Tipos y equipos de evaporadores
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El documento detalla los diferentes tipos de equipos de evaporación y sus modos de operación, explicando las características y aplicaciones de cada uno, desde marmitas abiertas hasta evaporadores de circulación forzada y de película agitada. Se enfatiza la importancia de la configuración y el tipo de líquido en la eficiencia del proceso de transferencia de calor, así como los coeficientes de transferencia de calor asociados a los diversos diseños de evaporadores. Finalmente, se mencionan métodos de operación que optimizan el uso de vapor y la eficiencia general del sistema de evaporación.
Tipos y equipos de evaporadores
- 1. E V A P O R A C I O N
- 2. TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN
- 3. TIPOS GENERALES DE EVAPORADORES La evaporación consiste en la adicion de calor a una solución para evaporar el disolvente que, por lo general es agua. Para la evaporación el tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del liquido. A continuación se analizan los tipos generales de equipo.
- 4. MARMITA ABIERTA O ARTESA La forma más simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el líquido.
- 5. EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES CON CIRCULACIÓN NATURAL. En este tipo el vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones.
- 6. EVAPORADOR VERTICAL CON CIRCULACIÓN NATURAL En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido esta dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el líquido se eleva en los tubos por circulación natural fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. No es útil con líquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos
- 7. EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos, el líquido esta en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el líquido pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo.
- 8. EVAPORADOR DE CAÍDA DE PELÍCULA Una variación del modelo de tubos largos es el evaporador de caída de película, en el cual el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Por lo general, la separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentración de materiales sensibles al calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas
- 9. EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN FORZADA El coeficiente de transferencia de calor de la película líquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubos verticales largos una tubería conectada a una bomba entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Si embargo, los tubos de un evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los tubos largos. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.
- 10. EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA. Un método para aumentar la turbulencia de la película líquida y el coeficiente de transferencia de calor, consiste en la agitación mecánica de dicha película. Esto se lleva a cabo en un evaporador de caída de película modificado, usando un solo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador interno. El líquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de película turbulenta por la acción de aspas de agitación vertical. La solución concentrada sale por el fondo y el vapor pasa por un separador para salir por la parte superior. Este tipo de evaporador es practico para materiales muy viscosos
- 11. EVAPORADOR SOLAR DE ARTESA ABIERTA Un proceso muy antiguo pero que todavía se usa es la evaporación solar en artesas abiertas. El agua salina se introduce en artesas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta que cristalice.
- 12. MÉTODOS DE OPERACIÓN PARA EVAPORADORES
- 13. EVAPORADORES DE EFECTO SIMPLE. 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 barato comparado con el costo del evaporador. Sin embargo, la operación de gran capacidad, al usar más de un efecto, reducirá de manera significativa los costos del vapor.
- 14. La alimentación entra a TF 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 esta en equilibrio con la solución en ebullición. La presión es Pt, que es la presión de vapor de la solución a T1
- 15. EVAPORADORES DE EFECTO MÚLTIPLE CON ALIMENTACIÓN HACIA ADELANTE. En este tipo de operación el primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto, como resultado tenemos un aumento en la economía del vapor de agua. En esta operación la alimentación se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del vapor.
- 16. Éste es el método de operación que se emplea cuando la alimentación esta caliente o cuando el producto concentrado final puede dañarse a temperaturas elevadas. Las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto. Esto significa que si el primer efecto esta a Pr = 1 atm abs de presión, el último estará al vacío, a presión P3.
- 17. EVAPORADORES DE EFECTO MÚLTIPLE CON ALIMENTACIÓN EN RETROCESO. La alimentación entra al último efecto, que es el más frío, y continua hacia atrás hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Este método de alimentación en retroceso tiene ventajas cuando la alimentación es fría, pues la cantidad de líquido que debe calentarse a temperaturas más altas en el segundo y primer efecto es más pequeña. Sin embargo, es necesario usar bombas en cada efecto, pues el flujo va de baja a alta presión.
