EVAPORACIÓN

TRANSFERENCIA DE CALOR

OBJETIVOS:

Conocer la conceptualización de la operación unitaria: LA EVAPORACIÓN.

Funciones y características de la evaporación.

Estudio y aplicación dela evaporación como o. u en la industria.

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.

INTRODUCCION

Ejemplo:

Vista como una operación unitaria, la evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución o suspensión líquida.

CONCEPTUALIZACIÓN EN O.U

Es una operación unitaria que permite remover un líquido de una mezcla, con el objetivo de separar componentes o concentrar una solución, suministrando energía. En el proceso de evaporación se comienza con un producto líquido y termina con uno más concentrado pero bombeable. Este producto más concentrado pasa a ser el producto principal del proceso en esta etapa.

DEFINICIÓN EN FÍSICA

Evaporación como proceso físico es el paso de un líquido al estado gaseoso, por absorción de energía (calor). La evaporación ocurre en la superficie del líquido y este término no se debe confundir con la ebullición que es el movimiento provocado por las burbujas de vapor que atraviesan la masa de un líquido que se calienta. Pero siempre que hay ebullición la evaporación es efectiva y rápida.

DIFERENCIACIÓN DE LA EVAPORACIÓN Y LA EBULLICIÓN:

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 equilibrase, 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 HIDROLOGÍA

Cuando la presión de vapor iguala a la atmosférica, se produce la ebullición.1 En hidrología, la evaporación es una de las variables hidrológicas  importantes al momento de establecer el balance hídrico de una determinada cuenca hidrográfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporación desde superficies libres y la evaporación desde el suelo. La evaporación de agua es importante e indispensable en la vida, ya que el vapor de agua, al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío.

Los términos evaporación o vaporización se aplican al paso del estado líquido al estado gaseoso. Cuando el fenómeno se produce únicamente en la superficie de la masa líquida se designa como evaporación. Si el paso a vapor tiene lugar afectando toda la masa líquida se denomina vaporización o ebullición. También se denomina evaporación a la operación de separación basada en los dos fenómenos.

LA EVAPORACIÓN Y VAPORIZACIÓN

La vaporización y la evaporación son dos fenómenos endotérmicos. El caudal del liquido vaporizado se incrementa al aumentar la superficie libre del líquido. Generalmente no se distingue entre evaporación y vaporización, definiéndose simplemente la evaporación como el proceso mediante el cual una fase líquida se transforma en vapor. Cuando un líquido llena parcialmente un recipiente cerrado, las moléculas que abandonan el estado líquido ocupan el espacio libre hasta saturar el recinto, produciendo una presión determinada que se denomina presión de vapor. Cada líquido tiene una presión de vapor característica que depende de la temperatura.

EQUILIBRIO EVAPORATORIO

Presión del vapor de agua frente a la temperatura. (760 Torr  = 1 atm).Si la evaporación ocurre en un recipiente cerrado, las moléculas que escapan del líquido se acumulan en forma de vapor arriba del líquido. Muchas de esas moléculas regresan al estado líquido. Cuando el proceso de escape y regreso alcanza un equilibrio, el vapor es llamado saturado y no ocurren cambios adicionales en la presión de vapor o en la temperatura del líquido.

Presión del vapor de agua frente a la temperatura. (760 Torr = 1 atm)

DETERMINACIÓN DE LA EVAPORACIÓN

La evaporación puede medirse en forma directa desde pequeñas superficies de agua naturales o artificiales (tanques de evaporación) o a través de evaporímetros o lisímetros. Estos últimos poseen una superficie porosa embebida en agua y se ubican en condiciones tales que la medición es condicionada por las características meteorológicas de la atmósfera, tales como grado higrométrico, temperatura, insolación, viento, etc.Las tasas de evaporación así observadas pueden generalmente ser consideradas como máximas y dan una buena aproximación del poder evaporante de la atmósfera. Aplicando a dichos valores máximos diversos coeficientes de reducción y comparando los resultados corregidos con los suministrados por las fórmulas de evaporación, se deducirán los valores más probables de las tasas de evaporación aplicables a la superficie de interés.

