UNIVERSIDAD CESAR VALLEJOINGENIERIA INDUSTRIAL EVAPORACION DOC: ALEXANDER EDUARDO BAZÁN CASTILLO Elaborado Por: Marilyn Abigail Villegas Castillo 11/05/2014 INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 1 TEMA: Evaporación: I. INTRODUCCION…………………………………………………3 II. DEFINICIONES………………………………………………….5 2.1 Evaporación…………………………………………….…..6 2.2 Ebullición…………………………………………………....7 2.3 Cavitación…………………………………………………..8 2.4 Condensación……………………………………………....8 2.5 Vapor saturado…………………………………………….9 2.6 Calor Sensible……………………………………………...9 2.7 Calor latente………………………………………………..9 III. EQUIPOS DE EVAPORACION………………………………..10 3.1 Evaporadores de Circulación Natural…………………..10 3.1.1 Evaporador abierto……………………………….…11 3.1.2 Evaporador de tubos cortos Horizontales………..11 3.1.3 Evaporadores de tubos cortos verticales…….…..12 3.1.4 Evaporador con calandria exterior…………….….12 3.2 Evaporadores con circulación forzada……………….…13 3.3 Evaporadores de tubos largos……………………….…..13 3.4 evaporadores de Placas………………………………….15 IV. METODOS DE OPERACIÓN PARA EVAPORADORES……18 4.1. Evaporadores de efecto simple. …………….…………..18 4.2. Evaporadores de efecto múltiple. (Triple efecto)……….19 4.2.1. Sistema en Paralelo…………………………...19 4.2.2. Sistema en corriente directa………………….21 4.2.3. Sistema en contracorriente……………………21 V. CONCLUSIONES………………………………………………...23 VI. REFERENCIAS…………………………………………………...24 INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 2 I. INTRODUCCION La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se produce a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada aquella. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturado, la cual no depende del volumen, pero varía según la naturaleza del líquido y la temperatura. La evaporación es importante e indispensable en la vida, ya que el vapor de agua, al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío. La evaporación consiste en la eliminación de un líquido de una solución, suspensión o emulsión por tratamientos térmicos. Se dice entonces, que la solución, suspensión o emulsión se está concentrando, y para lograr dicho propósito debemos suministrar una fuente de calor externo; esta fuente calórica se logra generalmente con vapor de agua, el cual se pone en contacto con el producto a través de una superficie calefactora. Es una separación de componentes por efecto térmico, en donde se obtienen dos productos de distintas composiciones físico-químicas. En la mayoría de los casos, el producto evaporado, (solvente volátil, que generalmente es agua) es un producto sin valor comercial, mientras que el líquido concentrado, (soluto no volátil) es el que tiene importancia económica. (Cabe mencionar que puede suceder al revés). Debemos tener en cuenta que los productos a evaporar se comportan de diferentes formas de acuerdo a su características físico- químicas, las cuales pueden definir un comportamiento de termo sensibilidad, de producir reacciones de precitación, de aglomeración o de polimerización, y un tratamiento inadecuado puede producir un deterioro parcial o total de distintos componentes químicos involucrados en el líquido y de esta forma modificar indeclinablemente las propiedades del mismo. Por esta razón se deben realizar ensayos previos y poder así determinar el equipo adecuado para INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 3 cada una de las necesidades. Estos ensayos son realizados por ingenieros calificados de nuestra empresa, ya que la misma cuenta con evaporadores a escala de laboratorio y piloto, los cuales permiten determinar variables termodinámicos, coeficientes térmicos, comportamientos en ebullición, grados de ensuciamiento, concentraciones límites y todo lo necesario para asegurar al cliente, un apropiado diseño y construcción de sus equipos. Es por eso que la Ingeniería ha desarrollado, diseñado y construido una gran variedad de evaporadores adaptados a las necesidades de sus clientes. Las aplicaciones de estos evaporadores son diversas y específicas para las industrias lecheras y de alimentos. Industria Lechera: Leche entera y descremada, Leche condensada, Proteínas de la leche, Permeados lácteos, Mezclas de productos lácteos, Mantecas, Suero de queso, Suero de queso previamente cristalizado, Proteínas de suero, Permeados de suero, Soluciones de lactosa, Dulce de leche de producción continua y discontinua. Industria de Jugos de Fruta: Leche de soja, Jugo de manzana, de naranja y otros citrus, Jugos mezclas, de tomates, de zanahoria Hidrolizados: Proteína Hidrolizada, Proteína láctea hidrolizada, Suero hidrolizado, Molienda húmeda del maíz, Jarabe de glucosa, Jarabe de Dextrosa 42 y 55, Agua de Macerado. Industria Frigorífica: Extracto de carne y huesos, Plasma sanguíneo. Extractos: Extractos de café o té, de carne o hueso, de malta, de levaduras. Industria Avícola: Concentración de huevo entero, Concentración de clara de huevo. Tomando esta óptica del tema, se desarrolla de la siguiente manera. INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 4 II. DEFINICIONES 2.1. Evaporación