Universidad Técnica Federico Santa MaríaUniversidad Técnica Federico Santa María

Procesos Industriales IIProcesos Industriales II

Operación UnitariaOperación Unitaria

EvaporaciónEvaporación

Expositor: Gastón Salas SExpositor: Gastón Salas S

Octubre del 2000Octubre del 2000

IntroducciónIntroducción

INTRODUCCIONINTRODUCCION

La evaporación nos La evaporación nos acompaña desde acompaña desde siempre, un buen siempre, un buen ejemplo es el clima.ejemplo es el clima.

Definición: La Definición: La evaporación es el evaporación es el proceso en el que se proceso en el que se concentra una disolución concentra una disolución compuesta por un soluto compuesta por un soluto no volátil y un solvente no volátil y un solvente volátil.volátil.

Fundamento Teórico de La Fundamento Teórico de La EvaporaciónEvaporación

Las moléculas de los líquidos poseen energía Las moléculas de los líquidos poseen energía cinética.cinética.

La energía cinética aumenta conforme La energía cinética aumenta conforme aumenta la temperatura.aumenta la temperatura.

La evaporación se produce cuando la energía La evaporación se produce cuando la energía cinética de las moléculas les permite liberarse cinética de las moléculas les permite liberarse de la atracción de sus vecinas y pueden de la atracción de sus vecinas y pueden escapar al aire (cambio de fase líquido-vapor.escapar al aire (cambio de fase líquido-vapor.

Variables de la EvaporaciónVariables de la Evaporación

Temperatura.Temperatura. Presión.Presión. Superficie expuesta.Superficie expuesta. Corriente de aire.Corriente de aire. Concentración.Concentración. Formación de espuma.Formación de espuma. Sensibilidad a la temperatura.Sensibilidad a la temperatura. Formación de costra.Formación de costra.

Transmisión de Calor Transmisión de Calor

El calor fluye de un cuerpo caliente a uno más El calor fluye de un cuerpo caliente a uno más frío.frío.

La energía térmica puede transferirse o La energía térmica puede transferirse o transformarse, pero nunca se pierde, siempre transformarse, pero nunca se pierde, siempre se conserva (ley de la conservación de la se conserva (ley de la conservación de la energía).energía).

Consideraciones Generales del Consideraciones Generales del Funcionamiento de los Evaporadores Funcionamiento de los Evaporadores

IndustrialesIndustriales El funcionamiento de los El funcionamiento de los

evaporadores consiste evaporadores consiste básicamente en transferir calor básicamente en transferir calor desde la caja de vapor hacia los desde la caja de vapor hacia los tubos de solución y de estos al tubos de solución y de estos al líquido que se quiere evaporar.líquido que se quiere evaporar.

En este proceso se crean una En este proceso se crean una serie de resistencias térmicas.serie de resistencias térmicas.

Desde el punto de vista de la Desde el punto de vista de la caja de vapor se produce una caja de vapor se produce una película de condensado y una película de condensado y una película adicional con los gases película adicional con los gases inertes.inertes.

En el interior de los tubos de En el interior de los tubos de solución se produce una solución se produce una película de estancamiento, película de estancamiento, generada por la viscosidad del generada por la viscosidad del líquido.líquido.

Evaporador de Tubos Evaporador de Tubos HorizontalesHorizontales

Consiste en un recipiente cerrado Consiste en un recipiente cerrado en cuyo fondo hay montados unos en cuyo fondo hay montados unos tubos horizontales. El cuerpo del tubos horizontales. El cuerpo del evaporador por lo general se evaporador por lo general se construye de acero soldado, los construye de acero soldado, los tubos se acoplan en los extremos tubos se acoplan en los extremos en dos chapas mediante en dos chapas mediante empaquetaduras.empaquetaduras.

El agente calefactor es vapor de El agente calefactor es vapor de agua, que se introduce a una caja agua, que se introduce a una caja de vapor que comunica al interior de vapor que comunica al interior de los tubos.de los tubos.

Los tubos tienen entre 20 y 40 mm Los tubos tienen entre 20 y 40 mm de diámetro y de 1.20 4.50 m. de de diámetro y de 1.20 4.50 m. de largo.largo.