o MEDIDAS DE LA EVAPORACIÓN

TANQUE EVAPORIMÉTRICO

INSTRUMENTO UTILIZADO PARA MEDIR LA EVAPORACIÓN EFECTIVA JUNTO CON UN PLUVIÓMETRO, UN ANEMÓMETRO, UN TERMÓMETRO SIX-BELLANI Y UN POZO TRANQUILIZADOR FORMA UNA ESTACIÓN EVAPORIMÉTRICA.SE UTILIZAN VARIOS TIPOS, SIN EMBARGO, UNO DE LOS MÁS UTILIZADOS ES EL TANQUE CLASE "A". ESTE ES UN TANQUE CILÍNDRICO DE LÁMINA GALVANIZADA, DE 1,21 M DE DIÁMETRO Y 25 CM DE PROFUNDIDAD. SE COLOCA SOBRE UNA PLATAFORMA DE MADERA DE 10 CM DE ALTO, PERFECTAMENTE HORIZONTAL.1

SE MIDE EL VOLUMEN DE AGUA NECESARIO PARA MANTENER EL NIVEL CONSTANTE, EN LA UNIDAD DE TIEMPO, QUE PUEDE SER 6, 12 Ó 24 HORAS. EL VOLUMEN DE AGUA CONSUMIDO SE TRANSFORMA EN MM DE AGUA EVAPORADA POR UNIDAD DE TIEMPO.VARIOS INVESTIGADORES HAN DETERMINADO FÓRMULAS EMPÍRICAS RELACIONANDO LA EVAPORACIÓN MEDIDA EN UN EVAPORÍMETRO CON LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE DIVERSOS CULTIVOS.

LISÍMETRO

Un lisímetro es un dispositivo introducido en el suelo, rellenado con el mismo terreno del lugar y con vegetación. Es utilizado para medir la evapotranspiración de referencia (ETo) o del cultivo (ETc). También se denomina evapotranspirómetrodependiendo de que manera se ha hecho el procedimiento de medida.La medida de la evapotranspiración es determinada por el balance hídrico de los dispositivos. Normalmente hay una balanza en el fondo del lisímetro donde se puede determinar la cantidad de agua que se va evapotranspirando en el sistema. Otro tipo de lisímetro utiliza en lugar de una balanza un sistema de drenaje del agua donde la cantidad drenada de la misma equivale exactamente a la cantidad de agua evapotranpirada que es igual a la capacidad de campo.

Modelo esquemático de un lisímetro de balanza

Leyenda:A) Terreno en estudioB) BalanzaC) Recolección del agua de drenajeD) Recolección del agua de escorrentía

DÉFICIT HIGROMÉTRICO

• Los factores que condicionan la tasa de evaporación (generalmente se la expresa en mm/día ó mm/mes) son, por un lado, los que caracterizan el estado de la atmósfera en la vecindad de la superficie evaporante y, por el otro, los factores que caracterizan la naturaleza y el estado de la superficie evaporante (agua libre, hielo, suelo desnudo, vegetación). Como una forma de correlación entre la evaporación y otros factores meteorológicos que influyen en ambos medios (agua y aire), Dalton (1802) propone la siguiente formulación

Que expresa la tasa de evaporación E en forma directamente proporcional a la diferencia entre la presión de vapor saturado (ps) a la temperatura del agua, y la presión de vapor (pv) existente en el aire circundante. La diferencia (ps-pv) se denomina déficit higrométrico. La presión de vapor pv, y por ende la evaporación E, depende entonces tanto de la temperatura del agua como del aire.

VARIABLE HIDROLÓGICA

Nota

• La razón entre la pérdida de calor de una superficie de agua por evaporación y la pérdida de calor debido a la convección, independiente de la velocidad del viento es dada por

p/760

• donde  es la pérdida de calor de una superficie de agua por convección W/(m2•K),  es la perdida de calor de una superficie de agua por evaporación en W/(m2•K),  y son las temperaturas del agua y del aire en Kelvin (o Celsius) y  y  son las presiones del vapor de la superficie del agua y del aire y  es la presión barométrica, con todas presiones en mmHg (Bowen, 1926).

