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• Noeli Cutipa Ccoarite

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INTRODUCCIÓN Las plantas de vapor y las máquinas de combustión interna) son similares en cuanto a que ambas son dispositivos para convertir en trabajo parte del calor liberado cuando es quemado un combustible. Sin embargo, son diferentes en cuanto que el fluido activo de una planta de vapor pasa por un ciclo (en sentido termodinámico) mientras que el de una máquina de combustión interna no. Así, el fluido activo en una planta de vapor retorna periodicamente al mismo estado y repite la misma serie de procesos una y otra vez. Por el otro lado, el fluido activo de las máquinas de combustión interna es el combustible mismo, junto con el aire necesario para quemarlo el cual fluye a través de la máquina solamente una vez, y no retorna a su estado inicial.

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el ciclo hoy usado todavía por las máquinas refrigerantes. Es un ciclo contínuo, y el aparato necesario consiste de una válvula de expansión, un evaporador, un compresor, y un condensador. Estas partes componentes están conectadas una seguida de la otra. El refrigerante sale del condensador como un líquido a alta presión y fluye a través de la válvula de expansión, sufriendo una caída en su presión. Como un resultado de este proceso de estrangulación, parte del líquido se evapora rápidamente. La mezcla resultante fluye en seguida a través del evaporador, en donde absorve calor y usualmente es vaporizado por completo. La temperatura a la que tiene lugar esta evaporización depende de la presión existente en el evaporador y puede bajarse disminuyendo esta presión

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EVAPORIZACIÓN La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea esta. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrarse, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, la cual no depende del volumen, pero varía según la naturaleza del líquido y la temperatura. Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación.

En la evaporación, por lo general, el producto valioso es el líquido concentrado (licor espeso) mientras que el vapor se condensa y se desecha. Sin embargo, en un caso específico es probable que ocurra lo contrario. El agua mineral se evapora con frecuencia a fin de obtener un producto exento de sólidos para la alimentación de calderas, para procesos con requerimientos

especiales

o

para

el

consumo humano. Esta técnica se conoce con

frecuencia

con

el

nombre

de

destilación de agua, pero técnicamente es evaporación. Se han desarrollado procesos de evaporación a gran escala que se utilizan para la recuperación de agua potable a partir de agua de mar. En este caso, el agua condensada es el producto

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deseado. Sólo se recupera una fracción del agua total contenida en la alimentación, mientras que el resto se devuelve al mar.

Características del líquido La solución práctica a un problema de evaporación está en estrecha relación con el carácter del líquido que se concentra. Es la gran variedad de características de licores (que demanda criterio y experiencia en el diseño y operación de evaporadores) lo que amplía esta operación desde una sencilla transferencia de calor hasta un arte separado. A continuación, se comentan algunas de las propiedades más importantes de los líquidos que se evaporan.  Concentración. Aunque la solución de alimentación que entra como licor a un evaporador puede estar suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración la solución adquiere cada vez un carácter más individualista. La densidad y la viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se transforma en saturada o el licor se vuelve demasiado viscoso para una transferencia de calor adecuada. La ebullición continuada de una solución saturada da lugar a la formación de cristales, que es preciso separar, pues de lo contrario los tubos se obstruyen. La temperatura de ebullición de la solución puede también aumentar en forma considerable al aumentar el contenido de 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.

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 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.

 Incrustaciones. Algunas soluciones depositan costras sobre la superficie de calentamiento. En estos casos, el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega un momento en que es preciso interrumpir la operación del evaporador y limpiar los tubos.

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 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. Debido a que los

materiales

especialmente

son

caros,

deseable

resulta obtener

elevadas velocidades de transferencia de calor con el fin de minimizar los costos del equipo. 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. Debido a la gran variedad de propiedades de las soluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores. La elección para el caso de un problema específico depende esencialmente de las características del líquido.

Operación de simple y múltiple efecto La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. Excepto en algunos casos de evaporadores de tubos horizontales,10 el material a evaporarse fluye dentro de los tubos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado, con presión tan baja hasta de 0.05 atm absolutas. Al reducir la temperatura de ebullición del líquido, aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor y el líquido en ebullición y, por lo tanto, aumenta la velocidad de transferencia de calor en el evaporador Evaporador de simple efecto Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y desecha. Este método recibe el nombre de evaporación de simple efecto, y aunque es sencillo, utiliza ineficazmente el vapor.