Evaporadores de Tubos Verticales Evaporadores de Tubos Verticales Cortos Tipo EstándarCortos Tipo Estándar

Se clasifican en Estándar y de Se clasifican en Estándar y de Canasta o Cesta.Canasta o Cesta.

En general constan de un cuerpo En general constan de un cuerpo cilíndrico y en el fondo una caja de cilíndrico y en el fondo una caja de vapor.vapor.

Los tubos que atraviesan la caja Los tubos que atraviesan la caja constituyen la superficie de constituyen la superficie de calefacción.calefacción.

La circulación se induce mediante la La circulación se induce mediante la ebullición en los tubos y por la ebullición en los tubos y por la corriente de convección generada corriente de convección generada por la diferencia de temperatura al por la diferencia de temperatura al interior del evaporador.interior del evaporador.

Evaporador de Tubos Verticales Evaporador de Tubos Verticales Cortos Tipo CestaCortos Tipo Cesta

Este evaporador es muy Este evaporador es muy similar al tipo Estándar.similar al tipo Estándar.

La circulación del líquido es La circulación del líquido es por convección y por por convección y por evaporación.evaporación.

La recirculación se realiza La recirculación se realiza por el borde a diferencia del por el borde a diferencia del tipo Estándar que lo hace tipo Estándar que lo hace por el conducto central.por el conducto central.

Ventajas De Los Evaporadores Ventajas De Los Evaporadores Verticales De Tubo CortoVerticales De Tubo Corto

Coeficientes de transferencia de calor altos con Coeficientes de transferencia de calor altos con diferencias altas de temperaturas.diferencias altas de temperaturas.

Espacio superior bajo.Espacio superior bajo.

Eliminación mecanizada sencilla de las Eliminación mecanizada sencilla de las escamas.escamas.

Relativamente poco costoso.Relativamente poco costoso.

Desventajas de los Evaporadores Desventajas de los Evaporadores Verticales de Tubo CortoVerticales de Tubo Corto

Mala transferencia de calor con diferencias Mala transferencia de calor con diferencias bajas de temperatura y a temperaturas bajas.bajas de temperatura y a temperaturas bajas.

Espacio grande de terreno y peso alto.Espacio grande de terreno y peso alto.

Retención relativamente alta.Retención relativamente alta.

Mala transferencia de calor con líquidos Mala transferencia de calor con líquidos viscosos.viscosos.

Las Mejores Aplicaciones de los Las Mejores Aplicaciones de los EvaporadorEvaporadorees Verticales de Tubo Corto.s Verticales de Tubo Corto.

Líquidos limpios.Líquidos limpios.

Productos cristalinos. Si se utiliza una hélice Productos cristalinos. Si se utiliza una hélice propulsora para la recirculación del líquido.propulsora para la recirculación del líquido.

Soluciones con formación ligera de escamas Soluciones con formación ligera de escamas que requieran una limpieza mecánica, puesto que requieran una limpieza mecánica, puesto que los tubos son cortos y de diámetro grande.que los tubos son cortos y de diámetro grande.

Evaporadores Verticales de Tubos Largos. Evaporadores Verticales de Tubos Largos. Evaporador Tipo LTV (Película Ascendente)Evaporador Tipo LTV (Película Ascendente)

En estos evaporadores se En estos evaporadores se logra una mayor evaporaciónlogra una mayor evaporación..

El evaporador vertical de tubo El evaporador vertical de tubo largo consiste en un largo consiste en un intercambiador de coraza y intercambiador de coraza y un tubo vertical de paso un tubo vertical de paso simple, que se descarga en simple, que se descarga en un cabezal de vapor un cabezal de vapor relativamente pequeñorelativamente pequeño..

En general no se mantiene el En general no se mantiene el nivel de líquido en el cabezal nivel de líquido en el cabezal de vapor y el tiempo de de vapor y el tiempo de residencia del lresidencia del lííquido es squido es sóólo lo de algunos segundosde algunos segundos..

Evaporador Tipo LTV de Película Evaporador Tipo LTV de Película AscendenteAscendente

Evaporador Tipo LTV (de Película Evaporador Tipo LTV (de Película Descendente)Descendente)

Se alimenta lSe alimenta lííquido a la parte quido a la parte superior de los tubos y fluye superior de los tubos y fluye hacia abajo por las paredes hacia abajo por las paredes en forma de una películaen forma de una película..

