Teoría de Evaporación Balance de Materia y Energía

TEORÍA DE EVAPORACIÓN BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

I.

INTRODUCCIÓN:

La evaporación es un proceso de transición de fase que experimenta una sustancia a partir de un estado líquido a un estado de vapor o gas. Este proceso ocurre solamente en la superficie entre el líquido y el gas. La evaporación es el inverso de condensación (transición de gas a líquido). La evaporación se diferencia de la ebullición en términos de proceso. La evaporación ocurre solamente en la superficie, mientras que la ebullición ocurre dentro de la masa líquida. Este es un proceso endotérmico ya que requiere calor para generar la transición de fase (calor necesario para vencer las fuerzas de cohesión molecular en la fase líquida y en el trabajo de expansión cuando se vaporiza el líquido). El proceso de evaporación depende de la intensidad del movimiento térmico de las moléculas: cuanto más rápido se mueven las moléculas, más rápida se produce la evaporación. Además la velocidad de la difusión difu sión externa (en relación con la sustancia) influye en la evaporación, así como en las propiedades de la sustancia misma: por ejemplo, ej emplo, el alcohol se evapora mucho más rápidamente que el agua. Otro factor importante es también la superficie del líquido con el que se produce la evaporación: a partir de un vidrio estrecho se producirá más lentamente que a partir de una placa ancha. Por ejemplo, líquidos como el aceite de cocina, no se evaporan rápidamente en comparación con otros líquidos (como el agua) debido a sus diferentes propiedades moleculares. Este método se utiliza para separar componentes de mezclas sólidas / líquidas solubles y mezclas líquidas volátiles / no volátiles. El principio que rige este método es el hecho de que las moléculas de sustancias líquidas cuando ganan calor, se vuelven gaseosas y se pierden de la superficie. Por tanto, el líquido vaporizado no se recoge sino que se s e pierde a la atmósfera. El otro componente (que se requiere), entonces se recoge. La evaporación también es parte del ciclo del agua en la naturaleza. Compartir La evaporación es un proceso de transición de fase que experimenta una sustancia a partir de un estado líquido a un estado de vapor o gas. Este proceso ocurre solamente en la superficie entre el líquido y el gas. La evaporación es el inverso de condensación (transición de gas a líquido). La evaporación se diferencia de la ebullición en términos de proceso. La evaporación ocurre solamente en la superficie, mientras que la ebullición ocurre dentro de la masa líquida. Este es un proceso endotérmico ya que requiere calor para generar la transición de fase (calor necesario para vencer las fuerzas de cohesión molecular en la fase líquida y en el trabajo de expansión cuando se vaporiza el líquido). Campus Universitario: Colpa Matara Teléfono: (076) 351144 Web: ww.unach.edu.pe

II.

OBJETIVOS:  evaporación es el intercambio de un estado líquido a gaseoso en la cual se da

por efectos de temperatura

III.

MARCO TEÓRICO: 3.1.

APLICACIONES DE LA EVAPORACIÓN Una de sus numerosas aplicaciones es la de transformar agua de mar en agua potable, se usa también en la industria alimenticia, un uso que se le pueda dar es de refrigerador industrial, también se usa en el secado espray que consiste en pulverizar una sustancia (usualmente liquida o semilíquida) en un recinto metálico que atraviesa durante un instante muy corto y por el que circula gas caliente a alta temperatura. Esto evita la degradación (porque el secado es casi instantáneo) y permite la evaporación de agua o líquidos. Se utiliza para producir leche en polvo.

3.2.

FACTORES DE PROCESO: Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse sobre la presión y la temperatura del proceso. A continuación se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento los cuales ha determinado. Geankopolis (1987):

3.2.1. Concentración en el líquido : Por lo general, la alimentación

líquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado. 3.2.2. Solubilidad. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución. En la mayoría de los casos, la solubilidad de la sal aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solución concentrada Campus Universitario: Colpa Matara Teléfono: (076) 351144 Web: ww.unach.edu.pe

caliente que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalización.

3.2.3. Sensibilidad térmica de los materiales : Muchos productos, en

especial los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado. Entre ellos están los materiales farmacéuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y del tiempo. 3.2.4. Formación de espumas : En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material. 3.2.5. Presión y temperatura: El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación. Este fenómeno se llama elevación del punto de ebullición y se estudiara en la sección 8.4. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termo sensible suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vacío. 3.2.6. Formación de incrustaciones y materiales de construcción . Algunas soluciones depositan materiales solidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión. 3.3.

MÉTODOS DE OPERACIÓN PARA EVAPORADORES

3.3.1. Evaporadores de efecto simple: La alimentación entra a T f  K y en

la sección de intercambio de calor entra vapor saturado a T s. El Campus Universitario: Colpa Matara Teléfono: (076) 351144 Web: ww.unach.edu.pe

vapor condensado sale en forma de pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador está completamente mezclada, el producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura T 1, que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura del vapor también es T1, pues está en equilibrio con la solución en ebullición. La presión es Pt , que es la presión de vapor de la solución a T1. Si se supone que la solución que se va a evaporar es bastante diluida y parecida al agua, 1 kg de vapor de agua producirá aproximadamente 1 kg de vapor al condensarse. Esto ocurrirá siempre que la alimentación tenga una temperatura T f   cercana al punto de ebullición. En el cálculo de la velocidad de transferencia de calor en un evaporador se emplea el concepto de un coeficiente total de transferencia de calor. Se establece entonces la ecuación q = UA AT = U A (Ts – T1)

Donde: q = la velocidad de transferencia de calor en W (btu/h) U = el coeficiente total de transferencia de calor en ( /2). A= es el área de transferencia de calor en 2. =

la temperatura del vapor que se condensa en K (°F).

