Evaporizacion Operaciones Unitarias Curso 2020/2021 PDF

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Trabajo sobre la evaporización en el que se explica todas las caracteristicas y descripcion de esta operacion unitaria en concreto...

Description

Operación unitaria EVAPORACIÓN

Grado de Química Ingeniería Química

Grupo 2P: Bartolomé Cardell Andrés Buades Federico Devesa

Índice Definición

3

Fundamentos

4

Equipos

6

Aplicaciones industriales

10

Bibliografía

10

Definición: La evaporación es la operación unitaria que consiste en la separación de componentes volátiles de una mezcla en estado líquido mediante una transmisión de calor. El líquido absorbe la energía y se elimina el vapor formado por los componentes volátiles. El objetivo de la evaporación puede ser tanto la propia obtención de los componentes volátiles, como aumentar la concentración de los componentes no volátiles de la mezcla. En ocasiones se busca aumentar la concentración de la mezcla para los no volátiles cristalicen mientras se enfría.

Figura 1: Esquema del proceso de evaporación

Fundamentos: Un evaporador es una unidad de transferencia de calor, se transfiere calor a un líquido y se elimina el vapor producido por su ebullición a fin de reducir la concentración de sustancias volátiles y aumentar la concentración del producto. Además es estos fundamentos básicos hay otros factores que se deben tener en cuenta: ● La concentración de la mezcla: En general si se suministra a un evaporador una solución que se encuentra bastante diluida, implica una baja viscosidad asociada a un alto coeficiente de transferencia de calor, pero a medida que se da la evaporación la concentración y la viscosidad aumentan, reduciendo el coeficiente de transferencia de calor. A fin de evitar una disminución marcada del coeficiente se implementa un régimen turbulento o una circulación. ● Solubilidad: La evaporación aumenta la concentración de la solución, pudiendo llegar a superar la solubilidad máxima y saturar la solución. Si la solubilidad aumenta con la temperatura, al enfriar la solución puede dar lugar a una cristalización. Debido a esto la concentración que podemos obtener de la evaporación viene limitada por la solubilidad. ● Sensibilidad térmica de los materiales: Algunos materiales (como fármacos y alimentos) pueden perder propiedades y/o degradarse si se exponen a temperaturas altas durante un periodo de tiempo. En función de la sustancia, el tiempo y la temperatura variará el grado de degradación. ● Formación de espumas: Durante la ebullición, algunas sustancias forman espumas que son arrastradas en mayor o menor medida por acción del vapor, produciendo una pérdida del material, por lo tanto, de eficacia.

● Presión y temperatura El punto de ebullición de la solución varía proporcionalmente en función de la presión y la concentración. Debido a que la concentración de la solución aumenta durante la evaporación, también aumentará el punto de ebullición. Si fuese necesario disminuir el punto de ebullición se debería trabajar a presiones más bajas. ● Formación de incrustaciones y materiales de construcción: Durante el evaporamiento el aumento de la concentración o la degradación de productos pueden dar lugar a la formación y deposición de sólidos sobre las superficies de calentamiento. Estos sólidos denominados incrustaciones reducen el coeficiente de transferencia de calor, lo cual baja la eficiencia, y obligan a realizar operaciones de limpieza y mantenimiento del evaporador. Por otra parte, importante tener en cuenta los materiales usados en la construcción del evaporador para prevenir la corrosión. Estos deben adaptarse según el tipo de sustancias que se vayan a procesar.

Las ecuaciones que rigen un evaporador son, como en toda unidad elemental sin reacción química, el balance de materia global, el balance del componente volátil y, ya que es un intercambiador de calor, el balance de energía:

subíndice 0: indica que entran en el evaporador subíndice 1: indica que sale del evaporador superíndice s : hace referencia al vapor vivo que suministramos superíndice l: hace referencia a la disolución que queremos concentrar superíndice c: al vapor vivo que se ha condensado superíndice v: hace referencia al vapor que hemos generado H: es la entalpía de la corriente en fase gas por unidad de masa h: es la entalpía de la corriente en fase líquida por unidad de masa

