Universidad Nacional de San Agustin de Arequipa

 

Escuela profesional de Ingeniería Química Operaciones Unitarias 3

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERIA DE PORCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

OPERACIONES UNITARIAS III TRABAJO DE EVAPORADORES

DR. INGENIERO: CAROLINA LISBHET MAMANI QUISPE

TURNO: “A” 

CUI:20150804

AREQUIPA-2019 pág. 1 

 

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EVAPORACIÓN 1.  Introducción La evaporación consiste en eliminar el vapor formado por la ebullición ebullici ón de una solución liquida obteniéndose una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación eliminaci ón de agua de una solución soluc ión acuosa. Los  productos concentrados continúan teniendo agua en su composición (permanecen en estado líquido), aunque su contenido es mucho menor. Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están la concentración de soluciones acuosas de azúcar, gomas, leche, jugos de frutas y extractos y pulpas de verduras. En estos casos, la solución concentrada es el producto deseado y el agua evaporada suele desecharse. En otros casos el agua que contiene pequeñas cantidades de minerales se evapora para obtener agua libre de sólidos utilizada en la alimentación de calderas, para procesos químicos especiales o para otros propósitos.

2.  Factores del proceso Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor que se separa tienen efecto considerable sobre el tipo ti po de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso. Las propiedades que afectan a los métodos de procesamiento son las siguientes : a. 

Concentración Concentrac ión de la solución ali alimenticia menticia. Por lo general, la alimentación líquida lí quida a un evaporador es bastante diluída, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia tr ansferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad pude elevarse notablemente, causando una marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor.

 b. 

Solubilidad. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración concentraci ón del soluto,  puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cris cristales. tales. Esto puede limitar la concentración máxima que pueda obtenerse por evaporación de la solución. En la mayoría de los casos, la solubilidad del soluto aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar una solución concentrada caliente proveniente de un evaporador a una determinada temperatura, puede presentars presentarsee una cristalización.

c. 

Sensibilidad térmica de los materiales . Muchos productos, en especial las soluciones alimenticias y otros materiales biológicos, pueden ser sensibles a la temperatura y en consecuencia pueden degradarse cuando ésta sube o el calentamiento es mu muy y prolongado. En estos productos están la leche, jugos de frutas y extractos vegetales. La cantidad de degradación es una función de la temperatura y del tiempo.

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d. 

Formación de espumas. En algunos casos las soluciones alimenticias como la leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos forman espumas durante la ebullición.

e. 

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 de la solución alimenticia por la acción de la evaporación. Este fenómeno se denomina elevación del punto de ebullición. 

3.  Componentes básicos de un evaporador Los evaporadores industriales constan de:

(1) Un intercambiador de calor, para aportar a la disolución el calor sensible necesario para alcanzar la temperatura de ebullición y el calor latente de vaporización. La superficie de intercambio puede ser plana (intercambiador de placas) o tubular. Esta última es la más habitual, siendo la configuración más utilizada la de varios tubos y una carcasa, llamada calandria. Por el exterior de los tubos circula el fluido calefactor (generalmente ( generalmente vapor saturado o sobrecalentado o gases de combustión de otras operaciones o peraciones unitarias) y por el interior de los tubos circula el alimento a concentrar.

(2) Un separador de corrientes, donde el vapor de disolvente generado se separa de la fase líquida

(3) Una bomba de vacío, que ejerce una baja presión en el separador de corrientes. De esta forma, la temperatura de ebullición del disolvente contenido en la disolución dependerá del nivel de presión ejercida. Así, se distinguen evaporadores abiertos, que trabajan a presión atmosférica o evaporadores cerrados que trabajan a presiones sub-atmosféricas. Para alimentos son recomendables estos últimos, pues se somete al alimento a menores temperaturas y, por tanto, se preservan las características organolépticas del producto final.

Figura 1. Esquema de un evaporador

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4.  Tipos de evaporadores a)  Evaporador de capa fina Los evaporadores de capa fina resuelven problemas difíciles de destilación, concentración, desgasificación, secado y reacción. Sus rotores mezclan el producto y lo reparten como una capa fina sobre las paredes calientes cali entes del evaporador. Los evaporadores de capa fina son aptos para procesar fiablemente y en forma continua líquidos viscosos, líquidos con tendencia a formar incrustaciones, así como líquidos con residuos. Los productos sensibles a la temperatura son tratados con cuidado en el evaporador debido al corto tiempo de residencia en el aparato. El alto flujo calórico a través de la superficie permite un alto rendimiento de evaporación y una alta tasa de concentración del producto pesado en solo un paso. Adicionalmente el evaporador de capa fina tiene mucha flexibilidad: se regula fácilmente y se adapta a los cambios de los requisitos operativos

FIGURA2: Sección transversal de un evaporador de capa fina

b)  Evaporador discontinuo Es un evaporador muy simple y quizás el más antiguo de los utilizados en la industria alimentaria (Figura 3). El alimento ali mento se calienta en un recipiente esférico esféri co rodeado de una camisa calefactora con vapor de agua. El recipiente puede conectarse a un sistema de vacío o abrirse directamente a la atmósfera.

