MÉTODO DE CALCULO PARA

EVAPORADORES DE UN SOLO

EFECTO

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

q=UA ΔT=UA (TS-T1)

q es la velocidad de transferencia de calor W (Btu/H),

U es el coeficiente total de transferencia de calor en W/m2·K

(Btu/h·pie2·°F)

A área de transferencia de calor en m2 (pie2)

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

T1 es el punto de ebullición del líquido en K (°F)

BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES

q=UA ΔT

Donde ΔT K (°F) es la diferencia de temperatura entre vapor de agua que se condensa y el

liquido de ebullición en el evaporador.

El valor de q en W (Btu/h) llevando a cabo un balance de calor y materia en el evaporador.

F es la alimentación en el evaporador en kg/h (Lbm/h)

Xf fracción masa de los sólidos en la alimentación

TF temperatura en la alimentación

hF es la entalpia en la alimentación J/kg (Btu/Lbm)

L la salida de un líquido concentrado en kg/h (Lbm/h)

XL fracción masa de los sólidos en la salida

T1 temperatura en la salida K (°F)

hL entalpia en la salida en J/kg (Btu/Lbm)

BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES

V el vapor se desprende como disolvente puro kg/h (Lbm/h)

YV=0 sólidos contenido en el vapor

T1 temperatura

Hv entalpia de evaporización.

S entrada de vapor de agua saturada kg/h (Lbm/h)

Ts temperatura de saturación

Hs entalpia de vapor

S vapor de agua condensado kg/h (Lbm/h)

Ts temperatura de saturación

hs entalpia del líquido

λ el vapor de agua solo transfiere su calor latente

λ= Hs- hs

BALANCE DE CALOR Y MATERIA PARA EVAPORADORES

Balance total

F=L+V

Para un balance con respecto al soluto (sólidos) solamente

F Xf =L XL

Calor en la alimentación+ calor en el vapor de agua= calor en el liquido concentrado + calor en

el vapor+ calor en el vapor de agua condensado

Se supone que no hay pérdidas de calor por radiación o convección.

Fhf +SHs=LhL+VHv + Shs

Sustituyendo en la ecuación

Fhf +Sλs=LhL+VHv

El calor q transferido en el evaporador es

q=S (Hs-hs)= Sλs

PROBLEMA PROPUESTO

Coeficiente de transferencia de calor en un evaporador de efecto simple. Una

alimentación de 4535 kg/h de solución de sal al 2.0% en peso a 311 K, entra a un

evaporador de efecto simple para concentrarse a 3.0%. La evaporización se lleva a

cabo a presión atmosférica y el área del evaporador es 69.7 m2. El calentamiento se

logra con vapor de agua saturado a 383.2 K. puesto que la solución es diluida, se

puede suponer que tiene el mismo punto de ebullición del agua. Se estima que la

capacidad calorífica de alimentación es Cp =4.10 KJ/Kg·K.

A) cantidad de líquido producido

B) calcule las cantidades de vapor

C) coeficiente de transferencia de calor U.

A) DATOS

F= 4535KG/H

XF=2.0%

XL=3.0%

V=?

L=? BALANCE GENERAL

F=V+L----------------- (ECUACIÓN 1)

BALANCE PARA EL SOLIDO

F XF =L XL

L = F XF / XL -----------------------L =(4535KG/H)(0.02) / 0.03

L= 3023.33 KG/H

B)

SUSTITUIR L EN LA ECUACIÓN1.

V = F – L-------------

V=4535 KG/H – 3023 KG/H

V=1512 KG/H

C) Datos

Alimentación

F= 4535kg/h

XF=2.0%

Cp=4.10 KJ/Kg·K

TF=311 K

hF=?

hF=CpF (TF-T1)---------hF=4.10 KJ/Kg·K (311 K - 373.15 K)

hF= -255 KJ/Kg

Salida liquido concentrado

L=3023 Kg/h

XL=3.0%

T1=373.15

hL= 0 porque está en equilibrio, y tiene la misma T1 al igual que el evaporador

Vapor

V=1512Kg/h

Hv=?