Vista como una operación unitaria, la evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución o suspensión líquida.

Finalidad de la evaporación

EVAPORACIÓN DESDE SUPERFICIES LÍQUIDAS

SIENDO QUE LAS CONDICIONES DE CONTORNO CREADAS TIENEN UNA INFLUENCIA SIGNIFICATIVA, LOS RESULTADOS VARÍAN SEGÚN QUÉ EVAPORÍMETRO SE HA UTILIZADO PARA LA DETERMINACIÓN.SI SE TIENE EN CUENTA QUE LOS VALORES DE EVAPORACIÓN MEDIDOS EN EL SITIO DE INTERÉS, PARA TENER VALIDEZ DESDE EL PUNTO DE VISTA ESTADÍSTICO DEBEN TENER UNA DURACIÓN DE POR LO MENOS 15 AÑOS, SE COMPRENDE LA DIFICULTAD. ESTO HA IMPULSADO A NUMEROSOS INVESTIGADORES A ANALIZAR FÓRMULAS EMPÍRICAS, QUE PERMITAN RÁPIDAMENTE LLEGAR A UN RESULTADO LO MÁS APROXIMADO POSIBLE.

FÓRMULAS EMPÍRICAS PARA DETERMINAR LA EVAPORACIÓN DESDE UN LAGO O UNA LAGUNA

UNA DE LAS EXPRESIONES MÁS SIMPLES HA SIDO PROPUESTA POR VISENTINI, Y SE APLICA PARA CÁLCULOS APROXIMADOS EN SUPERFICIES LÍQUIDAS SITUADAS EN COTAS BAJAS, DONDE SE PUEDE CONSIDERAR QUE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA ES DE APROXIMADAMENTE 760 MM DE COLUMNA DE MERCURIO. LAS FÓRMULAS EMPÍRICAS PROPUESTAS POR VISENTINI SON:

E=75.T (PARA LAGOS O EMBALSES CON COTA INFERIOR A 200 MSNM)

 E=90.T(PARA LAGOS O EMBALSES CON COTA ENTRE 200 Y 500 MSNM)

 E=90.T +300(PARA LAGOS O EMBALSES CON COTA SUPERIOR A 500 MSNM)

Donde:

E = Evaporación anual en mm

t = Temperatura media anual en grados celsius

Se puede notar que para una temperatura media de 10 grados Celsius, la evaporación será entre 750 mm y 1200 mm por año, es decir de aproximadamente 2 a 3 mm por día.

Considerando que en la evaporación juegan roles importantes, entre otros, la temperatura del agua, la temperatura del aire, el viento, la insolación, etc., otros investigadores han propuesto fórmulas empíricas más complejas y que, por lo tanto, son más difíciles de usar.

IMPORTANCIA DE LA VARIABLE HIDROLÓGICA

NOTA

El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10 % al agua que se incorpora a la atmósfera.

El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en pequeñas gotas. Estas se enfrían acelerándose la condensación y uniéndose a otras gotitas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su mayor peso. La precipitación puede ser sólida (nieve o granizo) o líquida (lluvia). El vapor de agua también puede condensarse en forma de niebla o rocío.

Una parte del agua que llega a la superficie terrestre será aprovechada por los seres vivos. Tarde o temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporación.

TIPO DE EVAPORACIONES:

 Evaporación por aumento de la temperatura

Para evaporar un líquido o concentrar una disolución se utilizan baños de agua u otras fuentes de calor. Cuando se trabaja con disolventes inflamables no se deben someter a la llama directa. Si los vapores del disolvente son perjudiciales para la salud, se debe trabajar en vitrina extractora y tomar las precauciones adecuadas.

Esta técnica también se puede utilizar para el secado de un sólido húmedo. Secado de sólidos 

Evaporación por disminución de la presión

Este procedimiento se utiliza para el secado de una substancia a temperatura ambiente cuando la sustancia es inestable a temperaturas más elevadas. Se introduce la muestra en un desecador de vacío , en presencia de una substancia o agente desecante.

