El evaporador es un equipo de operación unitaria donde ocurre una evaporación, consiste en el suministro de calor a una solución diluida o menos concentrada con el propósito de separar el vapor generado por la ebullición de dicho separador, lo cual dará origen a una solución concentrada.
Por ejemplo esta operación unitaria se usa:
Objetivo General:
Aumentar la Concentración de la solución.
Objetivos específicos:
La transferencia de masa para Fogler (2002) se refiere a cualquier proceso en el que la difusión desempeña un papel. La difusión es el mezclado espontaneo de átomos o moléculas por su movimiento térmico aleatorio, y da pie a un movimiento de la especie relativo al movimiento de la mezcla. La transferencia de masa por difusión molecular es el tránsito de masa como resultado de una diferencia de concentración en una mezcla. Existen numerosos ejemplos cotidianos de transporte de materia; la difusión de humo y otros contaminantes a la atmosfera; la transferencia de soluto entre las fases de un absorbedor de gas, un extractor o en una torre de enfriamiento; el secado de la ropa (difusión del vapor de agua en el aire caliente).
Ahora, así como el transporte de calor, el transporte de masa según Grazales (2003) puede ocurrir tanto por difusión como por convección, esta última representa el transporte de masa que resulta del movimiento global del fluido.
Un ejemplo muy importante de transferencia de calor, bastante frecuente en las industrias de proceso, es el que recibe el nombre general de evaporación. En la evaporación se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la que se obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. El objetivo de la evaporación es concentrar una solución que contenga un soluto no volátil y un solvente volátil. En la mayoría de procesos de evaporación, el solvente es el agua.
La evaporación consiste en vaporizar una parte del solvente para producir una solución concentrada de licor espeso. Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. En estos casos, la solución concentrada es el producto deseado y el agua evaporada suele desecharse. En otros, el agua que contiene pequeñas cantidades, de minerales se evapora para obtener agua libre de sólidos que se emplea en la alimentación de calderas, para procesos químicos especiales, o para otros propósitos; un fin que se le puede dar a esta operación unitaria es la convertir el agua del mar en agua potable.
A continuación se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento los cuales ha determinado Geankopolis (1987):
Concentración en el líquido: Por lo general la alimentación liquida 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.
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.
Sensibilidad térmica de los materiales: Muchos productos, en especial los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando esta 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 el tiempo.
Formación de espumas: En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones causticas, 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 perdidas de material.
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 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. 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.
Formación de incrustaciones y materiales de construcción: Algunas soluciones depositan materiales sólidos 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.
También existen solutos en soluciones que presentan solubilidad invertida lo cual puede dar origen a la formación de material solido (inscrustaciones) disminuyendo el coeficiente de transferencia de calor.
Evaporadores de efecto simple
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.
La alimentación entra a TF, K y en la sección de intercambio de calor entra vapor saturado a Ts. El 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 T1, 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 P1, 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 TF 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:
Donde q es la velocidad de transferencia de calor en W (btu/h), U es el coeficiente total de transferencia de calor en 𝑊m2, A es el área de transferencia de calor en m2, 𝑇𝑠 es la temperatura del vapor que se condensa en K (°F) y 𝑇1.es el punto de ebullición del líquido en K (°F).
Evaporadores de múltiple efecto
En un evaporador de efecto simple, la entalpía del vapor producido no es aprovechada, ya que este vapor no es utilizado como elemento o agente de calefacción. Sin embargo, sí puede usarse en un segundo evaporador si la disolución contenida en este último tiene un punto de ebullición suficientemente bajo para que la diferencia de temperatura entre el vapor de calefacción y la disolución hirviente proporcione un flujo de calor adecuado.
Esta es la idea básica de los evaporadores de múltiple efecto, introducidos por Rillieux, en 1830.
El vapor producido en el primer efecto es utilizado como agente de calefacción en el segundo, en el cual se condensa a una temperatura superior a la de ebullición de la disolución que se evapora en el mismo. El vapor producido en este segundo evaporador se lleva a un tercero en el que se condensa a una temperatura superior a la de ebullición de la disolución que se encuentra en el mismo; el vapor de agua producido en este último efecto se recoge en un condensador conectado a su vez con un sistema de vacío.