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Características del evaporador concentrador de simple efecto  Recuperación de alcoholes Tiene una gran capacidad de recuperación y de concentración de vacío en procedimientos que hacen que su capacidad sea de 5 a 10 veces mayor y el consumo de energía sea un 30% menor. Por lo tanto, esta circulación exterior se caracteriza por una pequeña inversión y un alto beneficio.  Concentración de Líquidos. El evaporador concentrador utiliza un módulo de calentamiento externo de ciclo manual y un sistema de vacío por presión negativa. Esto caracteriza a que la evaporación tenga una proporción de 1 a 3. El material líquido se concentra bajo un estado sellado que no produce burbujas. La concentración de líquidos por simple efecto fuera del evaporador concentrador está libre de contaminación y tiene un fuerte sabor a medicamento.  El evaporador es de fácil limpieza. (solo necesita que sea abierto para poder tener acceso a la parte inferior y ser limpiado). El dispositivo es fácil de manejar y necesita de un pequeño cimiento en el área donde va a ser instalado. La caldera y el evaporador este hecho de acero inoxidable que alcanza una mejor conducción de calor. El poliuretano es usado como material térmico de insolación. La superficie del evaporador concentrador ha sido tratada con arena molida así que la superficie encuentra un nivel de pulido que sobrepasa el sugerido por la normativa de calidad GMP. Evaporador de doble efecto: En un evaporador de efecto múltiple, el agua se hierve en una secuencia de vasos, cada uno con una presión menor que el anterior. Debido a la temperatura de ebullición del agua, el vapor que hierve en un vaso puede ser usado para calentar el siguiente, y solo el primer vaso (el de mayor presión) requiere una fuente externa de calor. En teoría se pueden construir un número ilimitado de etapas, pero evaporadores con más de cuatro etapas son pág. 6

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excepciones raras y que sólo se usan cuando se quiere recuperar el resultante de evaporar el agua en sistemas de recuperación química, donde se pueden alcanzar más etapas.

Métodos de alimentación de un evaporador de simple efecto:  Alimentación directa: El alimento entra en el primer efecto y sigue el mismo sentido de circulación que el vapor saliendo el producto en el último efecto. El líquido circula en el sentido de presiones decrecientes y no es necesario aplicar energía auxiliar para que el líquido pase de un efecto al otro. Solo hacen falta dos bombas, una para introducir el líquido en el primer efecto y otra para extraer el producto en el último efecto.

 Alimentación a contracorriente: El líquido a evaporar entra en el último efecto y sale concentrado por el primero. El líquido a concentrar y el vapor calefactor circulan en sentido contrario. Aquí el líquido circula en sentido de presiones crecientes y eso requiere el uso de bombas en cada efecto para bombear la disolución concentrada de un efecto hacia el siguiente. Eso supone una complicación mecánica considerable que se suma al hecho de hacer trabajar las

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bombas a presiones inferiores a la atmosférica. Así, si no hay otras razones, se prefiere el sistema de alimentación directa.

 Alimentación mixta: Cuando en una parte del sistema la alimentación es directa y en la otra parte es a contracorriente. Este sistema es útil si tenemos disoluciones muy viscosas. Si utilizamos la corriente directa pura, nos encontramos que el último efecto, donde hay menos temperaturas la viscosidad de la disolución concentrada aumenta, lo que hace disminuir sensiblemente el coeficiente global, U, en este efecto. Para contrarrestar eso, se utiliza la alimentación a contracorriente o la mixta. La disolución diluida entra en el segundo efecto i sigue el sentido de la alimentación directa, pasando después del último efecto al primero, para completar la evaporación a temperatura elevada.

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Alimentación en paralelo: Cuando el alimento entra simultáneamente a todos los efectos y el líquido concentrado se une en una sola corriente. Sistema utilizado en la concentración de disoluciones de sal común, donde los cristales depositados hacen que resulte difícil la disposición de la alimentación directa.

