EVAPORIZACIN

El objetivo de la evaporacin es concentrar una disolucin consistente en un soluto no voltil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporacin se realiza vaporizado una parte del disolvente para producir una disolucin concentrada. La evaporacin difiere del secado en que el residuo es un lquido a veces altamente viscoso- en vez de un solido; difiere de la destilacin en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporacin no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalizacin en que su inters reside en concentrar una disolucin y no en formar y obtener cristales. En ciertas situaciones, por ejemplo, en la evaporacin de salmuera para producir sal comn, la separacin entre evaporacin y cristalizacin dista mucho de ser ntida. La evaporacin produce a veces una suspensin de cristales en unas aguas madres saturadas.Normalmente, en evaporacin el producto valioso es el lquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha. Sin embargo, en algn caso concreto puede ocurrir lo contrario. El agua salubre se evapora con frecuencia para obtener para obtener un producto exento de solido para la alimentacin de calderas, para procesos con requerimientos especiales o para el consumo humano. Esta tcnica se conoce con frecuencia con el nombre de destilacin de agua, pero se trata en realidad de evaporacin. Se han desarrollado procesos a parte de agua de mar. En este caso el agua condensada es el producto deseado. Solamente se recupera una fraccin del agua contenida en la alimentacin, mientras que el resto se devuelve al mar.

Caractersticas del lquido. La solucin practica a un problema de evaporacin esta produndamente afectada por el carcter del lquido que se concentra. Precisamente es la gran variedad de caractersticas de dichos lquidos (que demanda un criterio y experiencia en el diseo y operacin de evaporadores) lo que amplia esta operacin desde una sencilla transmisin de calor hasta un arte separado. A continuacin se comentan algunas de las propiedades mas importantes de los lquidos que se evaporan.

Concentracin. Aunque la disolucin que entra como alimentacin de un evaporador puede ser suficiente diluida teniendo muchas de las propiedades fsicas del agua, a medida que aumenta la concentracin la disolucin adquiere cada vez un carcter mas individualistas. La densidad y la viscosidad aumentan con el contenido de solido hasta que la disolucin o bien se transforma en saturacin o resulta inadecuada para una transmisin de calor adecuada. La ebullicin continuada de una disolucin saturada da lugar a la formacin de cristales, que es preciso separar pues de lo contario obstruyen los tubos. La temperatura de ebullicin de la disolucin puede tambin aumentar considerablemente al aumentar el contenido de solido, de forma que la temperatura de ebullicin de una disolucin concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presin.

Formacin de espuma. Algunos materiales, especialmente sustancias orgnicas, forman espumas durante la vaporizacin. Una espuma estable acompaa al vapor que sale del evaporador dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos toda la masa de lquido puede salir con el vapor y perderse.

Sensibilidad a la temperatura. Muchos productos qumicos finos, productos farmacuticos y alimentos se daan cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentracin de estos materiales se necesitan tcnicas especiales para reducir tanto la temperatura del lquido como el tiempo de calentamiento.Formacin de costras. Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefaccin. En estos casos el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llegue un momento en que es preciso interrumpir la operacin y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difcil y costosa.

Materiales de construccin. Siempre que es posible, los evaporadores se construyen con algn tipo de acero. Sin embargo, muchas disoluciones atacan a los metales frreos y se produce contaminacin. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como el cobre, nquel, acero inoxidable, grafito y plomo. Puesto que estos materiales son caros, resulta especialmente deseable obtener elevadas velocidades de transmisin de calor con el fin de minimizar el costo del equipo.El diseador de un evaporador ha de tener en cuenta muchas otras caractersticas del liquido. Algunas de ellas son el calor especfico, el calor de concentracin, la temperatura de congelacin, la radiactividad y la necesidad de operacin estril. Debido a la gran variedad de propiedades de las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores. La eleccin para el caso de un problema especfico depende esencialmente de las caractersticas del lquido.

