Evaporacion

EVAPORACIÓN

El objeto de la evaporación es concentrar una solución que consta de un soluto no volátil y un disolvente volátil.  En la mayoría de las evaporaciones el disolvente es agua.

La evaporación se lleva a cabo vaporizando una parte del disolvente con el fin de obtener una solución concentrada.

La evaporación se diferencia:

-Del secado, en que el residuo es un líquido ( a veces muy viscoso) en vez de un sólido.

-De la destilación, en que el vapor es generalmente un solo componente,  y aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se pretende separar el vapor en fracciones.

Generalmente, en evaporación el líquido concentrado es el producto valioso, mientras que el vapor se condensa y se desprecia.

FACTORES QUE INCIDEN EN LA EVAPORACIÓN

1. Concentración:  La densidad y la viscosidad aumentan con el contenido de sólidos hasta que la solución se satura o se hace demasiado dificultosa para la adecuada transmisión de calor.

A medida que aumenta la proporción de sólidos aumenta también la temperatura de ebullición de la solución, que puede ser mucho mayor que la del agua pura a la misma presión.

2. Formación de espuma: Algunos materiales, especialmente sustancias orgánicas, forman espuma durante la vaporización.  Esta espuma es arrastrada por el vapor y pasa a los condensadores perdiéndose así buena parte del producto; la mayoría de los evaporadores están provistos de deflectores que evitan el arrastre de la espuma con el vapor, y en algunos casos se emplean aditivos o procedimientos que reducen la formación de espumas.

3. Sensibilidad a la Temperatura:  Muchos productos químicos, medicamentos y alimentos se estropean cuando se calientan a temperaturas moderadas durante espacios de tiempo relativamente cortos.  En la concentración de estos materiales es preciso utilizar técnicas especiales para reducir la temperatura del líquido y el tiempo de calentamiento.

-Se debe reducir el efecto negativo de la temperatura trabajando a presiones inferiores a la atmosférica, con lo cual se reduce la ebullición a temperaturas inferiores a los 100 ºC.

-Cuando la temperatura se eleva demasiado se cristalizan los sólidos de la solución y ésta se concentra más allá del punto de saturación.  Para evitar esto se requiere un control de temperatura y de concentración de la solución.

4. Incrustaciones:  Por acción de la temperatura los sólidos tienden a depositarse sobre las superficies de transferencia de calor, reduciendo así la eficiencia de la transferencia (disminuye el coeficiente global), disminuyendo la velocidad de la evaporación; hasta que es preciso parar el evaporador y limpiar los tubos.

5. Materiales de construcción:  Es preciso utilizar materiales especiales como cobre, acero inoxidable, aluminio; como estos materiales son costosos, es conveniente obtener elevadas velocidades de transmisión de calor con el fin de disminuir el costo inicial del equipo.

TIPOS DE EVAPORADORES

1. Marmita abierta

Es simplemente un recipiente abierto en el cual se deposita la solución que se desea evaporar; el calor proviene de una camisa de vapor adosada a la marmita.  En la mayoría de los casos se utiliza un raspador o agitador manual para evitar que los sólidos se depositen en las paredes y se quemen.

2. Evaporadores de tubos horizontales

En estos equipos el vapor va por dentro de los tubos y la solución a evaporar va por fuera de ellos. En estos evaporadores la circulación del líquido no es muy buena y no se emplean para materiales viscosos.

3. Evaporadores verticales con circulación natural

Los tubos de estos evaporadores son verticales y el líquido va por el interior de ellos, mientras que el vapor de calefacción se condensa en el exterior de los mismos.

4. Evaporadores de tubos largos verticales

Son similares a los anteriores pero los tubos tienen una mayor longitud de 3 a 6 m.  En estos tubos se forman burbujas que favorecen el movimiento ascendente del liquido a evaporar el cual sube rápidamente formándose vapor en el trayecto, de tal manera que el liquido atraviesa los tubos una sola vez y no existe movimiento descendente.