- 18. COEFICIENTES TOTALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EVAPORADORES
- 19. El coeficiente total de transferencia de calor U en un evaporador esta constituido por : El coeficiente del lado del vapor que se condensa, cuyo valor aproximado es de 5700 W/m2 *K(1000 btu/h * pie2 * °F). La pared metálica, que tiene una conductividad térmica alta y casi siempre una resistencia despreciable. La resistencia de las incrustaciones en el lado del liquido. El coeficiente de la película líquida, que por lo general se forma en el interior de los tubos.
- 20. El término U, definido como un factor de proporcionalidad entre dg/dA (flujo diferencial de calor/diferencial del área) y AT (diferencia global de temperatura), recibe el nombre de coeficiente global local de transmisión de calor.
- 21. CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR La velocidad de transmisión de calor q a través de la superficie de calefacción de un evaporador, de acuerdo con la definición del coeficiente global de transmisión de calor es producto de tres factores: El área A de la superficie de transmisión de calor El coeficiente global de transmisión de calor U La caída global de temperatura AT. q = U* A* AT
- 22. Tal como muestra la Ecuación: q =(U) (A)( AT) La densidad de flujo de calor y la capacidad del evaporador están afectadas tanto por la caída de temperatura como por el coeficiente global de transmisión de calor. La caída de temperatura está fijada por las propiedades del vapor de agua y del líquido que hierve y, excepto por lo que respecta a la carga hidrostática, no depende de la construcción del evaporador. Por otra parte, el coeficiente global está fuertemente influenciado por el diseño y la forma de operación del evaporador
- 23. COEFICIENTES DE LA PELÍCULA DE VAPOR. El coeficiente de la película del vapor de agua es elevado, aun para la condensación en película. A veces se adicionan promotores al vapor de agua para provocar la condensación en gotas y aumentar todavía más el coeficiente. Puesto que la presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el coeficiente de película del vapor, es preciso tomar precauciones para purgar los no condensables de la caja de vapor y prevenir la entrada de aire cuando el vapor de agua está a una presión inferior a la atmosférica.
- 24. COEFICIENTES DEL LADO DEL LÍQUIDO. El coeficiente del lado del líquido depende en gran medida de la velocidad del líquido sobre la superficie de calefacción. En los evaporadores de circulación natural el coeficiente del lado del líquido para disoluciones acuosas diluidas, está comprendido entre 200 y 600 Btu/pie2-h-°F.
- 25. COEFICIENTE DE LOS EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN NATURAL El coeficiente global es sensible a la caída de temperatura y a la temperatura de ebullición de la disolución. Con líquidos de baja viscosidad los coeficientes de transmisión de calor son elevados, del orden de 1000 a 2000 Btu/pie2-h-°F para agua.
- 26. EVAPORADOR DE TUBOS HORIZONTALES Resultan coeficientes totales: 200-400 Btu/h pie2°F (1100-2300 W /m2 K) Dependiendo de la diferencia total de temperaturas temperatura de ebullición y propiedades de la solución
- 27. EVAPORADORES DE TUBOS VERTICALES DE LAS VARIEDADES DE CANASTA Y VERTICAL NORMAL Los coeficientes son un poco mayores que en los evaporadores de tubos horizontales y se encuentran entre: 200-500 Btu/h pie2°F (1100-2800W/m2K), Dependiendo una vez más de las propiedades de la solución, ΔT total y temperatura de ebullición
- 28. EVAPORADOR VERTICAL DE TUBOS LARGOS Existe poca información publicada disponible sobre los coeficientes obtenidos en estos evaporadores, pero es de esperarse que los coeficientes totales se encuentren en el intervalo de: 200-800 Btu/h pie2 °F (1100-4500 W/m2 K).
- 29. EVAPORADOR DE PELÍCULA DESCENDENTE Se han medido coeficientes de película de evaporación de 800-1500 Btu/h pie2 °F (4500-8500 W/m2 K), para el caso del agua.
- 30. EVAPORADOR DE PELÍCULA TURBULENTA Los coeficientes totales que se aseguran son de 40-400 Btu /h pie2 o F (350-3500 W/m2 K), cuando se evaporan materiales de viscosidades hasta de 20 000 cps.
- 31. COEFICIENTES TÍPICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA DIVERSOS EVAPORADORES.