LLa separación del vapor y el a separación del vapor y el llííquido ocurre en el fondoquido ocurre en el fondo..

Este evaporador se emplea Este evaporador se emplea en la concentración de en la concentración de materiales sensibles al calor, materiales sensibles al calor, como los jugos de frutacomo los jugos de fruta;; puesto que el tiempo de puesto que el tiempo de retención es muy pequeño, el retención es muy pequeño, el llííquido no se calienta en quido no se calienta en exceso al pasar por el exceso al pasar por el evaporadorevaporador..

Diagrama Diagrama dde e uun Evaporador LTV n Evaporador LTV dde Película Descendentee Película Descendente

Ventajas Ventajas dde e llos Evaporadores Verticales os Evaporadores Verticales dde e Tubos Largos Tubos Largos dde Película Ascendente e Película Ascendente yy

DescendenteDescendente..

Bajo costo.Bajo costo.

Superficie amplia de calentamiento en un cuerpo.Superficie amplia de calentamiento en un cuerpo.

Baja retención Baja retención

Necesidades de poco espacio de terreno.Necesidades de poco espacio de terreno.

Buenos coeficientes de transferencia de calor con Buenos coeficientes de transferencia de calor con diferencias razonables de temperaturas (ascendente).diferencias razonables de temperaturas (ascendente).

Buenos coeficientes de transferencias de calor en Buenos coeficientes de transferencias de calor en todas las diferencias de temperatura (descendente).todas las diferencias de temperatura (descendente).

Desventajas Desventajas dde e llos Evaporadores Verticales os Evaporadores Verticales dde Tubos Largos e Tubos Largos dde Película Ascendente e Película Ascendente yy

DescendenteDescendente..

Espacio superior elevado.Espacio superior elevado.

No son adecuados para líquidos que producen No son adecuados para líquidos que producen acumulaciones de sales en grandes cantidades.acumulaciones de sales en grandes cantidades.

Bajos coeficientes de transferencia de calor de la Bajos coeficientes de transferencia de calor de la versión de película ascendente, con diferencias versión de película ascendente, con diferencias bajas de temperatura.bajas de temperatura.

Por lo general se requiere de recirculación para la Por lo general se requiere de recirculación para la versión de película descendente.versión de película descendente.

Las Mejores Aplicaciones para los Las Mejores Aplicaciones para los Evaporadores LTV.Evaporadores LTV.

Con líquidos limpios.Con líquidos limpios.

Con líquidos espumosos .Con líquidos espumosos .

Con soluciones corrosivas.Con soluciones corrosivas.

Con grandes cargas de evaporación.Con grandes cargas de evaporación.

Con diferencias elevadas de temperaturas (película Con diferencias elevadas de temperaturas (película ascendente).ascendente).

Con diferencias bajas de temperatura (película Con diferencias bajas de temperatura (película descendente).descendente).

Evaporadores de Circulación ForzadaEvaporadores de Circulación Forzada

Los evaporadores de circulación forzada utilizan una Los evaporadores de circulación forzada utilizan una bomba para asegurar la circulación sobre la bomba para asegurar la circulación sobre la superficie de calentamientosuperficie de calentamiento..

La bomba retira líquido de la cámara de La bomba retira líquido de la cámara de evaporación y lo obliga a pasar por el elemento de evaporación y lo obliga a pasar por el elemento de calentamiento, de regreso a dicha cámaracalentamiento, de regreso a dicha cámara..

La circulación se mantiene sea cual sea el índice de La circulación se mantiene sea cual sea el índice de evaporaciónevaporación.. PPor lo que este tipo de evaporadores or lo que este tipo de evaporadores es muy adecuado para operaciones de es muy adecuado para operaciones de cristalizacióncristalización,, en las cuales los sólidos deben en las cuales los sólidos deben mantenerse en suspensión en todo momentomantenerse en suspensión en todo momento..

Evaporador de Circulación Evaporador de Circulación Forzada con Intercambiador de Forzada con Intercambiador de

Calor InternoCalor Interno

Este equipo posee una Este equipo posee una bomba que le permite bomba que le permite la circulación forzadala circulación forzada..

El intercambiador de El intercambiador de calor estcalor estáá en el interior en el interior del cuerpo del del cuerpo del evaporadorevaporador..