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Figura 3. Evaporador discontinuo

La velocidad de transmisión de calor es baja, por lo que el tiempo de residencia del alimento en el evaporador puede ser largo. Este hecho, junto con la discontinuidad en la alimentación hace que este tipo de evaporadores no sean muy utilizados a nivel industrial, siendo más útiles a escala laboratorio.  

c) Evaporador de circulación natural El alimento se calienta en la l a base y asciende por los tubos. El vapor de disolvente generado facilita la ascensión de la disolución (Figura 5). Esta circulación natural sólo se consigue si los tubos no son excesivamente largos (1 o 2 metros de longitud). El alimento puede recircularse para concentrarse más.

Figura 4. Evaporador de circulación natural

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d)  Evaporador de película descendente En estos evaporadores, el alimento desciende por gravedad por los tubos en forma f orma de fina  película (Figura 7). Para conseguir una buena distribución distribución en los tubos, se utilizan boquillas  pulverizadoras (Figura 8).

Figura 6. Evaporador de película descendente

Figura 7. Boquilla pulverizadora

e)  Evaporador de circulación forzada Estos evaporadores se utilizan cuando la disolución a concentrar tiene alta viscosidad, lo que impide una circulación natural. En estos equipos, la presión en la calandria es superior a la del separador de corrientes, lo que se consigue con una columna de líquido a la salida de la calandria. En estas condicione condiciones, s, la disolución en la calandria solo se calienta, sin evaporarse el disolvente. Al llegar el líquido al separador de corrientes y bajar la presión, el disolvente sufre una evaporación flash y, por tanto, un enfriamiento enfriamiento (Figura 10).

Figura 8. Evaporador de circulación forzada

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f)  Evaporador de película agitada Es un tipo de evaporador de película descendente donde la disolución circula por un sólo tubo que contiene un agitador interno. A medida que el líquido desciende aumenta la turbulencia  por efecto de las aspas, lo que aumenta el coeficiente global de transmisión de calor e impide, al mismo tiempo, la deposición de partículas sobre la pared del tubo (Figura 11). Este tipo de evaporadores es muy útil cuando se trabaja con disoluciones muy viscosas.

Figura 9. Evaporador de película agitada 

5.  Tecnologías de evaporación mayores eficiencias

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6.  Métodos de operación para evaporadores Definición de Efectos. Al aumentar los efectos, aumenta la calidad del producto que se requiere, por la eliminación continúa del agua. Los evaporadores pueden ser de efecto simple o multi-efectos. Estos arreglos  permiten el aprovechamiento del calor del vapor generado en el evaporador. evaporador.

a.  Evaporadore Evaporadoress de efecto simple. Los evaporadores de efecto simple se usan cuando la capacidad de operación requerida es  bastante pequeña y/o el costo del vapor de agua agua es relativamente bajo. Sin embargo, para operaciones de gran capacidad, el uso de más de un efecto reduce de manera notable los costos de vapor de agua. 

Figura 10. Diagrama de efecto simple

  El líquido de alimentación pasa una sola vez a través de los tubos, desprende el vapor y sale de la unidad como líquido concentrado.



  Son especialmente útiles para el tratamiento de materiales sensibles al calor, y operando con un vacío elevado se puede mantener el líquido a baja temperatura. temper atura.



  Con un solo paso rápido a través de los tubos el líquido concentrado está durante un corto  período de tiempo a la temperatura de evaporación y se puede enfriar bruscamente a medida que abandona el evaporador.



  Los evaporadores de película: agitada, ascendente y descendente también pueden operar de esta forma.



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b.  Evaporadore Evaporadoress de efecto múltiple:   Está compuesto por varios evaporadores de efecto simple, donde la alimentación es suministrada a un primer evaporador y el concentrado que sale de este alimenta a su vez a otro, lo cual ocurre sucesivamente.



