EVAPORACIÓNCurso: TERMODINAMICA Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado1 Evaporación: Definición La evaporación es un proceso de separación (Operación Unitaria), en el cual a través de una transferencia de calor, se logra eliminar el vapor formado por ebullición de una solución liquida, con la finalidad de obtener una solución mas concentrada. 2 Importancia de la Evaporación en los diferentes procesos: La importancia de los evaporadores radica en remover el agua de los productos líquidos diluidos, con la finalidad de obtener productos líquidos concentrados. Ejemplo: Concentración de las soluciones acuosas ( obtención de azúcar ) Concentración de jugos y leche fresca. Concentración de pastas: del 5 – 6 % de solidos al 35 – 37 % Eliminación de color, impuresas. Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado 3 hL Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. S TS . S TS. xF. Larrea Colchado 4 . V T1. Hv Condensado. hS Concentrado. L T 1. HS Vapor.Diagramación de la Evaporación a nivel Industrial Alimentación. Yv. F TF. x L . hF Vapor de agua. Luis R. de ebullición que se da en el evaporador.Simbología para las ecuaciones de Balance HS :Entalpia del vapor de agua saturada que ingresa al equipo a Ts hSC = Entalpia del vapor que sale condensado a TS hF :Entalpia de la alimentación hF = CpF * (TF – O °C) hF = CpF * (TF – 273 °K) hL :Entalpia del liquido concentrado. hL = CpL * (TL – O °C) hL = CpL * (TL – 273 °K) TL = Temp. 5 . de ebullición que se da en el evaporador. HV = Entalpia del vapor saturado que sale a T1 (Temp.) o También a su PVapor que trabaja el evaporador. Sin embargo las operación de gran capacidad.q = Velocidad de transferencia de calor en Watt. al usar más de un efecto en los evaporadores. (ºC) Debemos recordar que 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 económico. (pie2) Ts = Temperatura del vapor que se condensa en ºK. Luis R. ( btu/h ) U = Coeficiente total de transferencia de calor en W/m2 ºK. Larrea Colchado . pie2. Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. (ºC) T1 = Es el punto de ebullición del líquido en ºK. ºF) A = área de transferencia de calor en m2.(btu/h. reducirá de manera significativa los costos del vapor. Luis R. Larrea Colchado .Ecuaciones en Balance de Materia Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. Balance de Energía Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. Larrea Colchado 8 . Luis R. Luis R. pie2.( btu / h. Larrea Colchado 9 . La cantidad de Calor que se transmite en el evaporador está dada por: Q = S * (HS – hSC) = S * λS S : Vapor de agua Saturada que requiere el evaporador HS : Entalpia del vapor de agua saturada que ingresa al equipo a Ts hSC : Entalpia del vapor que sale condensado a TS λS : Calor latente de saturación (Se calcula con las Temp. (pie2) Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. relacionando la Presión de Vapor de Saturación) Ecuación de diseño de los intercambiadores de calor Q = U * A * ΔT° = U * A * (Tsaturación – Tebullición ) U = Coeficiente total de transferencia de calor en W / m2 ºK. ºF ) A = área de transferencia de calor en m2. Economía = Kg Vapor producido / Kg Vapor alimentado (Agua Evaporada) Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. Luis R. Larrea Colchado 10 .Economía de los Evaporadores Una forma de evaluar la eficiencia de los sistemas de evaporación se establece por el concepto denominado economía. Calcúlese el Vapor de agua utilizado. La presión del vapor de agua saturado que se usa es de 42 kPa y la presión del vapor en el evaporador es de 19. Temperatura de alimentación de 322. la Economía de vapor y el área para las siguientes condiciones de alimentación: a.8 °K b. Temperatura de alimentación de 288. El coeficiente de transferencia de calor es de 1988 W/ °K.14 KJ/Kg.94 kPa. se estima que la capacidad calorífica de las corrientes líquida y Solida es de 4.