Evaporador de Circulación Forzada Evaporador de Circulación Forzada con Intercambiador de Calor Externocon Intercambiador de Calor Externo

En este equipo el En este equipo el intercambiador de intercambiador de calor (tubos de calor (tubos de calefacción) estcalefacción) estáá en el en el exterior del cuerpo del exterior del cuerpo del evaporadorevaporador..

PPosee una bomba que osee una bomba que es la que permite la es la que permite la circulación forzadacirculación forzada..

Ventajas de los Evaporadores de Ventajas de los Evaporadores de Circulación Forzada.Circulación Forzada.

Coeficientes de transferencias de calor elevados.Coeficientes de transferencias de calor elevados.

Circulación positiva.Circulación positiva.

Libertad relativa de ensuciamiento y formaciones Libertad relativa de ensuciamiento y formaciones de sales y escamas.de sales y escamas.

Desventajas de los Evaporadores de Desventajas de los Evaporadores de Circulación Forzada.Circulación Forzada.

Costo elevado.Costo elevado.

Energía necesaria para la bomba de Energía necesaria para la bomba de circulación.circulación.

Tiempo de residencia relativamente alto.Tiempo de residencia relativamente alto.

Las Mejores Aplicaciones para los Las Mejores Aplicaciones para los Evaporadores de Circulación ForzadaEvaporadores de Circulación Forzada

Productos cristalinos.Productos cristalinos.

Soluciones corrosivas.Soluciones corrosivas.

Soluciones viscosas.Soluciones viscosas.

Dificultades Frecuentes en los Dificultades Frecuentes en los Evaporadores de Circulación Forzada.Evaporadores de Circulación Forzada.

Atascamiento de las entradas de los tubos, por Atascamiento de las entradas de los tubos, por deposiciones de sales desprendidas de las paredes deposiciones de sales desprendidas de las paredes del equipo.del equipo.

Mala circulación debido a pérdidas de carga más Mala circulación debido a pérdidas de carga más altas que las esperadas.altas que las esperadas.

Formación de deposiciones de sales debido a la Formación de deposiciones de sales debido a la ebullición en los tubos.ebullición en los tubos.

Corrosión y erosión.Corrosión y erosión.

Evaporadores de Efecto MúltipleEvaporadores de Efecto Múltiple

En un sistema de evaporación de En un sistema de evaporación de dos etapas (o efectos), el vapor dos etapas (o efectos), el vapor producido en la primera etapa se producido en la primera etapa se emplea como fuente de energía emplea como fuente de energía para el segundo efectopara el segundo efecto;; por lo por lo que se aprovecha el calor que se aprovecha el calor latente de ebullición del latente de ebullición del producto sometido al primer producto sometido al primer efecto. efecto.

Esta cascada de efectos puede Esta cascada de efectos puede continuarse para varias etapas y continuarse para varias etapas y es evidente que ses evidente que sóólo se inyecta lo se inyecta vapor de servicio en el primer vapor de servicio en el primer efectoefecto;; por lo que la presión y por lo que la presión y temperatura del primer efecto es temperatura del primer efecto es siempre la mayor en el sistema.siempre la mayor en el sistema.

Isométrico de un Sistema de Isométrico de un Sistema de Evaporación Múltiple.Evaporación Múltiple.

Isométrico de un Sistema de Isométrico de un Sistema de Evaporación Múltiple. (continuación)Evaporación Múltiple. (continuación)

Cada efecto opera a una presión y temperatura más baja que el efecto Cada efecto opera a una presión y temperatura más baja que el efecto anterior.anterior.

Los vapores son removidos del efecto anterior a la temperatura de Los vapores son removidos del efecto anterior a la temperatura de ebullición de ese efecto; por lo que es necesario aumentar el vacío en ebullición de ese efecto; por lo que es necesario aumentar el vacío en el siguiente efecto, a fin de que siga existiendo una diferencia de el siguiente efecto, a fin de que siga existiendo una diferencia de temperaturas en la evaporación. temperaturas en la evaporación.

Los costos de operación en estos sistemas dependen del número de Los costos de operación en estos sistemas dependen del número de etapas y las temperaturas de operación.etapas y las temperaturas de operación.