  La solución concentrada que sale de un evaporador de circulación se retira del líquido



contenido en el aparato, que está a la concentración máxima.   Como el líquido que entra a los tubos contiene varías partes del concentrado por cada  parte de alimentación, su concentración, densidad, temperatura de ebullición son aproximadamente las correspondientes a la concentración máxima. Por esta razón el coeficiente de transmisión de calor tiende a ser bajo.

  Estos evaporadores no son adecuados para concentrar líquidos sensibles al calor. A pesar del uso de un vacío muy bajo, el recipiente está repetidamente en contacto con los tubos calientes, y por consiguiente una parte del mismo se calienta a temperaturas excesivamente altas



  Su modo de circulación puede ser adaptado por medio de varios mecanismos a evaporadores de efecto múltiple con: alimentación hacia delante, alimentación hacia atrás y alimentación en paralelo.



Figura 11. Diagrama de efecto multiple

Al aumentar los efectos, aumenta la calidad del producto que se requiere, por la eliminación continúa del agua. Los evaporadores pueden ser de efecto simple o multi-efectos. Estos arreglos  permiten el aprovechamiento del calor del vapor generado en el evaporador.

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7.  Tipos de Alimentación. La alimentación a los evaporadores de más de un efecto puede ser  

  Directa.



  Inversa.



  Mixta.



  Paralela.



1-  Alimentación Directa. Consiste en introducir mediante una bomba la dilución diluida en el primer efecto y hacerla circular después a través de los demás efectos, sin bombas, puesto que el flujo es en el sentido de presiones decrecientes, y todo lo que se requiere es válvulas de control en las líneas de unión. Es el modelo de flujo de líquido más sencillo. La concentración de la solución aumenta desde el primer efecto hasta el último, del cual es extraída por una bomba.

Figura 12. Alimentación directa

2-  Alimentación Inversa. En esta la solución diluida se alimenta en el último efecto y se bombea hasta los sucesivos efectos hasta el primero, esta requiere requier e una bomba entre cada pareja de efectos además de bomba  para extraer la solución concentrada, ya que el flujo es en sentido de presiones crecientes. La alimentación inversa conduce con frecuencia a una mayor capacidad que la alimentación directa cuando la disolución viscosa, pero puede producir menor economía cuando la alimentación esta fría.

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Figura 13. Alimentación inversa

3-  Alimentación Mixta. En este tipo la solución diluida es alimentada en un efecto intermedio, circula con alimentación alimenta ción directa hasta el extremo de la serie, s erie, y después se bombea hacia atrás a llos os primeros efectos para conseguir la concentración final. Esta forma permite eliminar alguna de las bombas que que se requieren en la inversa y permite realizar la evaporación final a temperaturas más elevadas.

Figura 14. Alimentación mixta de 4 efectos

4-  Alimentación Paralela. La solución diluida es alimentada directamente en cada efecto, no hay transporte de líquido entre los efectos. Se utiliza en los evaporadores evaporadores que presentan cristalización y do donde nde se retiran suspensiones de cristales y aguas madres.

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Figura 15. Alimentación paralela de 4 efectos

8.  Factores que afectan la velocidad de evaporación Durante la evaporación el medio de calefacción aporta al alimento el calor suficiente para que alcance la temperatura de ebullición (calor sensible), sensible ), una vez alcanzada ésta, el calor latente de vaporización, elimina agua en forma de vapor del seno del líquido. La velocidad de evaporación se halla determinada por la velocidad de transferencia de calor al alimento y la velocidad de transferencia de agua desde el alimento al medio. Los factores que afectan la velocidad de transferencia de calor son: a) La diferencia de temperatura entre entr e el medio calefaccionante y el alimento (dada por la T del medio calefaccionante y en general la T de ebullición del alimento).  b) La conductividad conductividad térmica del intercambiador dada por el material que lo constituye y por su limpieza ya que la acumulación de residuos reduce la velocidad de transferencia de calor. c) La superficie de intercambio. d) La existencia de una película superficial estanca. La resistencia a la transmisión de calor  puede deberse a la formación de una película. El grosor de esta capa puede disminuirse generando turbulencia por ejemplo por agitación.

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9.  Ejemplos de aplicaciones en la industria química q uímica de polímeros, química de especialidades y petroquímica Resinas Resinas sintéticas, como las resinas acrílicas, resinas alquídicas, resinas amínicas, resinas epóxicas, resinas de hidrocarburos, resinas fenólicas, resinas de poliésteres o resinas de silicona sili cona son usadas versátilmente como adhesivos termoplásticos, aglutinantes para pinturas, sistemas de revestimientos o como resinas de fundición, pegamentos y laminados. Propiedades importantes de las resinas como, por ejemplo, bajo contenido de solventes, eliminación de restos reactivos, viscosidades específicas o puntos determinados de fundición pueden ser reguladas en los sistemas de una etapa o de varias etapas de evaporadores de capa fina o de corto trayecto de Buss-SMSCanzler, logrando así la base de la resina de especialidad.