°K.Un evaporador de efecto simple está concentrando una alimentación de 9072 kg/hr de una solución de NaOH al 10 % en peso en agua para obtener un producto con 50 % de sólidos.1 °K Solución: 11 . hSC de esta manera se obtendrá λS (Calor latente de saturación. Larrea Colchado 12 . hL + V. el cual esta relacionado con la Presión de Vapor de Saturación) Con los mismos valores HS . HV Para calcular el Vapor saturado necesitamos calcular HS . Q = U * A * (TSaturación – Tebullición) Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg.Calculamos el Vapor de agua Saturado requerido por el evaporador F. hF + S . hSC calcularemos el: Q = S * (HS – hSC) = S * λS Y así respectivamente calcularemos el área que nos pide el ejercicio. Luis R.λS = L. 07 = 2316.49 KJ/Kg Según el enunciado la Presión de Vapor que trabaja el Evaporador es 19.6 KJ/Kg y su Tvebullición = 60 °C Calculamos las entalpia hF Y hL del liquido diluido (alimentación) y producto concentrado respectivamente: hF = CpF * (TF – T1) hL = CpL * (TL – T1) 13 .94 kPa por lo tanto Calculamos la Hv = 2609.56 – 322.Calculamos las Entalpias y Calor latente de Vaporización: a la presión del vapor de agua saturado a 42 kPa °C = °K = 2638. M para calcular el Liquido concentrado y el Vapor producido Calculamos el Vapor de agua Saturado requerido por el evaporador Calculamos el AREA de transferencia de Calor: 14 .Realizamos un B. 1 °K Lo único que nos faltaría son las entalpia hF Y hL del liquido diluido (alimentación) y concentrado respectivamente: hF = CpF * (TF – T1) hL = CpL * (TL – T1) Calculamos el Vapor de agua Saturado requerido por el evaporador Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. Luis R. Alimentación: 322.Para el Segundo enunciado nos indica a una Temp. Larrea Colchado 15 . Larrea Colchado Calculamos el AREA de transferencia de Calor: 16 . Luis R.Calculamos el Calor que se transfiere en el evaporador: Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. El vapor de agua saturado usado para el calentamiento está a 399.3 kPa.2 °K. El coeficiente total es 1420 W/m2 °K y el área es 86. Calcúlese la velocidad de alimentación F del evaporador.4 m2.14 KJ/Kg. si este sale a 100 °C 17 . La presión en el espacio de vapor del evaporador es 13.°K.Un evaporador está concentrando F kg/hr a 311 °K de una solución de NaOH al 20 % en peso hasta 50 % en peso. se estima que la capacidad calorífica de las corrientes líquida y Solida es de 4. 3 kPa por lo tanto Calculamos la Hv 18 .2 °K Según el enunciado la Presión de Vapor es 13.Calculamos las Entalpias y Calor latente de Vaporización a la Temperatura de Saturación de 399. Calculamos el Vapor de agua Saturado. Luis R. mediante balance de energía: Q = S* (HS – hSC) = S * λS Previamente Calculamos la cantidad de calor que se transmite en el evaporador : Calculamos el Vapor de agua Saturado requerido por el evaporador Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. Larrea Colchado Realizamos un B.M para calcular el Liquido concentrado y el Vapor producido 19 . hL + V . hF + S .Calculamos las entalpia hF Y hL del liquido diluido (alimentación) y concentrado respectivamente: hF = CpF * (TF – T1) hL = CpL * (TL – T1) Calculamos la alimentación en el Evaporador: F. λS = L . HV 20 . así como el área de transferencia de calor que se requiere. Calcule la cantidad de vapor saturado que ingresa y sale del evaporador. °K . El espacio del vapor en el evaporador está a 101.EJERCICIOS Un evaporador continuo de efecto simple contiene 9072 kg/hr de puré de manzana al 1 % en peso el cual ingresa a 310 °K (37ºC) hasta una concentración final de 1.35 kpa a la misma Temp.14 KJ /Kg. El coeficiente total U = 1704 W/m2. 