Equipos: El equipo básico de la operación es un evaporador industrial. Existen muchas variedades de evaporadores diferentes para adaptarse a las necesidades y la forma del sistema.Los tipos generales de evaporadores son: ● Marmita abierta: Es la forma más simple, consiste en una marmita abierta donde se hierve un líquido. El calor se puede proporcionar por serpentines o a fuego directo. A pesar de ser económicos y simples hay un gran desperdicio de calor. ● Tubos horizontales de circulación natural: El agua entra en forma de vapor por un extremo de los tubos y sale condensada por el otro. El líquido está en contacto con el exterior de los tubos y se calienta, a menudo un deflector impide que el vapor arrastre partículas. Es un evaporador pensado para líquidos no viscosos que no den lugar a incrustaciones. ● Evaporador vertical con circulación natural (tubos cortos): En este tipo el líquido circula por el interior de los tubos, y el vapor está en contacto en el exterior. Durante el proceso, la disminución de la densidad hace que el líquido suba lentamente por los tubos antes de descender por un espacio central. No es útil en líquidos viscosos. ● Evaporador vertical de tubos largos: Cuando se necesitan velocidades del líquido más altas que en el evaporador vertical con circulación natural, se emplean tubos de 3 a 10 m. ● Evaporador de caída de película: Variación del de tubos lagos, el líquido se introduce por arriba y cae por las paredes. Se emplea para materiales sensibles a las altas temperaturas. ● Evaporador de circulación forzada: Consiste en emplear una bomba para forzar la circulación del líquido, en alguno de los modelos definidos anteriormente. Se emplea cuando la viscosidad de líquido dificulta la circulación.

Un llamado evaporador de múltiple efecto no es más que varios evaporadores colocados en conjunto, de manera que el producto concentrado de un evaporador pasa a ser la disolución del siguiente. De esta manera se puede alcanzar una mayor concentración con más facilidad que con un solo evaporador. Así también se hace

uso del mismo circuito de vapor de calefacción para todos los evaporadores del conjunto. Los evaporadores de efecto múltiple se pueden clasificar según la manera en que el vapor circula a través de ellos. Algunos ejemplos de evaporadores más utilizados en la industria son los siguientes:

También se le llama evaporador estándar, ya que es uno de los más conocidos

Figura 3 Evaporador de tubo

Figura 4 Evaporador con circulación

Vertical con cambiador de calor

forzada y superficie de calentamiento horizontal

Figura 5 evaporador de circulación

Figura  6 Evaporador de tubo horizontal

forzada y tubo vertical con

y circulación forzada con entrada

entrada sumergida

sumergida

Figura 7 Evaporador de circulación forzada

Figura  8 Evaporador de circulación

y tubo inclinado (minimiza la excesiva altura

forzada y película ascendente

en grandes sistemas)

descendente

-Características de los evaporadores: Todos los evaporadores tienen un valor de capacidad, economía y consumo de vapor. Esto puede servir para comprar unos con otros, así como su eficacia y eficiencia.

kilogramo de disolvente evaporado tiempo Una mayor capacidad significa una mayor evaporación de disolvente en un mismo tiempo, lo que denota una mayor eficacia.

Capacidad =

Economía =

kilogramo de disolvente evaporado kilogramo de vapor de calef acción

La economía representa el número de kilogramos de disolvente que se evapora por cada kilogramo de vapor de calefacción insertado. Un evaporador más económico necesita menos vapor para evaporar una determinada cantidad, por lo cual es más eficiente en la transmisión de calor.

Consumo de vapor de calefacción =

capacidad economía

=

kilogramo de vapor de calef acción tiempo El consumo representa la cantidad de vapor que se utiliza por unidad de tiempo, un mayor consumo para una misma capacidad significa que el evaporador no es tan eficiente.

Aplicaciones industriales: La evaporación se emplea en la industria con distintos objetivos, el principal es aumentar la concentración de productos tanto de alimenticios tales como zumos y leche, como productos farmacéuticos. En otras ocasiones el objetivo de este aumento de concentración es una posterior cristalización del soluto. Otro de los usos de la evaporación es la obtención de agua evaporada baja en minerales y/o partículas en suspensión para su uso en mantenimiento de maquinaria sensible, y en procesos químicos.

Fabricación de sosa cáustica De la electrólisis de la salmuera se obtiene una disolución de NaOH cloro gas e hidrógeno gas. De esta disolución de NaOH se trata para obtener una disolución poco concentrada de NaOH y otra disolución de NaCl que se usa para recircular y se le añade a la salmuera y se vuelve a hacer el proceso. A la disolución de NaOH se le aplica un proceso de evaporación para obtener una disolución por encima de su solubilidad y obtener la cristalización de la sosa caústica.

Bibliografía: Operaciones de Separación en Ingeniería Química (Capítulo 5: Evaporación) Geankoplis - Procesos De Transporte Y Operaciones Unitarias (Capítulo 8: Evaporación) http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/evaporadors.html https://www.ecured.cu/Evaporaci%C3%B3n_(operaci%C3%B3n_unitaria)...