Si los evaporadores se numeran en el sentido en que disminuye la presión, y las presiones y las temperaturas en cada unidad son, respectivamente, P1, P2, y P3, y T1, T2, y T3, se cumple que: P1 > P2 > P3 Y T1 > T2 > T3
El estudio de un sistema de evaporación de efecto múltiple se puede realizar tomando como base las siguientes suposiciones:
a) El sistema opera en condiciones de flujo y estado estacionarios. Las velocidades de flujo de masa son tales que en ningún evaporador hay acumulación o disminución de disolvente o soluto. Las concentraciones, las presiones y las temperaturas en cada evaporador se mantienen constantes.
b) Las disoluciones no presentan elevación del punto de ebullición, y los efectos de la carga hidrostática son despreciables.
c) La cantidad de calor necesaria para llevar la alimentación desde su temperatura inicial, TF, hasta la temperatura de ebullición, T1, también se considera despreciable, de tal forma que la cantidad de calor proporcionada por el vapor de calefacción en el primer efecto se encuentra como calor latente en el vapor que sale del mismo.
d) Las entalpías de dilución no se toman en consideración.
e) También se desprecia el calor que lleva el líquido, como consecuencia de estar a una temperatura por encima de la de ebullición, cuando pasa de un efecto a otro.
Entonces, la cantidad de calor transmitida en cada efecto en la unidad de tiempo es:
Siendo:
Como la cantidad de calor cedida en un evaporador por el vapor de calefacción procedente del evaporador anterior es igual a la cedida en el evaporador anterior, se pueden establecer las ecuaciones anteriores con carácter aproximado. Los errores cometidos con estas suposiciones son cuantitativamente pequeños. En los evaporadores de múltiples efectos las áreas son iguales, por lo que se puede escribir:
De donde se deduce que, en ellos, la diferencia de temperatura es, de forma aproximada, inversamente proporcional al valor del coeficiente global de transmisión de calor en el mismo. Si se considera que no hay elevación en el punto de ebullición, se cumplirá:
Balance de materia
Para explicar el balance de materia se tomara como referencia la figura anterior, donde están representados los flujos de alimentación y la entrada de vapor que intervienen en un proceso de evaporación de simple efecto, el balance global viene dado por:
Realizando un balance específico para el soluto obtenemos la siguiente ecuación:
Para un proceso de evaporación eficiente no debe existir arrastre de sólidos en el vapor, por este motivo:
Y la formula queda de la siguiente forma:
Donde:
F: Solución liquida que ingresa al evaporador en
V: Vapor que se desprende de la solución
L: Solución concentrada que sale del evaporador
XF: Concentración de la solución inicial
XL: Concentración de la solución final
Balance de energía
Para un balance de energía que tiene lugar con variaciones despreciables en la energía cinética y energía potencial y sin trabajos eléctricos, ni mecánicos añadidos fuera de lo necesario para el flujo, el calor añadido es igual a la entalpía del sistema.
En un proceso de evaporación el balance de energía viene dado por:
Como 𝑆= es constante.
Donde los términos son los siguientes:
hf= Entalpía de la solución diluida
Hv= Entalpía del vapor que se desprende de la solución
hl= Entalpía de la solución que sale del Evaporador
Hs= Entalpía del vapor saturado que entra en el cilindro
hs= Entalpía del vapor que se condensa en el cilindro
S= Vapor procedente de la caldera que ingresa en el cilindro y el vapor que se condensa del cilindro
Un sistema de evaporadores cuenta con diferentes tipos de accesorios para controlar las variables que afectan el proceso, entre estos se pueden mencionar los siguientes:
Válvulas de control: Los servicios como agua de enfriamiento y vapor son manipulados por medio de Válvulas de control a la entrada del equipo, como su nombre lo dice permiten la manipulación de un fluido con mayor precisión.
Trampa termodinámica: El vapor no nada más debe ser seguro sino que también tiene que estar limpio de condensado para que la tubería no se oxide y no pierda calor el sistema por culpa del condensado. Otra trampa es la tipo flotador y termostato, que se instalaron a la salida del evaporador en el flujo de vapor.
Las trampas tipo flotador son especialmente diseñadas para mantener el espacio de vapor libre de condensado, estas trampas se ajustan automáticamente a cualquier variación de condensado.
Otro instrumento que aporta lo suyo en la limpieza del vapor es la trampa de vapor la cual tiene la función de quitar el óxido al vapor ya que el óxido puede dañar internamente los equipos que conforman el evaporador.
1. Suministro del fluido al evaporador
Para el caso del suministro del flujo de alimentación al evaporador se deben tomar en cuenta la presión y la temperatura, estas variables van estrechamente ligadas, puesto que, la presión de operación, determinará el punto de ebullición a trabajar, por ende la temperatura.