21 .°K. CpF = 4.27 kpa.5% en peso.el Vapor de agua saturada que se introduce está saturado a 143. ebullición de la solución concentrada = 100 ºC . 35 Kpa S Corriente L TS = ?? Pv = 143. °K Condiciones del evaporador: P = 101. Larrea Colchado 22 . Luis R.Solución Área = ?? U = 1704 W/m2 .27 Kpa L L = ?? T = 100 °C X L = 1.35 kpa y por Tablas sabemos que su T = 100 °C Corriente F F = 9072 Kg/hr TF = 310 °K XF = 1 % Corriente S S = ?? Corriente V V V = ?? HV = ?? F Pv = 101.5 % Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. (0.Sustituyendo datos: Balance global F=L+V 9072 = L + V ---------.(1) Mediante el Balance de componente solidos.01) = L. Calculamos el Vapor: 9072 = 6048 + V V = 3024 Kg/hr de vapor producido.(0.015) L = 6048 Kg/hr de liquido concentrado Sustituyendo en la Ecuación 1.XL 9072. XF = L . calcularemos el Producto concentrado: F. 23 . su entalpia Hsat = 2691. En conclusión la λ110 °C = 2230.30 KJ / Kg .Debemos recordar: Según el enunciado la Presión de Vapor es 101. Luis R.1 KJ / Kg a una Temp = 100 °C Si deseamos calcular el λ. por lo tanto Calculamos la Hv de acuerdo a la tablas de vapor la entalpia de Vapor producido será HVap = 2676. Larrea Colchado 24 .2 KJ / Kg Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. a la Presión de saturación que ingresa el vapor seco al evaporador P = 143. saturación = 110 °C (383 ºK).5 KJ / Kg.35 Kpa. Y su hsc = 461.27 kpa. Tendremos que observar las tablas de vapor. por lo tanto su Temp. 43 Kg / hr de vapor de agua saturada 25 .2) = 3024* 2676. hF + S .14*(310°K – 373°K) + S*(2230.°K * (373 .14 KJ /Kg.373)°K Calculo del vapor de agua requerido por el evaporador : mediante el balance de energía tenemos que: F.14 KJ /Kg.λSaturación = L.1 S = 4689. hL + V. HV 9072 * 4.Calculo de las entalpia hF Y hL del liquido diluido (alimentacion) y concentrado respectivamente: hF = CpF * (TF – T1) = hL = CpL * (TL – T1) = 4.373)°K 4.°K * (310 . A (TS – T1) 2905101 W = 1704 W/m2.43 Kg / hr * 2230.Q = S * λS S : Vapor de agua Saturada que requiere el evaporador HS : Entalpia del vapor de agua saturada que ingresa al equipo a Ts hSC : Entalpia del vapor que sale condensado a TS Q = 4689.°K * A * (383 °K – 373°K) A = 170 m2 26 . Q = U .79 KJ / hr Q = 2905101 Watts Calculo del Área.2 KJ / Kg Q = 10458366.Calculamos el calor que se transmite en el evaporador: Q = S * (HS – hSC) ---. 1 KJ/Kg. 27 . el Producto concentrado. La solución concentrada tiene en el evaporador un punto de ebullición de 100 °C y se estima que la capacidad calorífica de las corrientes líquida y Solida es de 4. a la vez el coeficiente total de transferencia de calor (U). El calentamiento se hace con vapor de agua saturado a 383ºK. entra a un evaporador de simple efecto para concentrarse hasta el 3%. Calcule las cantidades de Vapor . La evaporación se lleva a cabo a condiciones normales y el área disponible para la transferencia de calor es de 60 m2.Una alimentación de 4535 Kg/hr de jugo diluido al 2% en peso y a una temperatura de 311 ºK.°K. T= 273 °K V F = 4535 Kg/hr TF = 311 °K XF = 2 % Corriente S S = ?? Corriente V V = ?? TS = ?? F S Corriente L TS =383 °K L L = ?? Xl = 3 % Área = 60 m2 U = ?? 28 .Solución Condiciones del evaporador: Corriente F P = 1 atm . XL 4535.(0.