Figura 16 : Planta con 2 etapas de evaporadores de capa fina para la concentración de resina

Ceras Ceras parafínicas de alta pureza (ultra puras) son substancias valiosas que se usan como aditivos en la industria de alimentos así como en la industria farmacéutica y de cosméticos. Dichas ceras son usadas como combustibles sólidos, agentes de desmoldeo, lubricantes,  pulimentos o en los procesos de poliolefinas. Las ceras de PE, como como aditivos para adhesivos y componentes para revestimientos, son producidos en evaporadores de capa fina al destilar olefinas de cadenas cortas para alcanzar puntos específicos de ablandamiento. Las plantas de Buss-SMS-Canzler aseguran la mejor calidad posible del producto, aun en condiciones cambiantes de sus procesos o producto

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Ácido láctico de alta pureza Las características de calidad del ácido láctico ultra puro, que son decisivas para el precio de venta, son: baja cantidad de componentes con alta temperatura de ebullición, contenido de agua y de CO2. El ácido láctico debe ser transparente transpar ente y puro con un índice de color inferior a 20. El sistema, integrado de dos etapas para la evaporación, separación de gotas, rectificación y condensación de Buss-SMS-Canzler, ha comprobado en la práctica industrial que cumple con los requerimientos económicos de la producción de ácido láctico de alta pureza. Un resultado que no ha sido alcanzado con evaporadores convencionales de capa fina y de trayecto tra yecto corto.

Recuperación Recuperac ión de materia prima en los procesos de producción de ácido tereftálico La recuperación de ácido acético y de valiosos catalizadores son factores decisivos de la rentabilidad del proceso de producción de ácido tereftálico. En lugar de agitadores ineficientes se usan evaporadores especializados de capa fina que funcionan continuamente. Con materiales  perfectamente trabajados como el titanio y aleaciones aleaci ones de níquel, con camisas de calefacción diseñadas para presiones de vapor superiores a 100 bar y con rotores diseñados en función de las viscosidades existentes de hasta 200.000 mPa·s, conjugan los evaporad evaporadores ores de capa fina de Buss-SMSCanzler todas las ventajas decisivas para el productor de ácido tereftálico, siendo estos: una fiabilidad en operación, alta disponibilidad, una calidad de producto constante, larga vida de funcionamiento, bajos costos de mantenimiento, así como un funcionamiento rentable.  

Figura17: Planta con 3 etapas de evaporadores de capa fina y trayecto corto para la evaporación de IPDI pág. 14 

 

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10. MÉTODOS MÉTODOS DE CÁLCULO PARA EVAPORADORES DE UN SOLO EFECTO Balance de calor y de materia para evaporadores evaporadores La expresión básica para determinar la capacidad de un evaporador de efecto simple es la ecuación (1), que puede escribirse como:

q =UA AT (1). Donde: AT K (ºF) es la diferencia de temperatura entre el vapor de agua que se condensa y el líquido a ebullición en el evaporador. Para resolver la ecuación (2) es necesario determinar determinar el valor valor de q en W (btu/h) llevando a cabo un balance de calor y materia en el evaporador de la figura 6. La alimentación al evaporador es F kg/h (Lbm/h) con contenido de sólidos de fracción de masa XF, temperatura Tf   y entalpía hF J/Kg (btu/lb,).La salida es de un líquido concentrado L kg/h (lbm,/h) con con un contenido de sólidos XL ,una temperatura Tl, y una entalpía hL. El vapor V kg/h (lbm/h) se desprende como disolvente puro con un contenido de sólidos yv= 0, temperatura Tl y una entalpía Hv. La La entrada de vapor de agua agua saturado S kg/h (lbm/h) tiene temperatura de Ts  y entalpía Hs. Se supone que el vapor de agua condensado S kg/h sale a T s, esto es, a la temperatura de saturación, y con entalpía de hs Esto significa que el vapor de agua solo transfiere su calor latente, λ, que es  es 

-hs (2)

λ=Hs

Puesto que el vapor vapor V esta en equilibrio con el líquido L, las temperaturas de ambos son iguales. Además, la presión Pl  es la de de vapor de saturación del líquido de composición XL  a su punto de ebullición Tl, (Esto supone que no hay elevación del punto de ebullición.) Para el balance de materia, y puesto que se trata de estado estacionario, la velocidad de entrada de masa= velocidad de salida de masa. Entonces, para un balance total:

