evaporación f
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERESUNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERESVELASQUEZVELASQUEZ
EVAPORACIÓN
Ing. Romualdo Vilca Curo
UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERESUNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERESVELASQUEZVELASQUEZ
EVAPORACIÓN
Ing. Romualdo Vilca Curo
CONCEPTO
Operación en la cual se elimina el vaporformado por ebullición de una soluciónlíquida de la cual se obtiene una soluciónmás concentrada.
En la gran mayoría de los casos, laoperación unitaria de evaporación se refierea la eliminación de agua de una soluciónacuosa.
Operación en la cual se elimina el vaporformado por ebullición de una soluciónlíquida de la cual se obtiene una soluciónmás concentrada.
En la gran mayoría de los casos, laoperación unitaria de evaporación se refierea la eliminación de agua de una soluciónacuosa.
IMPORTANCIA
La evaporación es una importanteoperación unitaria comúnmente empleadapara remover el agua de productos líquidosdiluidos para obtener productos líquidosconcentrados.
La remoción de agua de los alimentosprovee estabilidad microbiológica y reducelos costos de almacenamiento y transporte.
La evaporación es una importanteoperación unitaria comúnmente empleadapara remover el agua de productos líquidosdiluidos para obtener productos líquidosconcentrados.
La remoción de agua de los alimentosprovee estabilidad microbiológica y reducelos costos de almacenamiento y transporte.
Ejemplos de Evaporación(Industria Agroalimentaria)
Concentración de soluciones acuosas de azúcar. Concentración de leche y jugo de naranja. Concentración de jugo de tomate de 5-6 % de
sólidos totales a 35-37 %. Concentración de monogliceridos. Obtención de vitamina E Evaporación de metil esteres (biodiesel) Obtención de lecitina. Evaporación de glicerina.
Concentración de soluciones acuosas de azúcar. Concentración de leche y jugo de naranja. Concentración de jugo de tomate de 5-6 % de
sólidos totales a 35-37 %. Concentración de monogliceridos. Obtención de vitamina E Evaporación de metil esteres (biodiesel) Obtención de lecitina. Evaporación de glicerina.
Ejemplos de Evaporación(Industria Farmacéutica).
Eliminación de color Evaporación de disolventes en productos
que puedan sufrir degradación térmica. Evaporación de disolventes de principio
activo.
Eliminación de color Evaporación de disolventes en productos
que puedan sufrir degradación térmica. Evaporación de disolventes de principio
activo.
Ejemplos de Evaporación(Sector Químico).
Concentración de soluciones de hidróxido desodio
Concentración de soluciones de glicerina ygomas
Evaporación de aguas residuales con altocontenido en sólidos.
Evaporación de ésteres. Separación de disolventes en esencias. Recuperación de aditivos en aceites minerales.
Concentración de soluciones de hidróxido desodio
Concentración de soluciones de glicerina ygomas
Evaporación de aguas residuales con altocontenido en sólidos.
Evaporación de ésteres. Separación de disolventes en esencias. Recuperación de aditivos en aceites minerales.
Ejemplos de Evaporación(Sector polímeros).
Separación de disolventes en monómeros. Concentración y separación de
monómeros. Concentración de polímeros. Evaporación y concentración de Ciano
Acrilatos.
Separación de disolventes en monómeros. Concentración y separación de
monómeros. Concentración de polímeros. Evaporación y concentración de Ciano
Acrilatos.
Evaporación y Cristalización
En todos estos casos, la solución concentrada es elproducto deseado y el agua evaporada suele desecharse.En otros casos, el agua que contiene pequeñas cantidadesde minerales se evapora para obtener agua libre desólidos que se emplea en la alimentación de calderas,para procesos químicos especiales, o para otrospropósitos.
Ocasionalmente, el principal objetivo de la evaporaciónconsiste en concentrar una solución de manera que alenfriarse ésta se formen cristales que puedan separarse.Este proceso especial de evaporación se llamacristalización.
En todos estos casos, la solución concentrada es elproducto deseado y el agua evaporada suele desecharse.En otros casos, el agua que contiene pequeñas cantidadesde minerales se evapora para obtener agua libre desólidos que se emplea en la alimentación de calderas,para procesos químicos especiales, o para otrospropósitos.
Ocasionalmente, el principal objetivo de la evaporaciónconsiste en concentrar una solución de manera que alenfriarse ésta se formen cristales que puedan separarse.Este proceso especial de evaporación se llamacristalización.
