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ricardo-jimenez-ramos
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TEMA 10.- EVAPORACIN CONTENIDOS DEL TEMA 10.1 Evaporacin 10.2 Evaporadores de mltiple efecto 10.3 Incremento til de temperatura y Economa del vapor 10.4 Mejora del rendimiento de un evaporador 10.5 Seleccin del tipo de evaporador
Operacin Bsica de Ingeniera Qumica Concentracin de disoluciones por ebullicin
TEMA 10.- EVAPORACIN OBJETIVOS La finalidad principal de este tema es conocer la operacin de evaporacin, as como los tipos de evaporadores ms habituales en la industria, y aprender a dimensionar evaporadores y resolver problemas reales en una etapa de concentracin de un proceso.
1 Realizar balances de materia y energa a un evaporador 2 Proponer acciones para mejorar la eficacia en evaporacin 3 Evaluar la economa en un evaporador 4 Evaluar el incremento til de temperatura en un evaporador 5 Proponer las condiciones ms adecuadas de operacin (T y P) en un evaporador 6 Evaluar el calor transferido en un efecto 7 Evaluar la necesidad de vapor vivo en un evaporador de simple efecto o multiefecto 8 Conocer las distintas configuraciones de evaporadores ms frecuentes en la industria qumica 9 Proponer un tipo de evaporador adecuado par una determinada aplicacin 10 Dimensionar trmicamente un evaporador
Clasificacin de disoluciones a evaporar Comportamiento con la T: Las que pueden calentarse a altas temperaturas sin descomposicin y las que no Formacin de slidos Las que forman slidos al concentrarse importancia del tamao de cristal y forma, y las que no Punto de ebullicin Las que ebullen a aprox. la misma T que la del agua para una P dada, y las que tienen un pto de ebullicin mayor. Curva de Solubilidad inversa Si T Solubilidad
10.1 EvaporadorF E
W
Cmara ebullicinT TS q C
Cmara condensacinWC
Variables: W = WC F C E xF, xC % peso
Evaporacin Suministro de q para vaporizar el disolvente TQ a lquidos en ebullicin
Ecuaciones: Balances de Materia en cmara de ebullicin : F=E+C FxF = CxC Balance Entlpico al evaporador FhF + WHW = ChC + EHE +WhW Transmisin de calor q = W(HW hW) = UA(TS T)
Especificaciones habituales Alimentacin: F, xF y TF Vapor vivo: TS (PS) Tipo de cambiador: U Datos adicionales Equilibrio T = f(P, x) Entalpas de las corrientes
Relaciones de equilibrio Ascenso ebulloscpico e = T-T Disoluciones diluidas Ley de Raoult Correlaciones grficas basadas en la regla de Dhring Teb disolucin = f(Teb agua, %peso)
Correlaciones grficas basadas en la regla de DhringTeb disolucin = f(Teb agua, %peso)
Entalpas de las corrientes HW: vapor saturado hW: lquido saturadoo H E = H sat + Cpvapor dT T T
Entalpas de disoluciones: hF, y hChF =TF
Tref
CpdT
qdis = 0
hF = qdis + C P (TF Tref )
En grficas
DIAGRAMA ENTALPACONCENTRACIN DEL SISTEMA NaOH H2O
10.2 Evaporador de mltiple efecto Alimentacin en paralelo. 3 Efectos
Alimentacin en paralelo
F
E1
E2
E3
T1 T2 TS C1 T1 C2 T2 C3 T3
WC1
E1C
E2C
T1 > T2 T2 T1 Si N (Nmero de efectos) HACER VACO
Perfiles:T1 TS P1 Tn Tn-1 Pn xn xF
Balances Evaporador Corrientes Paralelas Disolucin: Soluto: Cn-1 = Cn + En Cn-1xCn-1 = CnxCn
Entalpa a cada efecto: En-1HEn-1 + Cn-1hCn-1 = EnHEn + CnhCn + En-1hEn-1 Transferencia de calor Qn=UnAn(Tn-1 Tn)
Alimentacin en contracorriente. 3 Efectos
Alimentacin en contracorriente
E1
E2
E3
W T1 T2 TS C2 T1 T2 T3
F
C1
C3
WC1
E1C
E2C
Alimentacin mltiple en paralelo. 3 efectos
Paralelo. Ventajas gran utilizacin del vapor la presin se distribuye el mismo vaco hace que fluyan los concentrados. Inconvenientes la transmisin de calor est dificultada por: U grande, Ts-T1 grande, la u va aumentando y U va disminuyendo Contracorriente . Ventajas mejora la transmisin de calor, se compensa el gradiente. Inconvenientes hay que colocar bombas para que fluya el concentrado
La eleccin del sistema de alimentacin depende: Utilizacin de la mayor cantidad posible de vapor. Obtener U elevados. Menor gasto de bombeo.