Tipos de evaporadores Los principales tipos de evaporadores tubulares calentados con vapor de agua que se utilizan actualmente son: 1. Evaporadores de tubos largos verticales: a) Flujo ascendente (película ascendente). pág. 9

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Los evaporadores de película ascendente o "rising film" son del tipo carcasa y tubos, en los que el producto circula por el interior de los tubos y el vapor por la carcasa, calentando las paredes externas de los mismos y fueron los primeros equipos evaporadores que se diseñaron. En la actualidad son utilizados en pocas aplicaciones, ya que los avances tecnológicos permitieron encontrar configuraciones más adecuadas y eficientes, como los evaporadores falling film. El principio de funcionamiento de los evaporadores rising film es mediante termosifón, en el que el líquido asciende por las paredes de los tubos impulsado por la propia fuerza ascensional producida por la diferencia de densidad del liquído caliente y el vapor que se genera al entrar en contacto con las paredes calientes de los tubos. Contrariamente a los evaporadores falling film, el líquido en estos equipos entra por la parte inferior y sube uniformemente por los tubos hasta una olla de separación ubicada en la parte superior del equipo, donde se separan los vahos del líquido concentrado. El líquido concentrado puede entonces ser enviado en su totalidad al siguiente efecto o recircular una fracción en el mismo efecto y enviar al siguiente efecto el resto. En los evaporadores rising film se debe contemplar una diferencia de temperatura grande entre el vapor y el líquido para favorecer una evaporación intensa y aumentar la turbulencia y velocidad ascensional, de lo contrario el coeficiente de transferencia sería muy bajo. Además, el largo de los tubos utilizados es menor que en los evaporadores falling film, rondando los 6 o 7 metros de longitud. Estos equipos cuentan con la ventaja de no requerir del uso de bombas para trasvasar el líquido de un efecto a otro, pero en detrimento se consiguen velocidades de circulación más lentas y turbulencia baja, lo que impide tener coeficientes de transferencia altos y favorece la formación de incrustaciones.

b) Flujo descendente (película descendente). Los evaporadores de película descendente o "falling film" son del tipo carcasa y tubos, en los que el producto circula por el interior de los tubos y el vapor por la carcasa, calentando las paredes externas de los mismos. El líquido entra por la parte superior y cae de manera uniforme por los tubos por acción de la gravedad, formando una delgada capa que es calentada por contacto con la pared interior de los mismos. En los evaporadores falling film el producto pasa por los tubos de un efecto y luego es transportado al siguiente efecto hasta que es extraído del equipo. Los líquidos generalmente disminuyen su viscosidad por aumento de la temperatura, lo cual permite aumentar la velocidad de caída y esto da como resultado un equipo que trabaja con bajos tiempos de residencia, factor de importancia al concentrar líquidos extremadamente termosensibles. Esta propiedad es utilizada para determinar el correcto flujo del producto entre los cuerpos evaporadores, ya que en muchas ocasiones conviene evaporar el producto concentrado en el primer cuerpo para facilitar el flujo y generar un mejor coeficiente de transferencia debido a la menor viscosidad a altas temperaturas.

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La alta velocidad de circulación del producto en los evaporadores falling film permite responder rápidamente a los cambios en las condiciones de operación y reducir los tiempos de arranque y parada del equipo. En los concentradores de película descendente, la capa de producto debe ser lo suficientemente delgada para permitir un alto coeficiente de transferencia térmica, pero se debe evitar la incrustación del producto en los tubos debido a una capa de poco espesor. En algunas configuraciones, dependiendo del producto y la aplicación, el líquido puede ser recirculado al mismo efecto mediante bombas de alto caudal para optimizar aún más la transferencia térmica por la alta turbulencia del producto dentro de los tubos y mejorar el cubrimiento de los tubos evitando el quemado de producto o la formación de incrustaciones. Para evitar esto, el diseño de la olla de distribución del producto, ubicada a la cabeza de cada cuerpo evaporador, es un punto crítico y esencial para el correcto funcionamiento del equipo y la obtención de un producto final de primera calidad. Esto se combina con la utilización de tubos largos de hasta 13 metros de longitud, aumentando el caudal de líquido por tubo ya que así se puede conseguir la misma superficie de intercambio con una menor cantidad de tubos gracias a su mayor longitud. El evaporador "falling film" además permite trabajar con bajas diferencias de temperatura debido a los altos coeficientes de transferencia térmica que se consiguen. Esto es de particular importancia en los equipos de múltiples efectos, ya que un bajo coeficiente de transferencia implicaría la utilización de mayor superficie de intercambio, agrandando los equipos y aumentando la inversión de capital.

c) Circulación forzada. En los evaporadores de circulación forzada ("forced circulation evaporators") el producto se recircula mediante una bomba de gran caudal de líquido a través de los tubos asegurando un contacto efectivo con la superficie de calentamiento y una velocidad controlada del producto

a

concentrar.