Operacin de simple y mltiple efecto. La mayora de los evaporadores se calienta con vapor de agua que condensa sobre tubos metlicos. Generalmente el vapor es de baja presin, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el liquido que hierve se encuentra a un vacio moderado, de hasta 0.05 atm absolutas. Al reducir la temperatura de ebullicin del lquido aumenta la diferencia de temperatura entre vapor condensante y el lquido de ebullicin y, por lo tanto, aumenta la velocidad de trasmisin de calor en el evaporador.Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del liquido en ebullicin se condensa y desecha. Este mtodo recibe el nombre de evaporacin de simple efecto, y aunque es sencillo, utiliza ineficazmente el vapor. Para evaporar un 1 kg de agua de la disolucin se requiere de 1 a 1.3 kg de vapor de agua. Si el vapor procedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentacin en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de este se enva al condensador, la operacin recibe el nombre de doble efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo efecto, y la evaporacin obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentacin al primer efecto es aproximadamente el doble. El mtodo general para aumentar la evaporacin por kilogramo de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de evaporacin en mltiple efecto.

TIPOS DE EVAPORADORES

Los principales tipos de evaporadores tubulares calentados con vapor de agua actualmente utilizados son:

1. Evaporadores de tubos largos verticales.a. Flujo ascendente (pelcula ascendente).b. Flujo descendente (pelcula descendente).c. Circulacin forzada.2. Evaporadores de pelcula agitada.

Evaporadores con un paso a travs y con circulacin. Los evaporadores pueden operar bien como unidades con un paso a travs o con circulacin. En la operacin con un paso a travs, el lquido de alimentacin para una sola vez a travs de los tubos, desprende el vapor y sale de la unidad como disolucin concentrada. Toda la evaporacin tiene lugar en un solo paso. La relacin de evaporacin a alimentacin esta limitada en una unidad de un solo paso, por tanto, estos evaporadores se adaptan bien a la operacin en mltiple efecto, donde la concentracin total puede conseguirse en varios efectos. Los evaporadores de pelcula agitada operan siempre con un solo paso a travs; los evaporadores de pelcula ascendente y pelcula descendente pueden tambin operar esta de esta forma.Los evaporadores con un solo paso a travs son especialmente tiles para materiales sensibles al calor. Operando a vacio elevado se puede mantener baja la temperatura del lquido. Con un solo paso rpido a travs de los tubos la disolucin concentrada esta a la temperatura de evaporacin, pero solamente durante un corto periodo de tiempo, y puede enfriar muy rpidamente en cuanto sale del evaporador.En los evaporadores con circulacin se mantiene una masa lquido dentro del equipo. La alimentacin que entra se mezcla con la masa de lquido y despus pasa a travs de los tubos. El liquido no evaporado descarga de los tubos y retorna al equipo, de forma que en cada paso solamente ocurre una parte de la evaporacin total. Todos los evaporadores de circulacin forzada operan en esta forma: los evaporadores de pelcula ascendente son generalmente unidades de circulacin.La disolucin concentrada procedente de un evaporador con circulacin se retira de la masa de lquido. Por lo tanto, esta ha de tener la mxima concentracin. Puesto que el lquido que entra en los tubos puede contener varias partes de disolucin concentrada pro cada parte de alimentacin, su concentracin, densidad, viscosidad y temperatura de ebullicin son prximas al valor mximo. En consecuencia, el coeficiente de transmisin de calor tiende a ser bajo.Los evaporadores de circulacin no son muy adecuados para conectar lquidos sensibles al calor. Con un vacio razonablemente bueno la temperatura de la masa de liquido puede no ser destructiva, peor el liquido esta repetidamente expuesto al contacto con los tubos calientes; por lo consiguiente, algo de liquido puede calentarse a una temperatura excesivamente puede ser corto, parte del liquido esta retenido con en el evaporador un tiempo considerable, y el calentamiento prolongado de aun una pequea parte de un material sensible al calor, tal como un producto alimenticio, puede estropear todo el producto.Sin embargo, los evaporadores de circulacin pueden operar en un elevado intervalo de concentracin entre la alimentacin y la disolucin concentrada utilizando un asola unidad, adaptndose bien a la evaporacin en un solo efecto. Pueden operar indistintamente con circulacin natural, con el flujo a travs de los tubos inducidos por la diferencia de densidad, o con circulacin forzada, promoviendo le flujo mediante una bomba.

Evaporadores de tubos largos con flujo ascendente. En la figura 16.1 se representa un evaporador de tubos largos tpico, con flujo ascendente del lquido. Las partes esenciales son (1) un cambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la carcasa, y el liquido que se desea concentrar en el interior de los tubos, (2) un separador o espacio de vapor para separar el liquido arrastrado por el vapor, y (3) cuando opera como una unidad de circulacin, una recirculacin para el liquido desde el separador hasta el fondo del cambiador. Existen entradas para el lquido de alimentacin y el vapor de agua, y salidas para el vapor, la disolucin concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de agua.