10.3 Incremento til de temperaturaSIMPLE EFECTOW
F
E
Ttil = TS T1 = TS T1 - e1
Ts
q
TC
WC
Ttil = (TS T1) + (T1 T2) = TS T2 - e1 - e2 DOBLE EFEC. Ttil = TS TN -
ei =1
N
i
MLTIPLE EFECTO
si N (Ttil) N Finito mximo de efectos
F
Economa del vaporW
E
e=
Ei =1
N
i
q C
WWC
Para calefaccin con vapor de agua y agua = disolvente a evaporar EWe=
Simple efectoE 1 W
W E1 ... EN
eN
Mltiple efecto
Si N (Ttil) S Coste inmvil. e Coste operacin
10.4 Mejora del rendimiento de un evaporador
1. Evaporadores de mltiple efecto 2. Recompresin del vapor 3. Bomba de calor
Recompresin del vapor: Comprimir el vapor hasta PS
Eyector con vapor vivo Compresor mecnico
Recompresin del vapor: Eyector con vapor vivo a presin
Vapor vivoPV
EvaporadoPE W
Ln(PV P ) E + 1 = R W E Ln(PS P )
PSCmara de condensacin
R = eficacia (hasta 80%) = f (condiciones operacin) Puede tratar E si PS Mximo rendimiento bajo condiciones muy especficas
Recompresin del vapor: Compresor mecnico
E Compresores rotativos tipo lbulos. Unidades medias-pequeas
Bomba de calor
Ciclo de bomba de calor que utiliza amoniaco Evapora a Bajas Temperaturas Susts. Termolbiles
10.5 Seleccin del tipo de evaporador Tipos de evaporadores Circulacin natural y tubos horizontales tubos verticales y tubo central Tipo cesta Circulacin forzada con bomba externa De pelcula descendente De pelcula fina De placas
Factores que influyen en la eleccin del tipo de evaporador: costes de inversin y funcionamiento. Intervalo de concentracin final, disoluciones muy viscosas Ubajos se utilizan tipos especiales de evaporadores.
Formacin de costras y cristales. Inestabilidad trmica. Corrosividad. Formacin de espumas:sistemas especiales de la separacin de lafase vapor
Circulacin natural con Tubos horizontales. (Rillieux)
Son baratos Requieren poca altura Son de fcil instalacin Adecuados a lquidos que no cristalicen Para lquidos no viscosos Buena transmisin de calor Medidas cuerpo dim 0,9x3,6 altura 2,4 x 3,9 m Tubos entre 22 y36 mm
Tubos verticales con tubo central. (Tipo Robert)Nivel del lquido por encima de los tubos rea del tubo central entre el 40% y 100% de la seccin transversal de los tubos Tubos L entre 0,9 y 1,8 m d entre 37 y 75 mm L/di 20 y 40mm
Aplicaciones ind azucarera, sal comn Ind. qumica pesada: nitrato amnico, sosa custica
Evaporador tipo cesta
Facilidad para retirar la unidad calefactora
Evaporador de circulacin forzada con bomba externaMejora la transmisin de calor, al aumentar u Adecuado para lquidos disoluciones concentradas Lquidos viscosos Aumentan los costes de bombeo u entre 2 y 5 m/s
Aplicaciones Extractos de carne Sal comn Sosa custica Colas Sustancias que formen espumas
Centrifuga, si hay cristales Tipo paletas
Evaporador de pelcula descendente 1 Efecto
Tubos de 38 a 50 mm Aplicaciones productos sensibles al calor
Evaporador de pelcula fina
Sistema de paletas para conseguir una pelcula fina que al agitarse favorece la transmisin de calor
Evaporador de placas
Elevadas velocidades de transferencia de calor Baja retencin de lquido, tr mnimo. Se puede variar con facilidad la capacidad de tratamiento al aumentar el nmero de placas Aplicaciones: materiales termosensibles, lquidos viscosos, elevada concentracin de slidos.
Condensador baromtrico
Eyector de chorro de vapor
TEMA 10.- EVAPORACIN
OBJETIVOS
1 Realizar balances de materia y energa a un evaporador 2 Proponer acciones para mejorar la eficacia en evaporacin 3 Evaluar la economa en un evaporador 4 Evaluar el incremento til de temperatura en un evaporador 5 Proponer las condiciones ms adecuadas de operacin (T y P) en un evaporador 6 Evaluar el calor transferido en un efecto 7 Evaluar la necesidad de vapor vivo en un evaporador de simple efecto o multiefecto 8 Conocer las distintas configuraciones de evaporadores ms frecuentes en la industria qumica 9 Proponer un tipo de evaporador adecuado par una determinada aplicacin 10 Dimensionar trmicamente un evaporador