evaporada y el calor de vapor suministrado. En un evaporador de simple efecto la economía es siempre algo menor que 1, pero en los evaporadores de múltiple efecto se considera mayor.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA GEANKOPLIS. “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias”. CECSA. MCCABE W. & SMITH J. “Operaciones Básicas de Ingeniería Química”. Reverté. 2007 OCON J. & TOJO G. “Problemas de Ingeniería Química”. Aguilar. Madrid. 1974.