Esquema de operación de unevaporador
Esencialmente elevaporador consiste de unintercambiador de calorencerrado en una cámara.
El intercambiador de calorno tiene contacto directocon el producto y proveecalor de vapor de bajapresión al producto.
El producto al interior de lacámara se encuentra apresión de vacío
Esencialmente elevaporador consiste de unintercambiador de calorencerrado en una cámara.
El intercambiador de calorno tiene contacto directocon el producto y proveecalor de vapor de bajapresión al producto.
El producto al interior de lacámara se encuentra apresión de vacío
Esquema de operación de unevaporador (2)
Las condiciones de vacíoocasionan la diferencia detemperaturas entre el vapor yel producto y que el productopueda hervir a relativas bajastemperaturas, minimizando eldeterioro por altastemperaturas.
Los vapores producidos sontransportados a través de uncondensador a un sistema devacío. El vapor condensa alinterior del intercambiador decalor y el condensado esdescartado
Las condiciones de vacíoocasionan la diferencia detemperaturas entre el vapor yel producto y que el productopueda hervir a relativas bajastemperaturas, minimizando eldeterioro por altastemperaturas.
Los vapores producidos sontransportados a través de uncondensador a un sistema devacío. El vapor condensa alinterior del intercambiador decalor y el condensado esdescartado
Esquema de un evaporador de efectosimple
Durante la operaciónde un evaporador deefecto simple el vaporproducido comoconsecuencia de laconcentración delproducto esdescartado sinposterior uso.
Durante la operaciónde un evaporador deefecto simple el vaporproducido comoconsecuencia de laconcentración delproducto esdescartado sinposterior uso.
Esquema de un evaporador de efectodoble
En los evaporadoresde efecto doble, elvapor de aguaeliminado de lasolución, es utilizadocomo medio decalentamiento para laotra cámara deevaporación.
En los evaporadoresde efecto doble, elvapor de aguaeliminado de lasolución, es utilizadocomo medio decalentamiento para laotra cámara deevaporación.
Esquema de un evaporador de efectotriple
En los evaporadoresde efecto triple, elvapor de aguaeliminado de lasolución, es utilizadocomo medio decalentamiento paralas otras cámaras deevaporación.
En los evaporadoresde efecto triple, elvapor de aguaeliminado de lasolución, es utilizadocomo medio decalentamiento paralas otras cámaras deevaporación.
Evaporador de Efecto Triple coneliminación de vapor
Evaporador de Efecto Triple conalimentación en paralelo
Evaporador de Efecto Triple conalimentación hacia adelante
Evaporador de Efecto Triple conalimentación hacia atrás
Evaporador de Efecto Triple conalimentación mezclada
Evaporador de Efecto Triple conalimentación hacia atrás
Evaporación en paralelo
Ventajas Utilización de mayor cantidad de vapor La presión se distribuye El mismo vacío hace que fluyan los concentradosInconvenientes La transmisión de calor está dificultada por el
incremento en: coeficiente de trasferencia de calor,diferencial de temperatura
La viscosidad del producto aumenta y el coeficientede transferencia de calor disminuye.
Ventajas Utilización de mayor cantidad de vapor La presión se distribuye El mismo vacío hace que fluyan los concentradosInconvenientes La transmisión de calor está dificultada por el
incremento en: coeficiente de trasferencia de calor,diferencial de temperatura
La viscosidad del producto aumenta y el coeficientede transferencia de calor disminuye.
Evaporación en contracorriente.
Ventajas Mejora la transmisión de calor Se compensa el gradiente de
temperatura.Inconvenientes Se debe adicionar bombas para que
fluya el concentrado.
Ventajas Mejora la transmisión de calor Se compensa el gradiente de
temperatura.Inconvenientes Se debe adicionar bombas para que
fluya el concentrado.
Factores que intervienen en laEvaporación
Propiedades físicas y químicas de la solución.
Las características del producto líquido.
Elevación del punto de ebullición.
Sensibilidad al calor.
La acumulación de concentrado sobre lasuperficie del intercambiador.
La capacidad de formar espumas durante elproceso de evaporación.
Propiedades físicas y químicas de la solución.
Las características del producto líquido.
Elevación del punto de ebullición.
Sensibilidad al calor.
La acumulación de concentrado sobre lasuperficie del intercambiador.
La capacidad de formar espumas durante elproceso de evaporación.
Elevación del punto de ebullición(EPE) o Boiling-Point Elevation
La elevación del punto de ebullición de unasolución (producto líquido) es definido como elincremento en el punto de ebullición en relaciónal del agua pura, a una determinada presión.