Una forma de aumentar la economía y la conservación de energía de Una forma de aumentar la economía y la conservación de energía de sistemas múltiples y simples, es recomprimir el vapor proveniente de la sistemas múltiples y simples, es recomprimir el vapor proveniente de la ebullición de la disolución, lo que se logra añadiendo energía al vapor ebullición de la disolución, lo que se logra añadiendo energía al vapor en forma de una corriente de vapor jet, termo-compresión o por en forma de una corriente de vapor jet, termo-compresión o por medios mecánicos como el uso de un compresor.medios mecánicos como el uso de un compresor.

Alimentación de los Sistemas Alimentación de los Sistemas MúltiplesMúltiples

Los sistemas de Los sistemas de evaporación múltiple evaporación múltiple pueden alimentarse de pueden alimentarse de varias formas, lo que no varias formas, lo que no está relacionado a la está relacionado a la numeración de efectos.numeración de efectos.

Los efectos son siempre Los efectos son siempre numerados de mayor numerados de mayor presión a menor presión a menor presión, por lo que el presión, por lo que el efecto 1 siempre es el efecto 1 siempre es el que tiene la mayor que tiene la mayor presión.presión.

Sistemas Múltiples con Alimentación Sistemas Múltiples con Alimentación hacia Adelantehacia Adelante

Los sistemas múltiples con alimentación hacia adelante siguen Los sistemas múltiples con alimentación hacia adelante siguen el patrón “natural” de evaporador 1 el patrón “natural” de evaporador 1 evaporador 2 evaporador 2 evaporador 3.evaporador 3.

La única bomba requerida es para alimentar el producto a La única bomba requerida es para alimentar el producto a concentrar al evaporador 1, lo que reduce los costos fijos (de concentrar al evaporador 1, lo que reduce los costos fijos (de compra del equipo).compra del equipo).

Los costos operativos se incrementan en este sistema, debido Los costos operativos se incrementan en este sistema, debido a que la alimentación fría tiene que elevarse a la máxima a que la alimentación fría tiene que elevarse a la máxima temperatura del sistema. Por otro lado, el líquido tiene la menor temperatura del sistema. Por otro lado, el líquido tiene la menor concentración en este punto, por lo que la transferencia de concentración en este punto, por lo que la transferencia de calor no es tan eficiente como en los efectos donde la calor no es tan eficiente como en los efectos donde la concentración (y la viscosidad ) han aumentado.concentración (y la viscosidad ) han aumentado.

Sistemas Múltiples con Alimentación Sistemas Múltiples con Alimentación hacia Atráshacia Atrás

En los sistemas múltiples de alimentación hacia atrás, el fluido En los sistemas múltiples de alimentación hacia atrás, el fluido debe bombearse a través del sistema, puesto que va del debe bombearse a través del sistema, puesto que va del evaporador de menor presión hacia el de mayor presión, es evaporador de menor presión hacia el de mayor presión, es decir, Evaporador 3 decir, Evaporador 3 Evaporador 2 Evaporador 2 Evaporador 1. Evaporador 1.

Debido al calentamiento gradual son operativamente más Debido al calentamiento gradual son operativamente más eficientes que la primera categoría. eficientes que la primera categoría.

La alimentación hacia atrás también reduce las diferencias de La alimentación hacia atrás también reduce las diferencias de viscosidad en el sistema y la mayor viscosidad de producto en viscosidad en el sistema y la mayor viscosidad de producto en el evaporador de menor temperatura y presión “empareja” la el evaporador de menor temperatura y presión “empareja” la eficiencia de intercambio de calor con el gradiente de eficiencia de intercambio de calor con el gradiente de temperatura entre producto y vapor de serviciotemperatura entre producto y vapor de servicio..

Sistemas Múltiples con Alimentación Sistemas Múltiples con Alimentación MixtaMixta

Los arreglos con alimentación mixta ofrecen un Los arreglos con alimentación mixta ofrecen un compromiso entre las dos categorías estudiadas compromiso entre las dos categorías estudiadas anteriormente.anteriormente.

Con la alimentación entrando en la mitad del Con la alimentación entrando en la mitad del sistema, por ejemplo: Evaporador 2 sistema, por ejemplo: Evaporador 2 Evaporador Evaporador 3 3 Evaporador 1. La evaporación final se realiza Evaporador 1. La evaporación final se realiza a la más alta temperatura, por lo que la economía a la más alta temperatura, por lo que la economía del sistema sigue siendo mejor que la de la del sistema sigue siendo mejor que la de la alimentación hacia adelante, requiriéndose menos alimentación hacia adelante, requiriéndose menos bombas que para la alimentación hacia atrásbombas que para la alimentación hacia atrás ..

