Evaporador DE Simple Efecto PDF

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Instituto Politécnico NacionalESIQIEIntroducción a los Procesosde SeparaciónEvaporadores de Simple EfectoTipos de EvaporadorProfa.: Patricia Flores SánchezArias Alarcón Viola M.3IVEVAPORADOR DE SIMPLE EFECTOEvaporadores de efecto simple. En la figura siguiente se muestra un diagrama simplificado del...

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Instituto Politécnico Nacional

ESIQIE

Introducción a los Procesos de Separación Evaporadores de Simple Efecto Tipos de Evaporador

Profa.: Patricia Flores Sánchez

Arias Alarcón Viola M. 3IV36

EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO Evaporadores de efecto simple. En la figura siguiente se muestra un diagrama simplificado del evaporador de una sola etapa o de efecto simple. La alimentación entra a TF K 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 esta 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. 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 entonces la ecuación

donde q es la velocidad de transferencia de calor en W (btu/h), U es el coeficiente total de transferencia de calor en W/m 2 * K (btu/h . pie 2 . °F), A es el 6rea de transferencia de calor en m2 (pie2), Ts es la temperatura del vapor que se condensa en K (°F) y T1 es el punto de ebullición del líquido en K (°F).

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. Balance de calor y de materia para evaporadores La expresión básica para determinar la capacidad de un evaporador de efecto simple es la ecuación que puede escribirse como q = UA ΔT donde ΔT K (°F) es la diferencia de temperatura entre el vapor de agua que se condensa y el líquido a ebullición en el evaporador. Para resolver la ecuación (8.4-l) es necesario determinar el valor de q en W (btu/h) llevando a cabo un balance de calor y materia en el evaporador de la figura inferior. La alimentación al evaporador es F kg/h (Ibm/h) con contenido de sólidos de fracción de masa X F, temperatura TF y entalpía hF J/kg (btu/lbm). La salida es de un líquido concentrado L kg/h (lb m/h) con un contenido de sólidos xL una temperatura T1 y una entalpía hL. El vapor V kg/h (lb,/h) se desprende como disolvente puro con un contenido de sólidos yv= 0, temperatura T l y una entalpía Hv. La entrada de vapor de agua saturado S kg/h (Ibm/h) tiene temperatura de Ts y entalpía Hs. Se supone que el vapor de agua condensado S kg/h sale a Ts, esto es, a la temperatura de saturación, y con entalpía de hs Esto significa que el vapor de agua solo transfiere su calor latente λ, que es

(Ecuación 1) Puesto que el vapor V esta en equilibrio con el líquido L, las temperaturas de ambos son iguales. Además, 1ª presión P 1 es la de vapor de saturación del líquido de composición x L a su punto de ebullición T1, (Esto supone que no hay elevación del punto de ebullición.) Para el balance de materia, y puesto que se trata de estado estacionario, la velocidad de entrada de masa = velocidad de salida de masa. Entonces, para un balance total,

F=L+V

(Ecuación 2)

Para un balance con respecto al soluto (sólidos) solamente, (Ecuación 3)

Para el balance de calor, y puesto que calor total que entra = calor total que sale, calor en la alimentación + calor en el vapor de agua = calor en el líquido concentrado + calor en el vapor + calor en el vapor de agua condensado

Se supone que no hay pérdidas de calor por radiación o convección. Sustituyendo en Ba ecuación

(Ecuación 4)

Sustituyendo la ecuación 1 en la ecuación 4

(Ecuación 5) Entonces, el calor q transferido en el evaporador es

(Ecuación 6) En la ecuación 5 el calor latente λ del vapor de agua a la temperatura de saturación Ts se obtiene de las tablas de vapor de agua.. Sin embargo, generalmente no se dispone de las entalpías de la alimentación y de los productos. Los datos de entalpia y concentración sólo se tienen para algunas sustancias en disolución. Por tanto, se establecen algunas aproximaciones para determinar el balance de calor, como sigue: 1. Se puede demostrar en forma aproximada que el calor latente de evaporación de 1 kg masa de agua de una solución acuosa se calcula con las tablas de vapor mediante la temperatura de la solución a ebullición T 1 (temperatura de la superficie expuesta) en lugar de la temperatura de equilibrio del agua pura a P1.

2. Si se conoce la capacidad calorífica cp F de Ba alimentación liquida y cp L del producto, estos valores son útiles para calcular las entalpías. (Se desprecian los calores de dilución, que en la mayoría de los casos se desconocen.)