T1=373.15 K

Hv=2676.1 KJ/Kg

h1 =461.30 KJ/Kg

λV= Hv - h1

λV =2676.1 KJ/Kg - 461.30 KJ/Kg

λV=2257 KJ/Kg entalpia de evaporización o calor latente del agua tabla B.6 propiedades de vapor saturado. Principios elementales de procesos químicos

Entrada de vapor de agua saturada

S=?

Ts = 383.2 K

Hs=?

Hs= 2691.5 KJ/Kg

Vapor de agua condensado

S=?

hs = 461.30 KJ/Kg

λS= Hs- hs ------------------- λS =2691.5 KJ/Kg - 461.30 KJ/Kg

λS=2230 KJ/Kg entalpia evaporización o calor latente del vapor de agua

Balance de calor

Fhf +SHs=LhL+VHv + Shs

Fhf +Sλs=LhL+Hv

Fhf +Sλs=LhL+Vλv-------------------------------ecuación

Fhf +Sλs=LhL+Vλv

S= (LhL+Vλv - Fhf )/ λs --------------

S=(3023 Kg/h)+ (1512Kg/h)(2257 KJ/Kg )+ (4535kg/h )( 255 KJ/Kg) / 2230 KJ/Kg

S=2050.23 Kg/h

q=Sλs ------q =(2050.23 Kg/h)( 2230 KJ/Kg)

q= (4572032KJ/h)(1000 J)/3600seg.

q= 1270008.88 J/seg= 1270008.88 W

U=q/A ΔT------------------U=1270008.88 W / (69.7m2)(383.15 K - 373.15 K)

U=1822.10W/ m2

ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

Los vapores del ultimo efecto de los evaporadores de

efecto múltiple salen al vacío, esto es, a presiones

inferiores a las atmosféricas. Estos vapores deben

condensarse y descargarse como líquido a presión

atmosférica. Esto se logra al condensar los vapores

usando agua de enfriamiento.

Los condensadores de vapor son aparatos en los cuales se condensa

el vapor de escape procedente de maquinas y turbinas, y de donde el

aire y otros gases no condensables son evacuados en forma continua.

Dos son las ventajas que pueden considerarse empleando

condensadores en las máquinas y turbinas de vapor:

1)disminución de la presión de escape, con el consiguiente aumento de

energía utilizable.

2) recuperación del condensado para utilizarlo como agua de

alimentación para las calderas.

En las centrales térmicas se utilizan dos tipos de condensadores:

(1) de superficie, y (2) de chorro

CONDENSADORES

Los condensadores de superficie son

intercambiadores de calor que están

especialmente diseñados para condensar el

vapor sobrecalentado de las turbinas de

condensación. Operan condensado el vapor

en vacío incrementando así la eficiencia de

la turbina.

Utilizados usualmente para generación de

energía (turbo generadores) o turbo

compresores y son hallados en diversos

mercados.

CONDENSADORES DE SUPERFICIE

Se emplean cuando no se desea que se mezclen el condensado y el agua de

enfriamiento. Son condensadores de tubos y coraza con vapor en la coraza y

agua de enfriamiento en los tubos con flujo de pasos múltiples.

Los condensadores de superficie son mucho más costosos y utilizan mayor

cantidad de agua de enfriamiento.

Aplicaciones

• Enfriamiento y Calentamiento.

• Pasteurización y Esterilización.

• Evaporación y Condensación.

• Recuperación de Calor Producto/Producto.

Industrias

• Alimenticia y Azucarera.

• Química y Petroquímica.

• Cosmética, Farmacéutica y Biotecnología.

• Refrigeración y Energía.

En este condensador el agua de enfriamiento se pone en contacto directo con el vapor

para condensarlo. Unos de los tipos más comunes de condensadores de contacto

directo es el barométrico a contracorriente que se muestra en la figura

Diagrama esquemático del condensador

barométrico

CONDENSADORES DE CONTACTO DIRECTO

En este tipo de condensador varios chorros de agua a alta velocidad actúan

no solo como condensadores del vapor, sino también como medio de

arrastre de los gases no condensables.