Un método simple para la estimación de laelevación del punto de ebullición es el uso de laregla de Dühring.
La elevación del punto de ebullición de unasolución (producto líquido) es definido como elincremento en el punto de ebullición en relaciónal del agua pura, a una determinada presión.
Un método simple para la estimación de laelevación del punto de ebullición es el uso de laregla de Dühring.
Regla de Dühring
Esta regla establece que existe una relaciónlineal entre la elevación del punto de ebulliciónde una solución y la temperatura de ebullicióndel agua a la misma presión.
Esta relación no abarca un amplio rango detemperaturas, pero es aceptable cuando setrabajan en pequeños valores.
Esta regla establece que existe una relaciónlineal entre la elevación del punto de ebulliciónde una solución y la temperatura de ebullicióndel agua a la misma presión.
Esta relación no abarca un amplio rango detemperaturas, pero es aceptable cuando setrabajan en pequeños valores.
Esquema evaporador de efectosimple
Ecuaciones de Balance de Materia
Balance de materia
Balance de componentes
Pero yV = 0, entonces:
VLF Balance de materia
Balance de componentes
Pero yV = 0, entonces:
VLF yVxLxF
LF xLxF
Ecuaciones de Balance de Energía
Balance de Energía
Reordenando:
SVLSF hShVhLHShF Balance de Energía
Reordenando:
VLsSF hVhLhHShF
VLF hVhLShF
Simbología para las ecuaciones deBalance de Energía
HS = entalpía del vapor saturado a TS
hS = entalpía del condensado a TS
hF = Entalpía de la alimentación hF = cpF(TF – 0 ºC) hL = Entalpía del líquido concentrado hL = cpL(TL – 0 ºC) hV = Entalpía del vapor a temperatura T1
= HS - hS
HS = entalpía del vapor saturado a TS
hS = entalpía del condensado a TS
hF = Entalpía de la alimentación hF = cpF(TF – 0 ºC) hL = Entalpía del líquido concentrado hL = cpL(TL – 0 ºC) hV = Entalpía del vapor a temperatura T1
= HS - hS
Evaporación de doble efecto
Equipo adquisidor dedatos y control deAdvantech. (GENIE)
Sensores de Tº,flujo,conductividad,nivel y presión.
Manejo de bombas yválvulas por software.
Equipo adquisidor dedatos y control deAdvantech. (GENIE)
Sensores de Tº,flujo,conductividad,nivel y presión.
Manejo de bombas yválvulas por software.
Esquema evaporador de efectoDoble
Ecuaciones Balance de Materia
Balance Global
Balance de componentes
Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
221 VLVF Balance Global
Balance de componentes
Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
222211 VLVF yVxLyVxF
22 LF xLxF
Ecuaciones de Balance de EnergíaPrimer Efecto
Balance de Energía en el primer efecto:
Reordenando:
Donde: hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC) 1 = HS - hS
SVLSF hShVhLHShF 1111
SVLSF hShVhLHShF 1111
Balance de Energía en el primer efecto:
Reordenando:
Donde: hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC) 1 = HS - hS
SVLSF hShVhLHShF 1111
11111 VLF hVhLShF
Ecuaciones de Balance de EnergíaSegundo Efecto
Balance de Energía en el segundo efecto:
Reordenando:
Donde: hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC) 2 = HV1 – hv1
2211221111 VVLVL hVhVhLHVhL
222211111 VLVVL hVhLhHVhL
Balance de Energía en el segundo efecto:
Reordenando:
Donde: hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC) 2 = HV1 – hv1
222211111 VLVVL hVhLhHVhL
22222111 VLL hVhLVhL
Esquema evaporador de efecto Triplecon alimentación hacia adelante
Ecuaciones Balance de Materia
Balance Global
Balance de componentes
Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
Balance Global
Balance de componentes
Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
222211 VLVF yVxLyVxF
22 LF xLxF
Ecuaciones Balance de Energía enel Primer Efecto
Balance de energía en el primer efecto
Reordenando:
Donde: hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC) 1 = HS - hS
SVLSF hShVhLHShF 1111
1111 VLsSF hVhLhHShF
Balance de energía en el primer efecto
Reordenando:
Donde: hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC) 1 = HS - hS
1111 VLsSF hVhLhHShF
11111 VLF hVhLShF
Ecuaciones Balance de Energía enel Segundo Efecto
Balance de energía en el segundo efecto
Reordenando:
Donde: hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del segundo efecto
hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC) 2 = HV1 – hV1
2211221111 VVLVL hVhVhLHVhL
Balance de energía en el segundo efecto
Reordenando:
Donde: hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del segundo efecto
hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC) 2 = HV1 – hV1
1111 VLsSF hVhLhHShF
11111 VLF hVhLShF
Ecuaciones Balance de Energía enel Tercer Efecto
Balance de energía en el tercer efecto
Reordenando:
Donde: hL3 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del tercer efecto
hL3 = cpL3(TL3 – 0 ºC) 3 = HV2 – hV2
3322332222 VVLVL hVhVhLHVhL Balance de energía en el tercer efecto
Reordenando:
Donde: hL3 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del tercer efecto
hL3 = cpL3(TL3 – 0 ºC) 3 = HV2 – hV2
333322222 VLVVL hVhLhHVhL
33333222 VLL hVhLVhL
Ecuaciones para determinar la cantidad decalor transferido en evaporadores de efectosimple y evaporadores de efecto múltiple.