La evaporación es una operación en la que se separa, mediante ebullición, un disolvente volátil de uno o varios solutos no volátiles, con los que se encuentra mezclado formando una disolución o suspensión. En la inmensa mayoría de las evaporaciones el disolvente es el agua. Hay otras Operaciones Básicas similares en cuanto a la transferencia de materia y energía, pero en las que se persigue un fin distinto. Así, la evaporación se diferencia del Secado en que el residuo es un líquido en vez de un sólido; de la destilación, en que el vapor es generalmente de un solo componente, y aunque fuese una mezcla, en la evaporación no se pretende separar en fracciones; de la cristalización, en que el interés se centra en concentrar una disolución, pero no en la obtención y crecimiento de los cristales. En algunos casos, como en la evaporación de salmuera para obtener sal común, no hay una separación muy marcada entre evaporación y cristalización. La resolución práctica de un problema de evaporación, (elección del tipo de evaporador), está profundamente afectado por el carácter del líquido que se concentra, lo que hace que esta operación sea distinta de la simple transmisión de calor. - Algunas de las propiedades más importantes de las disoluciones, a tener en cuenta en un proceso de evaporación, son las siguientes: Concentración de la disolución: Aunque el líquido que entra en un evaporador puede ser suficientemente diluido y poseer las propiedades del agua, a medida que aumenta la concentración, la densidad y viscosidad de la disolución aumentan, disminuyendo, por tanto, el coeficiente global de transmisión del calor. Si la ebullición es continuada, se puede alcanzar el estado de saturación, en cuyo caso habrá que retirar los cristales formados. Así mismo, es frecuente que con el aumento de concentración aumente también la temperatura de ebullición de la disolución, dificultando el proceso, incluso impidiéndolo, si no se INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 5 prevee, ya que podría resultar mayor la temperatura de ebullición que la del propio vapor de calefacción. Formación de espumas: Algunas sustancias, principalmente las orgánicas, forman una capa de espuma estable durante la ebullición. Esta capa de espuma es indeseable porque el vapor formado puede arrastrarla y, por tanto, perderse una cantidad importante de líquido. Las espumas se forman cuando hay una capa de líquido con distinta tensión superficial que el resto de la masa, ocasionada a veces por la presencia de pequeñísimas partículas sólidas o incluso coloidales, habiéndose dedicado un esfuerzo considerable al estudio de las técnicas antiespumantes. A veces se utilizan métodos químicos, adicionando pequeñas cantidades de reactivos, (aceites sulfonados), para disminuir o reducir la formación de espumas. Si se quiere evitar la adición de sustancias extrañas, se pueden eliminar las espumas modificando el diseño del evaporador, con una superficie caliente que rompa la espuma, (muchas se destruyen a alta temperatura), o haciendo pasar el vapor formado a través de unas placas deflectoras, contra las que choca, evitando así el arrastre. Sensibilidad a la temperatura: Muchos productos químicos, principalmente alimenticios y farmacéuticos, se estropean cuando se calientan a temperaturas no muy elevadas durante espacios de tiempo relativamente cortos, en cuyo caso, habría que recurrir a técnicas especiales para evitarlo. Formación de incrustaciones: Hay sustancias que se denominan de solubilidad invertida, en las que la solubilidad disminuye con la temperatura, y tienden a depositarse sobre las superficies de calefacción. Otra causa es la descomposición térmica por el calor. En estos casos se produce una disminución del coeficiente global de transmisión del calor en el evaporador, y el proceso, se ve, en parte, impedido, siendo necesario parar el evaporador y INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 6 limpiar los tubos, (con agua, ácidos, álcalis, rascado mecánico, etc.), cosa que a veces es difícil y costosa. - Otras características a tener en cuenta, y que no son propias del líquido, son las siguientes: Eliminación del aire, (u otros incondensables): El vapor de agua arrastra siempre aire y otros gases no condensables, los cuales se acumulan en la cámara de calefacción, con lo que disminuye progresivamente el coeficiente de transmisión de calor. - Además de éstas, hay que considerar otras características o factores: El calor específico, la temperatura de congelación, la toxicidad, el riesgo de explosiones, los materiales de construcción, etc. Debido a la gran variedad de factores implicados, se han desarrollado diferentes estudios y muchos diseños de evaporadores. 