Los tubos son tpicamente de 1 a 2 pulg de dimetro y 12 a 32 pies de longitud. El lquido y el vapor ascienden por el interior de los tubos como consecuencia de la accin de ebullicin, y el lquido separado retorna al fondo de los tubos por gravedad. La alimentacin diluida, con frecuencia a una temperatura prxima al ambiente, entra en el sistema y se mezcla con el lquido que retorna del separador. La mezcla entra por el fondo de los tubos, sobre la parte exterior de los cuales condensa vapor de agua. Durante una corta distancia la alimentacin que entra en los tubos asciende como lquido recibiendo calor desde el vapor de agua. Despus forman burbujas en el lquido al comenzar la ebullicin, aumentando la velocidad lineal y la velocidad de transmisin de calor. Cerca de la parte superior de los tubos las burbujas creen rpidamente. En esta zona las burbujas de vapor alternan con masas de lquido que ascienden rpidamente a travs de los tubos y salen a gran velocidad por la parte superior.Las mezclas de vapor y lquido que sal de los tubos entran en el separador. El dimetro separador es mayor que el del cambiador, de tal forma que la velocidad del vapor disminuye rpidamente. Como una ayuda adicional para la eliminacin de las gotitas de lquido, el vapor choca y pasa sobre un conjunto de placas deflectoras despus de salir del separador. El evaporador que se muestra en la figura 16.1 solamente puede operar como una unidad e circulacin. Los evaporadores de tubos largos verticales son especialmente eficaces para concentrar lquidos que tienden a formar espuma. La espuma se rompe cuando la mezcla de lquido y vapor de alta velocidad choca contra las placas deflectoras.

Evaporadores de pelcula descendente. La concentracin de materiales altamente sensibles al calor, tales como el zumo de naranja requieren un tiempo mnimo de exposicin a una superficie caliente. Esto puede conseguirse con evaporadores de pelcula descendente de un solo paso, en los que el lquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentados con vapor de agua, y sale por el fondo. Los tubos son grandes, de 2 a 10 pulg de dimetro. El vapor procedente del liquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el liquido y sale por el fondo de la unidad. Aparentemente estos evaporadores parecen largos cambiadores tubulares verticales con un separador de lquido y vapor en el fondo y un distribuidor de lquido en la parte superior.El principal problema de un evaporador de pelcula descendente es la distribucin uniforme del lquido formando una pelcula interior en los tubos. Esto se consigue mediante un aserie de placas metlicas perforadas situadas sobre una placa tubular cuidadosamente nivelada, por el medio de inserciones en los extremos de los tubos que generen un flujo uniforme en cada tuvo, o mediante distribuidores tipo con brazos radiales que distribuyen con velocidad constante la alimentacin sobre la superficie interior de cada tubo.Cuando se puede utilizar recirculacin sin daar al lquido, la distribucin del lquido en los tubos se facilita mediante una moderada recirculacin del lquido hacia la parte superior de los tubos. Esto da lugar a un mayor flujo de lquido a travs de los tubos de lo que es posible en la operacin con un solo paso.Para una buena transmisin de calor el numero de Reynolds 4/ de la pelcula descendente ha de ser superior a 2000 en todos los puntos del tubo. Durante la evaporacin se reduce continuamente la cantidad de lquido al circular desde la cima hasta el fondo del tubo, de la forma que la concentracin que se puede alcanzar en un solo paso es limitada.Lis evaporadores de pelcula descendente, sin recirculacin y con cortos de tiempos de residencia, tratan productos sensibles que no pueden concentrase de otra forma y se adaptan bien a la concentracin de lquidos viscosos.