Evaporación por combinación de ambos efectos

Una operación frecuente en un laboratorio de química es la eliminación del disolvente orgánico volátil de una solución de un compuesto orgánico, como por ejemplo sucede al finalizar un proceso de extracción. La eliminación rápida de grandes cantidades de un disolvente orgánico se efectúa utilizando el rotoevaporador. .La evaporación tiene lugar a presión reducida, producida normalmente por una bomba de vacío y a temperaturas moderadas.La eliminación de vapores por calentamiento y aplicación simultánea de vacío se puede realizar también en estufas de vacío  que disponen de un regulador de temperatura así como de una conexión para el vacío. Estas estufas se utilizan también para el secado de sólidos.

EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES

Es un proceso utilizado para reducir el contenido de agua o algún otro solvente de una solución, deshidratándola. Este proceso es muy utilizado en la industria alimenticia, especialmente para obtener pro-ductos que puedan ser almacenados por períodos prolongados.

Las aplicaciones de estos evaporadores son diversas y específicas para las industrias lecheras y de alimentos.A continuación se detallan aplicaciones en las cuales diversas empresas tiene gran experiencia adquirida:

Industria Lactea : Leche entera y descremada, Leche condensada, Proteínas de la leche, Permeados lácteos, Mezclas de productos lácteos, Mantecas, Suero de queso, Suero de queso previamente cristalizado, Proteínas de suero, Permeados de suero, Soluciones de lactosa, Dulce de leche de producción continua y discontinua.

Industria de Jugos de Fruta: Leche de soja, Jugo de manzana, de naranja y otros citrus, Jugos mezclas, de tomates, de zanahoria

Hidrolizados: Proteína Hidrolizada, Proteína láctea hidrolizada, Suero hidrolizado, Molienda húmeda del maíz, Jarabe de glucosa, Jarabe de Dextrosa 42 y 55, Agua de Macerado.

Industria Frigorífica: Extracto de carne y huesos, Plasma sanguíneo.

Extractos: Extractos de café o té, de carne o hueso, de malta, de levaduras.

Industria Avícola: Concentración de huevo entero, Concentración de clara de huevo.Otras: Vinazas alcohólica

Método aerodinámico Además del suministro de energía calórica, el segundo factor que controla la tasa de evaporación desde una superficie abierta de agua es la habilidad para transportar el vapor lejos de la superficie. La tasa de transporte se determina por el gradiente de humedad en el aire cercano a la superficie y la velocidad del viento a través de dicha superficie, y estos dos procesos pueden analizarse utilizando simultáneamente las ecuaciones de transporte de masa y de cantidad de movimiento en el aire. En el volumen de control que se muestra en la Fig. 2, se puede considerar un plano horizontal de área unitaria localizado a una altura z por encima de la superficie.

Evapotranspiración Real

La cantidad de agua que realmente vuelve a la atmósfera por evaporación y transpiración se conoce con el nombre de evapotranspiración real. Ésta es la suma de las cantidades de vapor de agua evaporadas por el suelo y transpiradas por las plantas durante un período determinado, bajo las condiciones meteorológicas y de humedad de suelo existentes.

El principal factor que determina la evapotranspiración real es la humedad del suelo, el cual puede retener agua conforme con la capacidad de retención específica de cada tipo de terreno. La humedad del suelo es generalmente alimentada por la infiltración, y constituye una reserva de agua a ser consumida por la evaporación del suelo y las plantas

Ejercicios

1.- Determinar el punto de ebullición de una solución que contiene 5 gramos de úrea por 75 gr de agua. La constante KS del agua es 0.5130C/mol y el peso molecular de la úrea 60.0.Solución: La fracción molar m de la úrea en la solución es:m = (5.00 / 60.6) (1000 cm3/lt / 75 cm3) = 1.11 mol/litro

y T = kb m = 0.513 x 1.11 = 0.569OC

La temperatura de ebullición será 100 + 0.569 = 100.5690C

Resp: 100.5690C

2.-En un evaporador que funcionará a 10 psi, se va a concentrar una solución de hidróxido de sodio al 50%. Determinar la elevación del punto de ebullición.