2.2. Ebullición Ebullición se refiere a la acción y efecto de hervir, que consiste en el proceso físico en el cual una sustancia pasa, de manera tumultuosa, del estado líquido al gaseoso, con unas características de presión y temperatura específicas. Proviene del latín ebullitĭo, ebullitiōnis, y este a su vez de ebullire, que significa ‘hervir’, ‘soltar burbujas’. Según la Física, la ebullición ocurre cuando una sustancia aumenta su temperatura en la totalidad de su masa hasta tal punto que la presión del vapor se iguala a la presión atmosférica externa. Dentro de este proceso, tiene lugar el aparecimiento de burbujas, que suben hasta la superficie, originando el vapor, es decir, el paso del líquido al estado gaseoso. Las condiciones específicas de temperatura y presión en que dicho fenómeno sucede se denomina punto de ebullición. Sin embargo, este puede variar de sustancia a sustancia. El alcohol, por ejemplo, tiene su punto de ebullición en los 78 °C, mientras que por ejemplo, el hierro, para hervir, tendría que alcanzar INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 7 los 2.750 °C, esto debido a que primero debe llegar a su punto de fusión (1.535 °C), es decir, el momento en el cual pasa de estado sólido a líquido, para luego vaporizarse. De este modo, la temperatura del punto de ebullición no puede aumentar, sino que se mantiene constante a una presión también constante. El punto de ebullición también se modifica cuando subimos en la atmósfera, debido a las variaciones de presión. Por ejemplo, el punto de ebullición del agua al nivel del mar es 100 °C, pero conforme vamos subiendo, la presión atmosférica disminuye, así como la temperatura necesaria para alcanzar el punto de ebullición. 2.3. Cavitación Es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e interpolan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno. Es un proceso físico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras que la ebullición lo hace por encima de la presión ambiente local. 2.4. Condensación La condensación generalmente ocurre cuando un vapor se enfría, pero también puede ocurrir si se comprime (es decir, si se aumenta la presión) o se somete a una combinación de refrigeración y compresión. Al vapor que ha sido condensado de un líquido se le llama condensado. El dispositivo o la unidad donde se condensan los vapores en el líquido se llama condensador. Los condensadores se usan en intercambiadores de calor que tienen diversos diseños y tamaños. INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 8 2.5. Vapor saturado El "vapor sobrecalentado" es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. También se obtiene en las calderas de vapor pero que tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullición por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustión. Se utiliza para mover maquinas (de pistones y turbinas). Aunque también se ha usado el vapor saturado, el sobrecalentado tiene ventaja. Así que se usa en locomotoras de vapor (con muy pequeño grado de recalentamiento), accionamiento de barcos, generación eléctrica en centrales termoeléctricas tanto convencionales como nucleares, centrales geotérmicas, en las centrales llamadas ciclos combinados. También se utiliza en variados procesos industriales como por ejemplo el de secado de la madera, destilación, obtención del coke, etc. 2.6. Calor Sensible Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su Estado. En general, se ha observado experimentalmente que la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico. 2.7. Calor latente El nombre proviene de la oposición a calor latente, que se refiere al calor "escondido", es decir que se suministra pero no "se nota" el efecto de aumento de temperatura, ya que por lo general la sustancia a la que se le aplica aumentará su temperatura en apenas un grado centígrado, como un cambio de fase de hielo a agua líquida y de ésta a vapor. El calor sensible sí se nota, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría". INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 9 III. EQUIPOS DE EVAPORACION: Factores que influyen en la elección del tipo de evaporador: o Costes de inversión y funcionamiento. o Intervalo de concentración final, disoluciones muy viscosas U bajos se utilizan tipos especiales de evaporadores o Tipo de disolución: - Formación de costras: Curvas de solubilidad inversa - Importancia del incremento ebulloscópico: Calidad vapor calefacción/ rendimiento del vapor - Formación de cristales: posible importancia de tamaño y forma - Inestabilidad térmica: descomposición producto, T Max ≈ 60ºC - Formación de espumas: sistemas especiales de la separación de la fase vapor - Corrosividad: Tendencia a la utilización de sistemas de 1 Efecto INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 10 3.1. Evaporadores de Circulación Natural: 3.1.1. Tubos horizontales 3.1.2. Tubos verticales y tubo central 3.1.3. Tipo cesta 3.1.4. Evaporador con calandria exterior INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 11 INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 12 3.2. Evaporadores con circulación forzada. Se usan para líquidos o soluciones viscosas, corrosivas y en las que se forman sales o productos cristalinos. 