Sistemas Múltiples con Alimentación Sistemas Múltiples con Alimentación ParalelasParalelas

Los sistemas de alimentación paralela parten el Los sistemas de alimentación paralela parten el flujo de producto de entrada, de forma que una flujo de producto de entrada, de forma que una pequeña parte de la alimentación entre a cada pequeña parte de la alimentación entre a cada efecto. efecto.

Este sistema es más común en evaporadores-Este sistema es más común en evaporadores-cristalizadores, en los que el producto a evaporar cristalizadores, en los que el producto a evaporar es altamente viscoso y presenta una gran cantidad es altamente viscoso y presenta una gran cantidad de sólidos en una matriz acuosade sólidos en una matriz acuosa..

Ventajas de los Evaporadores Ventajas de los Evaporadores MúltiplesMúltiples

Este tipo de sistema puede remover una mayor cantidad Este tipo de sistema puede remover una mayor cantidad de humedad del producto, comparados a un sistema de de humedad del producto, comparados a un sistema de una etapa.una etapa.

Mejora la transferencia de calor, a pesar del incremento Mejora la transferencia de calor, a pesar del incremento de viscosidad del producto.de viscosidad del producto.

Desventajas de un Evaporador Desventajas de un Evaporador múltiplemúltiple

Los evaporadores de efecto múltiple no siempre Los evaporadores de efecto múltiple no siempre son la mejor opción. Es evidente que el costo inicial son la mejor opción. Es evidente que el costo inicial del equipo sobrepasa al de los evaporadores del equipo sobrepasa al de los evaporadores simples.simples.

El costo de operación es alto, depende del número El costo de operación es alto, depende del número de etapas.de etapas.

Enfoque Ambiental de la Operación Unitaria Enfoque Ambiental de la Operación Unitaria EvaporaciónEvaporación

En esta operación unitaria se debe poner extremo cuidado con En esta operación unitaria se debe poner extremo cuidado con los residuos de vapor proveniente de la disolución. Si son de los residuos de vapor proveniente de la disolución. Si son de características contaminantes, estos deben ser tratados características contaminantes, estos deben ser tratados adecuadamente de acuerdo a la legislación vigente.adecuadamente de acuerdo a la legislación vigente.

Al tratarse de vapores tóxicos estos son condensados y Al tratarse de vapores tóxicos estos son condensados y derivados a plantas de procesos de purificación, donde tendrán derivados a plantas de procesos de purificación, donde tendrán que alcanzar a lo más el nivel de contaminación exigido por la que alcanzar a lo más el nivel de contaminación exigido por la ley antes de ser desechado.ley antes de ser desechado.

Cuando los residuos de vapor resulten inocuos, estos pueden Cuando los residuos de vapor resulten inocuos, estos pueden eliminarse directamente al ambiente como vapor o como eliminarse directamente al ambiente como vapor o como líquido si son tratados con un condensador.líquido si son tratados con un condensador.

CONCLUSIÓNCONCLUSIÓN

Esta operación unitaria tiene muchas aplicaciones, desde la Esta operación unitaria tiene muchas aplicaciones, desde la industria química hasta la de alimentos.industria química hasta la de alimentos.

Como se pudo observar en este trabajo, el objetivo principal de Como se pudo observar en este trabajo, el objetivo principal de la evaporación es concentrar una disolución.la evaporación es concentrar una disolución.

El hecho de trabajar con concentrados resulta más eficiente El hecho de trabajar con concentrados resulta más eficiente desde el punto de vista del transporte y del almacenaje. Sin desde el punto de vista del transporte y del almacenaje. Sin embargo, puede ser necesario trabajar con concentraciones embargo, puede ser necesario trabajar con concentraciones más altas porque el proceso de producción lo exige.más altas porque el proceso de producción lo exige.

Es importante destacar que la evaporación sólo es un paso Es importante destacar que la evaporación sólo es un paso más en una serie de operaciones unitariasmás en una serie de operaciones unitarias encadenadas para encadenadas para la obtención de un producto final.la obtención de un producto final.