Solución: De las tablas de vapor el agua a 10 psi ebulle a 193.2 0F, equivalente a 89.55 0C. En la figura para una temperatura de 90 0C, como punto de ebullición del agua y para la concentración del hidróxido al 50%, la temperatura de ebullición es de 135 0C, luego la elevación del punto de ebullición es de 135 –90 0C = 45 0C  (más exactamente 45,45 0C).                                                                                              Resp:  45,45 0C

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CURIOSIDAD

Mecanismo externo de pérdida de calor del cuerpo humano

Mediante la evaporación del sudor se pierde el 22 % del calor corporal, ya que el agua tiene un elevado calor específico, y para evaporarse necesita absorber calor, y lo toma del cuerpo, el cual se enfría. Una corriente de aire que reemplace el aire húmedo por el aire seco, aumenta la evaporación.Para que se evapore 1 g de sudor de la superficie de la piel se requieren aproximadamente 0,58 kcal las cuales se obtienen del tejido cutáneo, con lo que la piel se enfría y consecuentemente el organismo.La evaporación de agua en el organismo se produce por los siguientes mecanismos:Evaporación insensible o perspiración: se realiza en todo momento y a través de los poros de la piel, siempre que la humedad del aire sea inferior al 100 %. También se pierde agua a través de las vías respiratorias.Evaporación superficial: formación del sudor por parte de las glándulas sudoríparas, que están distribuidas por todo el cuerpo, pero especialmente en la frente, palmas de manos, pies, axilas y pubis

TRANSPIRACIÓN

Es el proceso físico-biológico por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso a través del metabolismo de las plantas y pasa a la atmósfera. Esencialmente es el mismo proceso físico que la evaporación, excepto que la superficie desde la cual se escapan las moléculas del líquido no es de agua libre sino que es la superficie de las hojas. Éstas están compuestas por finas capas de células (mesodermo) y poseen una delgada epidermis de una célula de espesor, la cual posee numerosas estomas. El espacio intercelular en el mesodermo contiene grandes espacios de aire entre cada estoma. La humedad entre los espacios intercelulares se vaporiza y escapa de la hoja a través de estos estomas.

¿QUÉ ES EL ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN?

Si alguna vez ha experimentado la sensación del viento en su dedo mojado expuesto al aire, entonces ha utilizado el enfriamiento por evaporación. Es posible que también haya percibido una sensación fresca como la brisa del mar que pasa por encima del agua y estalla en la orilla. A medida que el aire caliente sopla sobre el océano, el agua lo enfría mediante el proceso de evaporación. Ese es el proceso de enfriamiento por evaporación. Es el mismo principio que lo enfría a usted después de un baño, y también es el que sustenta una de las formas más antiguas y más simples de aire acondicionado. Los enfriadores modernos por evaporación pueden rastrear su linaje hasta el antiguo Egipto. Son económicos, eficientes, y buenos para el medio ambiente. Los antiguos egipcios proporcionaban enfriamiento a sus casas colgando mantas húmedas en las puertas o, si eran de la realeza, mediante siervos que los abanicaban con jarras de agua de por medio. Cuando el aire caliente y seco pasa sobre el agua (o mejor aún, a través de esta) el aire se enfría. Hoy en día, usamos ventiladores eléctricos, pero el principio de enfriamiento del aire por evaporación sigue siendo el mismo. 

Conclusiones

Se pudo conocer los conceptos básicos de la evaporación

Se observo el uso y aplicaciones de los equipos de evaporación

Se planteo ejercicios de evaporación

https://procesosbandera.wordpress.com/evaporacion/http://www.ecured.cu/index.php/Evaporaci%C3%B3n_(operaci%C3%B3n_unitaria)http://www.chinadrier.es/1-boiling-drying-machine.htmlhttps://www.google.com.pe/search?q=evaporacion+catodica&es_sm=93&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=VM2JVfis

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