Evaporadores de Circulación Forzada Los evaporadores de circulación forzada son empleados si se desea evitar la evaporación del producto sobre la superficie de calentamiento debido a las características de ensuciamiento del producto o para evitar la cristalización. La velocidad de flujo en los tubos debe ser alta y se requieren bombas de alta capacidad.

Evaporador de Circulación Natural En un evaporador de circulación natural se distribuyen una serie de tubos verticales de longitudes muy variables (calandria de tubos) dentro de una carcasa por donde circula vapor (u otro fluido caloportador). Cuando se calienta el producto, la propia evaporación de éste hace que vaya subiendo por el interior de los tubos ( evaporación súbita que arrastra el líquido), mientras que por el exterior de los mismos condensa el vapor calefactor. Si el evaporador es de simple efecto o es el último de una serie de evaporadores de múltiple efecto, el vapor generado por la ebullición del producto ha de retirarse necesariamente, siendo habitual un sistema de condensador y bomba de vacío. Otras posibilidades como la termocompresión tienen aplicación en muchas industrias. El concentrado puede volver a

introducirse como alimentación en otro evaporador si se requiere mayor concentración, o extraerlo del equipo como producto final.

TIPOS DE EVAPORADORES Evaporador de múltiple efecto. El evaporador denominado de múltiple efecto consiste realmente en un sistema con varios evaporadores o efectos interconectados. En el primero de ellos se utiliza vapor fresco como agente de calefacción, mientras que la corriente de vapor generada en el mismo se introduce como agente de calefacción, mientras que la corriente de vapor generada en el mismo se introduce como agente de calefacción en el segundo. A su vez, el vapor generado en el segundo efecto es el agente calefactor del tercero y así sucesivamente. Se utiliza en industria de bebidas no alcohólicas. Evaporador de triple efecto. Utiliza un sistema de circulación natural del calor y un sistema de evaporación por presión negativa, además es de alta velocidad de evaporación y produce una alta concentración, por ejemplo, recicla alcohol con una concentración de cerca de 80 grados. Estos se especializan por ser útiles para temperaturas de baja concentración en materiales sensibles al calor. Puede ser usado para evaporar y concentrar líquidos glucosa, almidón, glutamato mono sodico, lácteos, químicos, etc. Evaporador al vacío. La evaporación al vacío consiste en reducir la presión del interior de la caldera del evaporador por debajo de la presión atmosférica. Esto permite reducir la temperatura de ebullición del líquido a evaporar, lo que reduce la cantidad de calor a aportar/eliminar en el proceso de ebullición y de condensación, además de otras ventajas técnicas como la de poder destilar líquidos con alto punto de ebullición, evitar la descomposición de sustancias sensibles a la temperatura, se utiliza en: • Industria de alimentación: jamones y embutidos, salazones, conservas de pescado y marisco, piscifactorías, pepinillos, aceitunas y otros encurtidos • Industria química y farmacéutica • Industria curtido de piel • Industria en general: rechazo de ósmosis inversa • Industria en general: en fluidos de regeneración de descalcificadora Evaporador de placas. Este ensamble de placas es semejante a intercambiadores de calor de placas, pero son equipados con grandes espacios para el flujo de vapor. En estas unidades una placa para producto y una placa para vapor son conectadas alternadamente. El espacio para el producto es diseñado para una distribución uniforme de líquido sobre la superficie de la placa y una baja caída de presión en la fase de vapor. Este tipo de evaporador es utilizado en la industria de los jugos de frutas.

Evaporador térmico. Este evaporador térmico esta equipado con un sistema de precalentamiento. Los materiales que tienen que ser precalentados hasta su punto de ebullición pueden se evaporador directamente en la caldera, por lo que se reduce el consumo de vapor. Los equipos de evaporación también tienen una bomba de calor. Adicionalmente, es innecesaria una segunda pasada por el vapor, por lo que el vapor restante puede ser rehusado eficientemente en otros tipos de calentado o pasteurizado. Es útil para concentrar licor de maíz en la industria de la producción de almidones, del azúcar líquido, de la leche e industria de los lácteos, en la industria del filtrado de alcohol, de la alimentación, de los producción de jugos y zumos, de la fermentación de licores, de los sulfatos de amoniaco, así como de la concentración de agua sobrante en otros procesos. Evaporador de película descendente. En estos evaporadores 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. Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que esta siendo concentrado, permanece en íntimo contacto con el vapor que se genera. Se utiliza en la industria de los aditivos y en la industria de los lácteos. Evaporador de película ascendente. En estos tipos de evaporadores la 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....