Si se tiene un evaporador de doble efecto se fija la presión de operación a la entrada del efecto I, por medio de una válvula reguladora de presión, la cual mantendrá un flujo de vapor constante, y con éste una presión y temperatura constante. Esta presión regirá durante todo el proceso, debiendo referirse constantemente la presión de vapor del caldero, y el flujo de condensado de las trampas.
Cabe destacar que la temperatura de entrada de la alimentación tiene un gran efecto sobre la operación del evaporador; si esta entra fría, parte del vapor vivo de condensación se utilizará para elevar la temperatura de la alimentación hasta el punto de ebullición. Si la alimentación está a presión y temperatura superior al punto de ebullición en el evaporador, se logra una vaporización adicional por medio de la evaporación instantánea de una parte de la alimentación caliente. El precalentamiento de la alimentación reduce el tamaño del evaporador y el área de transferencia de calor que se requiere (Geankoplis, 2006).
Debido a lo expuesto anteriormente, es muy importante que la válvulas de control se encuentren en buen estado y que trabajen correctamente, ya que, de lo contrario podrían existir aumentos de presión en el sistema, lo que a su vez trae como consecuencia aumento de la temperatura de ebullición de la solución y por ende la energía requerida por el sistema seria mayor, así como también el costo de la operación.
Además, es muy importante para mantener los niveles de fluido adecuados, si estos descienden, aumentan exageradamente o no se nivelan se alteraría todo el proceso, ocasionando que no se obtenga el producto en las concentraciones óptimas que se requieren.
2. Perdidas de calor
El vapor se forma cuando el agua es evaporada para formar un gas. Para que el proceso de evaporación se produzca, las moléculas de agua deben recibir suficiente energía de tal manera que las uniones entre las moléculas (uniones de hidrógeno, etc.) se rompan. Esta energía que se da para convertir un líquido a gas recibe el nombre de "calor latente".
Los procesos basados en el calentamiento utilizan el calor latente y lo transfieren al producto. Cuando se realiza este trabajo (es decir el vapor a cedido su calor latente), el vapor se condensa y se convierte en condensado. En otras palabras, el condensado no tiene la habilidad de hacer el trabajo que el vapor realiza. Por lo tanto la eficiencia de calentamiento se ve afectada si el condensado no es removido propia y rápidamente como sea posible, ya sea en una tubería para transportar el vapor o en un intercambiador de calor. Esto ocurre por un bajo desempeño de las trampas termodinámicas del equipo, ya que si el dispositivo no puede responder a las fluctuaciones en la carga del condensado, el condensado que debería ser descargado se acumulara dentro del equipo/tubería y se verá afectada la eficiencia de calentamiento, por lo tanto no existiría una transferencia de calor efectiva, ya que no se obtendrían las diferencias de temperatura necesarias para que esta se produzca.
Otra de las causas que puede afectar la transferencia de calor en el sistema de evaporadores está relacionada con falta de un aislante térmico. La inversión para disminuir la constante pérdida energética por la falta de aislamiento hará que las ganancias se incrementen, la mala instalación o el mal mantenimiento de un sistema de aislamiento térmico puede traer problemas en el consumo de energía, en la pérdida de temperatura, en el incremento de la factura de servicios y, por supuesto, fallas directas en el equipo, causadas por excesiva condensación y por lo tanto corrosión. El aislante térmico a nivel industrial es necesario principalmente por las siguientes razones:
Por ahorro energético, para reducir la cantidad de energía necesaria para mantener el equilibrio del proceso y evitar el flujo de calor a través del material.
Por protección personal, sin aislamiento térmico suficiente las temperaturas externas pueden ser elevadas y provocar lesiones y accidentes en las personas, y producir efectos de combustión e incendio en materiales de combustibles próximos a estas superficies
Por proceso, para evitar transferencias térmicas que impidan el proceso por diferencias de temperaturas no admisibles. Esta estabilidad térmica se consigue con el aislamiento.
Por impacto ambiental, para reducir CO2 y para reducir el nivel de ruido
Blibliografía
GEANKOPLIS,J. “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias.” CECSA. 3a. Ed. 2003.
MCCABE,W.; SMITH, J.; HARRIOT, P. “Operaciones Unitarias de Ingeniería Química.” McGraw – Hill. 6a. Ed. 2001. Nueva York, Estados Unidos.
NOTA: Todas las imágenes son echa por mi persona. ¡Saludos!