El evaporador de circulación forzada cuenta con un intercambiador de calor por el que circula el producto pero no es concentrado hasta que alcanza una cámara flash al final del equipo, en la que la disminución de la presión por el vacío que hay en la misma.

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En estos evaporadores se alcanzan altos coeficientes de transferencia con productos problemáticos reduciendo el ensuciamiento y prolongando el período de operación del equipo sin efectuarse una limpieza. Debido a que el producto es recirculado mediante bombas, un evaporador de este tipo puede operar con producciones muy inferiores a las de diseño

sin

producirse

incrustaciones

por

secado

excesivo

de

producto.

Otra ventaja de estos equipos es que los cuerpos evaporadores pueden ser colocados en sentido vertical u horizontal, ya que el líquido circula por acción de las bombas y no por gravedad o por termosifón como en los evaporadores falling film y rising film. Como contrapartida, los evaporadores de circulación forzada tienen un mayor consumo eléctrico debido a las bombas de alto caudal y un mayor tiempo de residencia que en el de película descendente. Los productos para los que se utiliza este tipo de concentradores son generalmente aquellos en que se presenta la precipitación del producto, ya sean cristales u otra forma de sólidos. Suelen utilizarse en combinación con otros tipos de evaporadores (rising film o falling film), conformando un sistema de evaporación mixto en el que se utilizan los evaporadores de circulación forzada en las etapas de mayor concentración donde el fluido es muy viscoso, para aumentar los coeficientes de transferencia térmica y disminuir el tamaño del equipo.

2. Evaporadores de película agitada.

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En un evaporador tipo película agitada, un sistema rotatorio de raspadores distribuye el producto crudo a una película en la superficie interior de una tubería que es calentada. El sistema de raspadores aumenta la velocidad del proceso de evaporación manteniendo la película con turbulencia optimizando así la transferencia de masa y la transferencia de calor. La fracción de componentes de bajo punto de ebullición del material crudo se evapora de la película en un corto tiempo; el tiempo de residencia del producto en la pared del evaporador es muy corto. Los vapores son condensados en un condensador externo. El concentrado es continuamente

descargado

por

la

parte

inferior

del

evaporador.

Estando el condensador ubicado en la parte exterior del evaporador y conectado al mismo por una tubería, la velocidad de los vapores a altas tasas de evaporación y bajas presiones será muy alta. Debido a la caída de presión creada por los vapores en su camino al condensador externo, el vacío alcanzable en un evaporador de película agitada está limitado a aproximadamente 1 mbar. Ventajas de la destilación tipo película agitada  Proceso de destilación continuo  Bajas presiones de operación  Corto tiempo de residencia  Alta tasa de evaporación  Procesamiento de productos de alto punto de ebullición, alta viscosidad o cristalizantes  Posible columna

combinación para

con

incrementar

una el

número de platos teóricos  Bajo ensuciamiento en pared del evaporador.

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LINKOGRAFIA

https://es.wikipedia.org/wiki/Evaporador_de_efecto_m%C3%BAltiple#/media/File:Double_e ffect_evaporator.PNG http://www.vta-process.de/es/productos/evaporadores/evaporadores-tipo-peliculaagitada.html http://es.slideshare.net/Nea_Gtz/evaporadores-9849982?next_slideshow=1 http://www.ingcontreras.com.ar/es/equipos/evaporador-circulacion-forzada http://www.epsem.upc.edu/evaporacio/DEFINITUI1/MULTIPLEEFECTO+ALIM.html http://slideplayer.es/slide/3139858/ http://www.ingcontreras.com.ar/es/equipos/evaporador-pelicula-ascendente http://www.foodmachinery.es/4a-circulating-concentrator.html http://www.ingcontreras.com.ar/es/equipos/evaporador-pelicula-descendente http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-148.htm https://es.scribd.com/doc/153048698/Problemas-Resueltos-Evaporacion-Efecto-Simple

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