F=L+V (3) Para un balance con respecto al soluto (sólidos) solamente:

FxF  = LxL (4)

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Calor en la alimentación + calor en el vapor de agua = calor en el líquido concentrado + calor en el vapor + calor en el vapor de agua condensado.(5) Se supone que no hay pérdidas de calor por radiación o convección. Sustituyendo en la ecuación:

(6), (6) Sustituyendo la ecuación (3) en la (7):

F hF  +

sλ= LhL  +

V H v (7)

Entonces, el calor q transferido en el evaporador es:

(8) 

En la ecuación (8) el calor latente λ del vapor de agua a la temperatura de saturación T s se obtiene de las tablas de vapor de agua del Apéndice

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Escuela profesional de Ingeniería Química Operaciones Unitarias 3 TIPO DE EVAPORADOR

VENTAJAS

*Coeficientes de transferencia de calor elevados. CIRCULACION FORZADA

*Circulación positiva. *Libertad relativa de ensuciamiento

DESVENTAJAS

MEJORES APLICACIONES

*Costo elevado *Productos cristalinos. *Energía necesaria necesaria para la bomba de circulación. *Tiempo de residencia o retención relativa alto

*Soluciones corrosivas.

DIFICULTADES

*Atascamiento de de las entradas de los tubos por deposiciones de sales. *Mala circulación, debido a pérdidas de cargas más altas que las esperadas.

*Soluciones viscosas. *Corrosión y erosión. *Líquidos limpios.

*Coeficientes de transferencia de calor elevados con diferencias altas de temperatura. *Espacio superior bajo. VERTICALES DE TUBO CORTO

*Libertad relativa de ensuciamiento *Eliminación mecánica sencilla de las escamas. *relativamente poso costoso.

*Mala transferencia de calor con diferencias bajas de temperaturas y a Temp. Bajas. *Espacio elevado de terreno y peso alto. *Retención relativamente alta. *Mala transferencia de calor con líquidos viscosos.

*Productos cristalinos. *Líquidos relativamente no corrosivos, puesto que el cuerpo es grande y costoso, si se construye de materiales que no sean hierro colado o acero dulce. *Soluciones con formación ligera de escamas, que requieren una limpieza mecánica, puesto que los tubos son cortos y de diámetros grandes.

*Baj *Bajo o costo.- baja baja reten retenci ci n. *Superficie amplia de calentamiento en un cuerpo.

VERTICALES DE TUBO LARGO

*Con líquidos limpios.

*Necesidad de poco espacio de terreno.

*Espacio superior elevado.

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

*No son adecuados para liq. que forman deposiciones de sales o escamas.

*Buenos coeficientes de transferencia de calor a todas las diferen diferencias cias de temperaturas (Película descendente)

*Requiere recirculación para la versión de película descendente

*Con líquidos espumosos. *Con soluciones corrosivas. *Con grandes cargas de evaporación. *Con diferencias elevadas de temperatura (Ascendente) Con diferencias bajas de temperaturas (descendentes)

*Sensibilidad de las unidades de película ascendente a los cambios de las condiciones operacionales. *Mala distribución de l material de alimentación a las unidades de película descendente.

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11. Bibliografía Bibliografía JAMI, Y. (03 de 12 de 2017). SCRIBD. Obtenido de https://es.scribd.com/document/367493346/Equipos-de-Evaporacion-Utilizados-en-LaIndustria-Alimentaria  Ortolá Ortolá Maria Dolores, F. S. (s.f.). UNIVERSIDAD UNIVERSIDADPOLITECNICA POLITECNICA DE VALENCIA. Recuperado el 22 de abril de 2019, de https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/102965/Ortol%C3%A1%3BFito%3BCastro%2 0%20TIPOS%20DE%20EVAPORADORES%20EN%20LA%20INDUSTRIA%20ALIMENTARIA.pdf?se quence=1 SMS. (s.f.). Buss-SMS-Canzler. Recuperado el 22 de abril de 2019, de https://www.smsvt.com/uploads/media/Tecnologia_de_Evaporacion.pdf Singh, R., Heldman, D. R. (1997). Introducción a la ingeniería de los alimentos. Editorial Acribia, Zaragoza. Brennan, J. G., Butters, J. G., Cowell, N. D., Lilley, A. E. V. (1998). (1998 ). Las operaciones de la ingeniería de los alimentos, 3ª. Edición. Editorial Acribia, Zaragoza. Brennan, James G. (2007) Manual del procesado de los alimentos. Editorial Acribia, Zaragoza.

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