Los condensadores de chorro requieren mas agua que los de tipo

barométrico común.

CONDENSADOR BAROMÉTRICO DE CHORRO

Consiste en una cámara cilíndrica cerrada, en cuya parte superior hay una

caja de boquillas de agua, la cual va acoplada a un tubo en forma de

Venturi, cuyo extremo inferior se halla sumergido en el agua.

El agua inyectada pasa por las boquillas por la presión de la bomba y por el

vació existente. Los chorros están dirigidos a la garganta del tubo en donde

se reúnen para formar un solo chorro.

El vapor de escape en el condensador por la parte superior se pone en

contacto directo con los chorros de agua convergentes, y se condensa.

Las condensadores de chorro solamente proporcionan una baja

presión de escape, pues el condensado se mezcla con el agua de

refrigeración.

En las centrales equipadas con grandes turbinas de vapor no pueden

emplearse condensadores de chorro, porque aun prescindiendo de la

pérdida del condensado, el consumo de energía de las bombas de estos

condensadores y el costo inicial de las necesarias para evacuar el aire

neutralizan los beneficios conseguidos con el elevado vacío obtenido

con este tipo de condensadores.

Sin embargo, tratándose de turbinas de tamaño moderado, así como de

maquinas de vapor de émbolo, este tipo de condensadores de tienen

bastante aplicación.

La evaporación es una operación unitaria que se emplea para eliminar

parcialmente por ebullición de los alimentos líquidos. La separación de

agua o concentración de sólidos se logra por la diferencia en cuanto a

volatilidad entre el agua (disolvente) y el soluto.

Los materiales biológicos como los productos farmacéuticos, la leche, los

jugos cítricos y los extractos vegetales, suelen ser muy sensibles al calor y

con frecuencia contienen partículas muy finas suspendidas en solución.

Muchos materiales biológicos en disolución presentan elevación del punto

de ebullición muy baja al concentrarse. Esto se debe a que los sólidos

suspendidos en forma de partículas muy finas y los solutos disueltos de

alto peso molecular, contribuyen muy poco a esta elevación.

EVAPORACIÓN DE MATERIALES BIOLÓGICOS

El grado de degradación de los materiales biológicos durante la

evaporación esta en función de:

• La temperatura

• El tiempo de procesamiento

Para mantener la temperatura baja, la evaporación debe hacerse al

vacío, lo que reduce el punto de ebullición de la disolución. Para que el

tiempo de contacto sea corto, el equipo debe tener un tiempo bajo de

retención (tiempo de contacto) del material que se está evaporando.

El incremento de sólidos por evaporación reduce la actividad de agua,

como en jaleas o melaza, y en consecuencia ayuda a la conservación.

La evaporación también se utiliza para que un producto adquiera sabor

y color, como en el caso de los jarabes caramelizados para productos

de panadería.

Durante la evaporación, el calor latente se transfiere del medio de

calentamiento al alimento para elevar la temperatura de éste al punto de

ebullición. La velocidad de evaporación es determinada por la velocidad de

transferencia de calor a los alimentos y la velocidad de transferencia de masa

de vapores a partir de los alimentos.

Los tipos de equipo usados y algunos de los materiales que se procesan en

ellos:

1. Evaporador vertical de tubos largos. Leche condensada.

2. Evaporador de caída de película. Jugos de frutas.

3. Evaporador de película agitada (película con raspador). Látex de caucho,

gelatina, antibióticos y jugos de frutas.

4. *Evaporador de ciclo con bomba de calor. Jugos de frutas, leche, productos

farmacéuticos.

Los jugos de frutas son sensibles al calor y su viscosidad aumenta

notablemente al concentrar la solución.

Además, la materia sólida en suspensión en los jugos de frutas tiende a

adherirse a la superficie de calentamiento, causando sobrecalentamientos que

conducen a carbonizaciones y deterioro del material.

Para reducir esta tendencia a la adhesión y disminuir el tiempo de

residencia, se necesitan velocidades de circulación altas en la superficie de

transferencia de calor.