La cantidad de calor transferido en un evaporador de simpleefecto está dada por la siguiente ecuación:
Donde:
q = cantidad de calor transferido U = coeficiente global de transferencia de calor W m-2 K-1
A = área del intercambiador de calor
ShHSTTAUq SSS 1
La cantidad de calor transferido en un evaporador de simpleefecto está dada por la siguiente ecuación:
Donde:
q = cantidad de calor transferido U = coeficiente global de transferencia de calor W m-2 K-1
A = área del intercambiador de calor
Ecuaciones para determinar la cantidad decalor transferido en evaporadores de efectosimple y evaporadores de efecto múltiple (2).
En evaporadores de efecto múltiple se calcula la transferencia de calor encada efecto. Así para un evaporador de efecto triple se tiene:
La diferencia total de temperaturas en cada efecto es:
Entonces:
11111 ShHSTTAUq SSS
2111121222 VhHVTTAUq VV
En evaporadores de efecto múltiple se calcula la transferencia de calor encada efecto. Así para un evaporador de efecto triple se tiene:
La diferencia total de temperaturas en cada efecto es:
Entonces:
2111121222 VhHVTTAUq VV
3222232333 VhHVTTAUq VV
11 TTT S 212 TTT 323 TTT
3321 TTTTTT Stotal
Ecuaciones para determinar la Economía devapor en evaporadores de efecto simple yevaporadores de efecto múltiple.
La economía de vapor (E.V.)en un evaporador de efectosimple se calcula mediante la siguiente ecuación:
En un evaporador de efecto doble:
En un evaporador de efecto triple:
SVVE ..
La economía de vapor (E.V.)en un evaporador de efectosimple se calcula mediante la siguiente ecuación:
En un evaporador de efecto doble:
En un evaporador de efecto triple:
SVVE ..
SVVVVE 321..
SVVVE 21..
Ecuación para determinar las entalpías delos vapores de salida cuando setrabaja considerando la EPE.
Cuando se determinan los valores de EPE en los evaporadoresde simple o múltiple efecto, las entalpías de los vapores desalida, Vn, se calculan utilizando la siguiente ecuación:
Donde:
hV(tablas_vapor) = entalpía del vapor saturado a la temperaturadel efecto4.184 kJ kg-1 es el calor específico del vapor sobrecalentadoEPE = elevación del punto de ebullición
EPEkgkJhh vaporTablasVVn 184.4)_(
Cuando se determinan los valores de EPE en los evaporadoresde simple o múltiple efecto, las entalpías de los vapores desalida, Vn, se calculan utilizando la siguiente ecuación:
Donde:
hV(tablas_vapor) = entalpía del vapor saturado a la temperaturadel efecto4.184 kJ kg-1 es el calor específico del vapor sobrecalentadoEPE = elevación del punto de ebullición
EPEkgkJhh vaporTablasVVn 184.4)_(
Selección del tipo de evaporador
Tipos de evaporadores.
Circulación natural y tubos horizontales tubos verticales y tubo central Tipo cesta Circulación forzada con bomba externa De película descendente De película fina De placas
Tipos de evaporadores.
Circulación natural y tubos horizontales tubos verticales y tubo central Tipo cesta Circulación forzada con bomba externa De película descendente De película fina De placas
Circulación natural con tuboshorizontales.
Tubos verticales con tubo central.
Evaporador tipo cesta
Evaporador de circulaciónforzada con bomba externa
Evaporador de películadescendente
Evaporador de película fina
Evaporador de placas
Condensador