Evaporadores de circulacin forzada. En un evaporador de circulacin natural el liquido entra en los tubos con una velocidad de 1 a 4 pies/s. la velocidad final aumenta rpidamente al formarse vapor en los tubos, de forma que generalmente las velocidades de transmisin de calor son satisfactorias. Sin embargo, con lquidos viscosos el coeficiente global en una unidad de circulacin natural puede ser demasiado bajo desde el punto de vista econmico. Coeficientes ms elevados se obtienen en evaporadores de circulacin forzada, un ejemplo de los cuales se muestra en la figura 16.2. En este caso un abomba centrifuga impulsa el liquido a travs de los tubos entrando con velocidad de 6 a 8 pies/s. los tubos estn sometidos aun carga esttica suficiente para asegurar que no se produce ebullicin en los mismos; lquidos comienza a sobrecalentarse a medida que se reduce la carga hidrosttica con el flujo desde el calentador hasta el espacio de vapor, y se genera una mezcla de vapor y liquido a la salida del cambiador, justamente antes de entrar en el cuerpo del evaporador. La mezcla de vapor y lquido choca contra una placa deflectora en el espacio de vapor. El lquido retorna a la entrada de la bomba, donde se mezcla con la alimentacin fresca; el vapor sale por la parte superior del cuerpo del evaporador hacia el condensador, o bien pasa al siguiente efecto. La parte de lquido que abandona el separador se retira de forma continua como concentrado.En el diseo que se muestra en la figura 16.2 el cambiador tiene tubos horizontales y es de dos pasos, tanto del lado delos tubos como del de la carcasa. En otros dselos se utilizan cambiadores verticales de un solo paso. En ambos casos los coeficientes de transmisin de calo son elevados, especialmente con lquidos poco viscosos, pero la gran mejora con respecto a la evaporacin de circulacin natural se produce con lquidos viscosos. En el caos de los lquidos poco viscosos la mejora que se obtiene con circulacin forzada no compensa los costes adicionales de bomba con respecto a la circulacin natural, pero en cambio si compensa con lquidos viscosas, especialmente cuando hay que utilizar como materiales de construccin metales costosos. Un ejemplo en la losa caustica donde el quipo es de nquel. En el caso de evaporadores de mltiple efecto que dan lugar a un concentrado final viscoso, los primeros efectos pueden ser unidades de circulacin natural, mientras que los dems, que operan con lquidos viscosos, son unidades de circulacin forzada. Debido a las altas velocidades con las que opera un evaporador de circulacin forzada, el tiempo de residencia del lquido en los tubos es corto (del orden de 1 a 3 s) de forma que se pueden concentrar lquidos moderadamente sensibles al calor. Tambin son efectivos para concentrar disoluciones salinas o que tienden a formar espumas.

Evaporador de pelcula agitada. La principal resistencia a la transmisin de calor desde el vapor d agua que condensa hasta el lquido que hierve en un evaporador reside del lado del lquido. Por lo tanto, cualquier mtodo para disminuir esta resistencia produce un considerable aumento de coeficiente global de transmisin de calor. En evaporadores de tubos largos, especialmente con circulacin forzada, la velocidad de lquido a travs de los tubos es elevada. El flujo del lquido es altamente turbulento y la velocidad de transmisin de calor es elevada. Otra forma de aumentar la turbulencia es mediante agitacin mecnica de la pelcula de liquido, tal como se muestra en el evaporador de la figura 16.3, que es un evaporador de pelcula descendente modificado, con un solo tubo encamisado que contiene un agitador interior. La alimentacin entra por la parte superior de la seccin encamisada y se dispersa en forma de luna pelcula altamente turbulenta mediante las placas verticales del agitador. El concentrado sale por la parte inferior de la seccin encamisada, mientras que el vapor asciende des dela zona de vaporizacin hasta un separador no encamisado cuyo dimetro es algo mayor que el tubo de evaporacin. En el separador las placas verticales estacionarias. Las gotas coalescen sobre estas polacas y retornan a la seccin de vaporacin. El vapor exento de lquido sale a travs de los orificios situados en la parte superior de la unidad.La principal ventaja de un evaporador de pelcula agitada es u capacidad para conseguir elevadas velocidades de transmisin de calor con lquidos viscosos. El producto puede tener una viscosidad tan elevada como 1000 P a la temperatura de evaporacin. Para lquidos moderadamente viscosos el coeficiente de transmisin de calor puede estimarse a partir de una ecuacin. Como en otros evaporadores, el coeficiente global disminuye a medida que aumenta la viscosidad, pero en este diseo la disminucin es suave. Con materiales altamente viscosos el coeficiente es considerablemente mayor que en los evaporadores de circulacin forzada y mucho mayor que en las unidades de circulacin natural. El evaporador de pelcula agitada es parcialmente eficaz viscosos sensibles al calor tales como gelatina, ltex de caucho, antibiticos y zumos de frutas. Sus desventajas son el elevado coste, las partes internas mviles que pueden requerir un importante mantenimiento, as como la baja capacidad de cada unidad que es muy inferior a las de los evaporadores multitubulares.