Como el material es sensible al calor, también se requiere una

temperatura de operación baja. Por tanto, una planta de jugos de frutas

concentrados casi siempre usa un evaporador de efecto simple en lugar de

unidades múltiples. También se emplea vacío para reducir la temperatura de

evaporación.

JUGOS DE FRUTAS

1.- Entrada de suministro de

vapor

2.-Camisa externa

3.- Salida del condensado

4.- Producto

5.- Vapores

6.-Salida de vapores

7.-Entrada de agua fría

8.-Cámara del condensador

9.-Entrada de la bomba del

condensador

10.-Entrada de la bomba de

vacío

11.- Medidor de presión

12.-Válvula de alivio de vacío

13.-Válvula de muestreo

DIAGRAMA DE UNA CALDERA EVAPORADORA

El vapor proveniente del suministro principal

entra al cuerpo encamisado de la caldera en

el punto 1.

La cubierta externa donde se condensa cede

calor al jugo que se halla en la caldera

El vapor condensado drena a través de una

trampa que mantiene la presión de vapor. La

descarga se dirige hacia el piso.

El jugo se calienta por el vapor en

condensación y se evapora a una

temperatura que depende del vacío aplicado

y la concentración de las moléculas de

azúcar disueltas en él.

Los vapores provenientes del jugo ocupan el

espacio abierto exterior de la caldera

Salida de vapor que permite que los vapores

salgan de la caldera y sean conducidos al

condensador.

Entra agua fría por la parte superior del

condensador.

Cámara del condensador donde el agua fría

se mezcla con los vapores, condensándolos

a líquido

Entrada a una bomba que elimina la mezcla

de vapores de jugo condensados y agua de

enfriamiento, y la descarga en el piso.

Entra a la bomba de vacío que se emplea

para aumentar el vacío del condensador y

reducir la temperatura de ebullición.

Un medidor de presión en la parte superior

del tanque indica la presión de la cámara

de evaporación.

Una válvula en la parte superior del tanque

que se abre para permitir la entrada de aire

y reducir el vacío en la cámara de

evaporación. (válvula de alivio)

Una válvula de muestreo en el fondo de la

cámara de evaporación permite la toma de

muestras para el análisis cuando el

evaporador está funcionando.

EVAPORACION MEDIANTE RECOMPRESIÓN DE

VAPOR

En el evaporador de un solo efecto, el vapor que proviene de la

unidad generalmente se condensa y se descarta. En el evaporador de

efecto múltiple, la presión de cada efecto sucesivo va disminuyendo,

de modo que el punto de ebullición del líquido desciende en cada

efecto.

Los dos tipos de unidades de recompresión de vapor son la de tipo

mecánico y la de tipo térmico

EVAPORADOR MECÁNICO DE RECOMPRESIÓN DE VAPOR

En un evaporador mecánico de recompresión de vapor se utiliza un

evaporador convencional de un solo efecto.

La alimentación fría se precalienta por intercambio con el producto

líquido caliente de la salida y luego fluye hacia la unidad. El vapor que

se eleva no va hacia un condensador, sino que se envía a un

compresor centrífugo o de desplazamiento positivo impulsado por un

motor eléctrico o por vapor.

Este vapor comprimido se envía de nuevo al intercambiador de calor o

caja de vapor. El vapor comprimido se condensa a una mayor

temperatura que el punto de ebullición del líquido caliente en el efecto, y

se establece una diferencia de temperatura. De nuevo se genera vapor

y el ciclo se repite.

ESQUEMA DE UN EVAPORADOR MECANICO

EVAPORADOR TÉRMICO DE RECOMPRESIÓN DE VAPOR

Un chorro de vapor también se puede usar para comprimir el vapor

en una unidad térmica de recompresión de vapor. Las desventajas

principales son la baja eficiencia del chorro de vapor, que hace

necesaria la eliminación de este exceso de calor, y la poca flexibilidad

a los cambios en las variables de proceso (M3).

Los chorros de vapor son más económicos y más durables que los

compresores mecánicos y manejan con más facilidad grandes

volúmenes de vapor a baja presión.