1.=

el punto de ebullición del líquido en K (°F).

Los evaporadores de efecto simple se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña o el costo del vapor es relativamente barato comparado con el costo del evaporador. Sin embargo la Campus Universitario: Colpa Matara Teléfono: (076) 351144 Web: ww.unach.edu.pe

operación de gran capacidad al usar más de un efecto reducirá de manera significativa los costos del vapor.

3.3.2. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia adelante: Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante

energía, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto múltiple. Si la alimentación del primer efecto está a una temperatura cercana al punto de ebullición y a la presión de operación de dicho efecto, 1 kg de vapor de agua evaporará casi 1 kg de agua. El primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto. Nuevamente, en el segundo efecto se evapora casi 1 kg de agua, que se emplea como medio de calentamiento del tercer efecto. De manera aproximada, en un evaporador de efecto triple se evaporan 3 kg de agua por kilogramo de vapor de agua usado. Por consiguiente, el resultado es un aumento de la economía de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado. Esto también resulta cierto de forma aproximada para más de tres efectos. Sin embargo, este aumento de la economía del vapor de agua en un evaporador de efecto múltiple se logra a expensas de mayor inversión en el equipo. En la operación de alimentación hacia adelante que se muestra en la figura 8.2-3, la alimentación se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del vapor. Éste es el método de operación que se emplea cuando la alimentación está caliente o cuando el producto concentrado final puede dañarse a temperaturas elevadas. Las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto. Esto significa que si el primer efecto está a Pr = 1 atm abs de presión, el último estará al vacío, a presión P3.

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3.3.3. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en retroceso: En la operación de alimentación en retroceso que se

muestra para el evaporador de efecto triple de la, la alimentación entra al último efecto, que es el más frío, y continua hacia atrás hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Este método de alimentación en retroceso tiene ventajas cuando la alimentación es fría, pues la cantidad de líquido que debe calentarse a temperaturas más altas en el segundo y primer efectos es más pequeña. Sin embargo, es necesario usar bombas en cada efecto, pues el flujo va de baja a alta presión. Este método también es muy Útil cuando el producto concentrado es bastante viscoso. Las altas temperaturas de Pos primeros efectos reducen la viscosidad y permiten coeficientes de transferencia de calor de valor razonable.

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3.3.4. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en paralelo .

La alimentación en paralelo en evaporadores de efecto múltiple implica adición de alimentación nueva y la extracción de producto concentrado en cada uno de los efectos. El vapor de cada efecto se usa para calentar el siguiente. Este método de operación se utiliza principalmente cuando la alimentación está casi saturada y producto son cristales sólidos, tal como sucede en la evaporación de salmueras para su producción.

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IV.

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Para el balance de materia y de energía consideramos:  Combustible líquido compuesto de carbón, oxígeno, nitrógeno, azufre y agua. Aire que contiene oxígeno, nitrógeno y vapor de agua  Gases de chimenea compuesto de bióxido de carbón, monóxido de carbón, oxígeno, nitrógeno, bióxido de azufre, vapor de agua.  Agua fresca fría o saturada según la temperatura la que se encuentre. La purga se considera agua líquida saturada a la presión de trabajo de la caldera. El vapor de agua que sale de la caldera se considera saturado a la presión que se indique.

4.1.

ECUACIONES DE BALANCE DE MATERIÁ Y DE ENERGÍA (BME) Para escribir las ecuaciones de balance de materia suponemos condiciones de operación estacionaria y que el residuo de la combustión es despreciable.

4.2.

BALANCE DE ENERGÍA El balance de energía es una aplicación de la primera ley de la termodinámica en condiciones de flujo estacionario:

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Donde: Q= es el flujo de calor que se intercambia con el medio ambiente. Ei= representa el contenido de energía de una 1 corriente cualquiera. Er= la energía producida por las reacciones químicas.



Aplicamos la ecuación al generador de vapor y obtenemos:



El contenido de energía de cualquier corriente se calcula de la ecuación

Donde: Mi=es el flujo másico o molar de la corriente. CPi= es su calor específico. T ref.= es la temperatura de referencia Ti = es la temperatura de la corriente i.

4.3.

La energía de reacción (Er) Es una cantidad relacionada con el poder calorífico (PC) del combustible. El poder calorífico del combustible es el valor negativo del calor estándar de combustión. El poder calorífico inferior (PCI) es un valor considerando que el agua, producto de la reacción, se encuentra en estado de vapor. En cambio, el poder calorífico superior (PCS) considera al agua en estado líquido.

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Para calcular la energía de reacción, E r, se considera la energía liberada por la combustión completa del combustible disminuido por la energía de la reacción:

Así tenemos:

Donde: Eco = -(Calor estándar de combustión del CO). Gy2 = es la de energía de reacción, Er= es igual al liberado por la combustión completa del combustible.

V.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:  ITINTEC, “Manual de Eficiencia Energética de Calderas Industriales”, Oct. 1991.

Felder Richard, R. Rousseau, «Principios Elementales de los Procesos Químicos», Addison-Wesley Iberoamericana S.A., 1991'.p. 682.  Libro Geankopolis (1987). 

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