3.3. Tubos verticales largos: Formado por un elemento calefactor tubular para el paso de líquidos a través de los tubos solo una vez, por circulación natural, el vapor entra a través del cinturón del evaporador. Es excelente para líquidos espumosos o que formen natas. Evaporadores de película. INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 13 INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 14 3.4. Evaporadores de tubos largos INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 15 INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 16 3.5. Evaporadores de Placas INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 17 IV. METODOS DE OPERACIÓN PARA EVAPORADORES 4.1. Evaporadores de efecto simple. o EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO El modo más sencillo en que puede llevarse a cabo la evaporación es empelando una sola etapa, o evaporación de "efecto simple". Este modo de operación se emplea cuando la cantidad de disolución a tratar es relativamente pequeña y/o el coste del vapor es barato comparado con la inversión necesaria para un evaporador más complejo. INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 18 4.2. Evaporadores de efecto múltiple. (Triple efecto) o EVAPORADOR MÚLTIPLE EFECTO -. consiste realmente en un sistema con varios evaporadores o efectos interconectados. En el primero de ellos se utiliza vapor fresco como agente de calefacción, mientras que la corriente de vapor generada en el mismo se introduce como agente de calefacción, mientras que la corriente de vapor generada en el mismo se introduce como agente de calefacción en el segundo. A su vez, el vapor generado en el segundo efecto es el agente calefactor del tercero y así sucesivamente. Se utiliza en industria de bebidas no alcohólicas o EVAPORADOR TRIPLE EFECTO.- Utiliza un sistema de circulación natural del calor y un sistema de evaporación por presión negativa, además se alta velocidad de evaporación y una alta concentración reciclar alcohol con una concentración de cerca de 80 grados. Estos se especializan por ser Útiles para temperaturas de baja concentración en materiales sensibles al calor. Puede ser usado para evaporar y concentrar líquidos glucosa, almidón, glutamato mono sódico, lácteos, químicos, etc. 4.2.1. Sistema en Paralelo Ventajas: o Gran utilización del vapor o La presión se distribuye o El mismo vacío hace que fluyan los concentrados Desventajas: o La transmisión de calor esta dificultada por: INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 19 INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 20 4.2.2. Sistema en corriente directa 4.2.3. sistema en contracorriente Ventajas: o Mejora la transmisión de calor, se compensa el gradiente de temperatura al aumentar la concentración. Desventajas: o Hay que colocar bombas para que fluya el concentrado INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 21 INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 22 V. Conclusiones De esta manera concluyo que la evaporación es un proceso físico en el que un líquido o un sólido se convierte gradualmente en gas, considerando que en este proceso el agua se calienta al absorber energía calórica del sol tomando en cuenta que esta, la fuente de energía del sol y que esto permite culminar la fase. La energía necesaria para que un gramo de agua se convierta en vapor es de 540 calorías a 100 ºc valor conocido cómo calor de evaporación. Al ocurrir la evaporación la temperatura del aire baja, al ser tomado el calor de la superficie por la evaporación procedentemente es transportado a otros niveles mediante el proceso inverso de condensación, se está entonces ante un mecanismo de mucha importancia, en lo que respecta a la transferencia y distribución del calor en la atmósfera en el globo terrestre. Cabe mencionar que se trata de un fenómeno absolutamente necesario para el ciclo de la vida, dado que el agua en estado gaseoso se condensa y se convierte en nubes, las cuales recobran su forma líquida durante la lluvia, que mantiene fértiles nuestros suelos. Asimismo, este regreso del agua a la tierra puede darse a través de las nevadas, de rocío o de niebla, desde Este punto de vista como también en el enfoque industrial para la optimización energética en combinar una planta de evaporación con una planta de secado, etc. Es de gran sutileza su aplicación. INGENERIA INDUSTRIAL - PROCESOS INDUSTRIALES – TEMA: Evaporación 23 VI. REFERENCIAS. 1. Operaciones Básicas: Evaporación, fundamento de la técnica, Universidad de Barcelona. 2. UNIDAD 3: Evaporación y Evapotranspiración. UNICEN - Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires Pág. 2. [1] 3. Operaciones básicas en el Laboratorio de química: Evaporación, Universidad de Barcelona. 4. Operaciones básicas: Evaporación, OpenCourseWare, Universidad de Sevilla. 5. Química para el nuevo milenio. Página 7 6. Custodio E. y M. R. Llamas, 1976.Hidrología subterránea. Tomo I. Ediciones Omega, Barcelona. 1157 pp. 7. http://fcq-unitarias2.wikispaces.com/file/view/Evaporadores- proyecto+I.pdf 8. http://www.buenastareas.com/ensayos/Informe-De-Operaciones- Unitarias-Evaporaci%C3%B3n/2032881.html