5. Evaporadores de Circulación forzada

En estos evaporadores la solución se hace circular con mayor velocidad mediante el empleo de bombas que incrementan su velocidad.  Son útiles en la concentración de líquidos viscosos, pero el costo del equipo y el costo de funcionamiento es superior al de los evaporadores de circulación natural.

6. Evaporadores de placas

Su empleo se ha incrementado por su eficiencia, a la facilidad de limpieza, puesto que pueden desmontarse las placas y el poco espacio que ocupan.

7. Evaporadores de película raspada

El equipo consta de una carcaza horizontal con camisa de vapor que sirve de medio calefactor.  La carcaza posee un rotor interno con paletas que raspan las paredes del equipo impidiendo las incrustaciones.  Se emplean para líquidos altamente viscosos y sensibles al calor, puesto que el tiempo de residencia es muy corto y las paletas favorecen el movimiento del líquido.

SISTEMAS DE EVAPORACIÓN

Para adelantar operaciones de evaporación se puede trabajar con un solo equipo o con varios equipos en serie, teniéndose así la evaporación en simple efecto y la evaporación en efecto múltiple.

1. Evaporador de simple efecto

Se lleva a cabo la evaporación en un solo equipo; este procedimiento no es muy eficiente:  por cada kilogramo de vapor que se condensa se evapora aproximadamente 1 kilogramo de líquido de la solución que se desea concentrar.

2.  Evaporador de efecto múltiple

Mediante este sistema se utiliza eficientemente el vapor de calefacción, evaporándose 2 kilogramos de líquido por cada kilogramo de vapor en el caso de doble efecto y 3 kilogramos de líquido por cada kilogramo de vapor en el caso de efecto triple.

Cuando se está trabajando con efecto múltiple la alimentación puede ser hacia adelante, en retroceso o en paralelo.

En el caso de efecto múltiple el último de los equipos está conectado al vacío, de forma tal que la temperatura de evaporación sea mas alta en los primeros efectos que en los últimos.

La alimentación hacia delante se emplea para aquellos productos en los cuales el concentrado final puede dañarse por efecto de la temperatura, puesto que será este producto el que se encuentre a menor temperatura de ebullición.

La alimentación en retroceso se emplea cuando la solución a alimentar está fría pues la cantidad de líquido que debe calentarse a temperaturas mas altas es menor.  En este caso se requieren bombas para pasar el producto de un efecto a otro puesto que cada efecto está a mayor presión que el anterior de donde proviene la solución. Es recomendable emplear este sistema cuando el producto es viscoso puesto que el concentrado estará a temperatura elevada.

Balances en Evaporadores de Simple Efecto

F =   alimentación, en Kg/h  ó  Lb/h

L = Líquido concentrado

XF , XL , YV   =  Concentración ó porcentaje  de sólidos

CP = Calor específico de la alimentación en KJ / KgºC  ó  Btu / LbºF

TF = Temperatura de la alimentación

HF = Entalpía de la alimentación   =    Cp ΔT = Cp (TF -To )

To = Temperatura de referencia  (0°C,  273°K,  32°F)

T1  = temperatura del vapor dentro del evaporador

V = vapor correspondiente a la evaporación del líquido en la alimentación.

Hv = Entalpía del vapor a  T1   =   Hg a la T1 o P1 

HL = Entalpía del líquido = Cp ΔT = Cp (T1 - To)    

S = Entrada del vapor de agua saturada = Salida de agua condensada.

TS , PS  = Temperatura y Presión  del vapor de agua saturada.

HSV = Entalpía del vapor de agua = Hg a la TS ó PS.

HSL = Entalpía del agua condensada = Hf a la Ts ó PS .

HSV – HSL = λ vapor  [pic 1] λ vapor  = HSV - HSL

Capacidad del Evaporador: q  = U A ΔT,     q = calor transferido desde el vapor hasta el líquido  que se está evaporando, ( Btu/hr ) ; ( KJ / hr) .

U = Coeficiente global de transferencia  de calor entre el vapor calefactor y la solución que se está evaporando. ( Btu / hr ft2 ºF ) ; ( KJ / hr m2 ºC ).

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