(1) Balance de componente solidos: F.Sustituyendo datos: Balance global F=L+V 4535 = L + V -----------.03) L= 3023 Kg/hr de liquido Sustituyendo en la Ecuación 1: 4535= 3023 + V V = 1512 Kg/hr de vapor. XF = L .(0.02) = L. 29 . a 110 °C HV = 2676.°K * (373 .°K * (311 .5 KJ/ Kg --.273)°K hF = 155 KJ /Kg hL = CpL (TL – T1) = 4.a 1 atm = 101.2 KJ/Kg 30 .1 KJ /Kg.1 KJ/ Kg --.3 Kpa λ383 ºK = HS – hSC =2230.Calculamos las entalpias hF respectivamente: Y hL del liquido diluido y concentrado hF = CpF (TF – T1) = 4.1 KJ /Kg.273)°K hL = 410 KJ /Kg Calculamos las entalpias con respecto al agua de saturación que ingresa al evaporador a 383 °K por lo tanto: Hs = 2691.a 110 °C hsc = 461.3 KJ/Kg ---. hF + S .2 KJ / Kg Q = 4583 KJ / hr Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg.λS = L. HV 4535 * (155)+ S*(2230. hL + V. Luis R.Calculamos el vapor de agua requerido por el evaporador mediante balance de energía: F. Larrea Colchado 31 .1) S = 2055 Kg / hr de vapor de agua Calculamos el calor que se transmite en el evaporador Q = S * λS Q = 2055 Kg / hr * 2230.2) = 3023*(410) + 1512 * (2676. 64 KJ Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg.h. Calculo del coeficiente de transferencia de calor: Q = U . Luis R. K 2 32 . Larrea Colchado m . A (TS – T1) Q 4583 U A T 60 * 383 373 U 7. En la medida que la solución restante se concentra más.E. Por lo tanto debemos incrementar el punto de ebullición para que de esta manera podamos remover el solvente de una determinada solución. las propiedades térmicas de las soluciones que se evaporan pueden ser muy diferentes a las del agua. Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. su punto de ebullición se incrementa.Elevación en el punto de ebullición (E. Luis R. Larrea Colchado 33 . las soluciones no son tan concentradas.P. Por lo tanto. La EPE es la resultante de la concentración de los sólidos.) En la mayoría de los casos de evaporación. P.°K) R = 8. T 2 ebull H 2O .°K Tebull-Sto = 373°K λVaporización = 4.E Tebull. molalidad Vaporizacion . R. 1000 masa STO *1000 gr de STE masaSTE molalidad PMSTO Donde: ΔTebullc. PMSto = Peso molecular del Soluto(Agua: 18 Kg/mol. = Variación en el punto de ebullición.062*104 Joul / mol 34 . PM Sto .314 Joul / mol.La EPE se basa en principios termodinámicos lo cual se expresa en la siguiente ecuación : E. 79 + 0. El espacio del vapor en el evaporador está a 102 kpa y el vapor de agua que se introduce está saturado a 140 kpa. El coeficiente total U = 1704 W/m2. y es aplicable para el rango 273 °K ≤ T ≤ 1074 °K 35 .Un evaporador continuo de efecto simple concentra 9072 kg/hr de una solución de sal al 1 % en peso que entra a 40 ºC.000420 T . donde T° está en °K.°C) = 10. así como el área de transferencia de calor que se requiere. °K . b) Calcular la EPE en base al método termodinámico. a) Calcule la cantidad de vapor y de líquido como productos. hasta una concentración final de 5 % en peso. Las capacidades caloríficas del ClNa (cristales) esta dada por la siguiente ecuación: Cp (cal/mol. °K L = ?? XL=5% 36 .Solución Corriente F V F = 9072 Kg/hr TF = 40 °C Corriente V V = ?? TS = ?? F XF = 1 % S Corriente S 102 Kpa P: 140 Kpa Corriente L S = ?? L TS = ?? Área = ?? U = 1704 W/m2 . Larrea Colchado 37 . Luis R.Datos: Curso: TERMODINAMICA Docente: Mg. 05 .89 38 .PASO 2: Cálculo de EPE con X L :0. masa STO *1000 gr de STE masaSTE molalidad PMSTO m 0. Primero debemos calcular la molalidad y se entiende que molalidad son los moles de soluto en 1000 gramos de solvente. Cálculo de EPE E.17 + 0. T´1 = T1 + EPE T´1 = (100.P. PM Sto . R. molalidad Vaporizacion .46) °C T´1 = 100. 63 °C 39 . 1000 Calculo de T´1: que viene ser el valor de la T° que sale del concentrado liquido. T 2 ebull H 2O .E Tebull.