EVAPORADORES 

INTEGRANTES:• GUERRERO TRUJILLO JUAN DIEGO• LEON CRUZADO JHON • LOPEZ OTINIANO CARLOS• MARQUINA CONTRERAS OMAR ANTONIO• MARQUINA VASQUEZ KARLA

El objetivo de la evaporación es concentrar una solución consistente en un soluto no volátil y un solvente volátil.En la mayor parte de las evaporaciones, el solvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del solvente para producir una solución concentrada de licor espeso. La evaporación difiere del secado que el residuo es un liquido – a veces altamente viscoso – en vez de un solido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una solución y no en formar cristales.

La resolución de los problemas de evaporación se llevan a cabo por aplicación de los conceptos generales referentes a la transmisión del calor desde el evaporador condensante hasta la disolución a concentrar .Esta cantidad de calor se expresa como:

Calculo de un evaporador Simple:

Consideremos el evaporador esquematizado en la figura, funcionando en régimen estacionario, siendo F, S, E y W los caudales de alimentación, disolución concentrada, disolvente evaporado y vapor de calefacción; H y h las entalpias del vapor y el líquido; T la temperatura y X la concentración porcentual.

El balance de materia lo referimos al soluto, dicho balance se aprecia en la siguiente tabla.

Total Solido Liquido

Solución diluida …

F F.xf F-F.xf

Solución concentrada….

F(xf/xs) F.xf F(xf/xs)-

F.xf

Disolvente evaporado….

F-F(xf/xs) F-F(xf/xs)

El balance entálpico lo efectuamos igualando las entalpias de los productos que entran a la de los productos que salen, si el proceso es adiabático, y añadiendo las pérdidas de calor al exterior a las entalpias de los productos de salida, sino se cumple esta condición. Es decir:

Balance entalpico si el calor de dilución es despreciable:Cuando los calores de disolución y cristalización son despreciables, el cálculo se simplifica ya que las entalpias hf y hs pueden calcularse a partir del conocimiento de los calores específicos, tomando una temperatura de referencia.Si el condensado referente del vapor de calefacción abandona la cámara de calefacción a la temperatura de condensación, la ecuación es:

…. (1) 

El líquido concentrado y el vapor que salen de la cámara de vaporación están en equilibrio, y si la disolución no tiene aumento apreciable en el punto de ebullición estarán ambos a la misma temperatura Ts. Tomando esta como temperatura de referencia para las entalpias, se anula el termino Shs de la ec. (1); por otra parte Hc será igual al calor latente de vaporización de la disolución a la temperatura Ts y la entalpia hf será:

 En este caso la ecuación (1) se convierte en:

…. (2)

Evaporación en múltiples efectos: Un múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, denominándose primer efecto al primer evaporador, segundo efecto al segundo evaporador, etc., siendo el primero el que recibe el vapor vivo procedente de un generador de vapor.

Sistemas de alimentación: Los sistemas de alimentación reciben nombre distinto según el sistema de circulación seguido por el líquido a concentrar, denominándose:

Alimentación directa: Cuando la dirección de la corriente del vapor de calefacción y del líquido a concentrar es la misma, circulando el líquido en el sentido de presiones decrecientes.Alimentaciones en contracorriente: Cuando la dirección de la corriente del vapor de calefacción y del líquido a concentrar son contrarias, entrando el líquido por el último efecto.

Alimentación mixta: Cuando en una parte del sistema la dirección de las corrientes es directa y en otra es contracorriente.

Alimentación en paralelo: Cuando la alimentación entra simultáneamente en todos los efectos y el líquido concentrado procedente de cada efecto se une en una sola corriente.

Diferencia útil de temperaturas: Para un simple efecto la diferencia útil de temperaturas será:

En un múltiple efecto la diferencia útil de temperaturas es:

 

Calculo de un múltiple efecto: Para dicho cálculo se recurre a su resolución por tanteo de acuerdo con los pasos expuestos a continuación:

1. Se efectúa un balance de materia para todo el sistema, determinado así la cantidad total de disolvente a evaporar.

2. Partiendo de que las áreas de todos los efectos son iguales, se supone que la cantidad de calor intercambiada en cada efecto es la misma, lo que equivale a distribuir la diferencia útil de temperaturas entre todos los efectos de modo inverso a los coeficientes integrales de transmisión del calor correspondientes, o sea:

 

 

3. Se plantean las ecuaciones correspondientes a los n efectos por aplicación de un balance entalpico a cada uno de ellos.4. Se resuelve el sistema de ecuaciones formado con las ecuaciones anteriores y el resultado del balance de materia, determinando así la evaporación correspondiente a cada efecto.5. Se determina la superficie de calefacción de cada efecto a partir de los resultados anteriores y, si las suposiciones han sido correctas, las superficies de calefacción resultantes deben ser iguales, de modo que:

 6. En caso de las áreas resulten diferentes, se debería proceder a una nueva distribución de temperaturas, y rehacer los balances entálpicos para el cálculo de las nuevas áreas. Ahora bien: al rehacer los cálculos se pueden comprobar que las cantidades de calor q1, q2, q3, etc., a transmitir en cada efecto se modifican muy poco. Si admitimos que las modificaciones son despreciables, los nuevos incrementos de temperatura etc., serán proporcionales a los respectivos cocientes q1/U1, q2/U2, etc. Por consiguiente: 

……….(++) 

Al hallar nuevamente las áreas resultara: 

 Luego las áreas de cada efecto resultan ser iguales, de acuerdo con las condiciones del enunciando. En consecuencia, el área de cada efecto puede hallarse a partir de los resultados del primer tanteo, según:

………(+++)Cuando se quiere proceder a un 2° tanteo (para comprobar los resultados obtenidos) la distribución de temperaturas se hace de acuerdo con las ecuaciones (++), que combinadas con la (+++) dan:

    

En un evaporador simple se han de concentrar 20000Kg/h de una disolución desde el 10% hasta el 40% en peso. El vapor de calefacción es vapor saturado a 1.8 at de presión absoluta, y el condensado sale a la temperatura de condensación. El vapor procedente de la disolución condensa a 50°C; la disolución no presenta aumento apreciable en el punto de ebullición y su calor específico puede tomarse igual a la unidad para todas las concentraciones. La alimentación entra a 20°C y el coeficiente integral de trasmisión del calor tiene un valor medio de 3000 Kcal/m2.h°C. Calcúlese:•La superficie de calefacción.•El consumo horario de vapor.•La economía.

W,Hw

F,Hf

S,Hs

E,HgDatos

F=20000 Kg/h ; 10% ; 20°C

S=40%

Cp=1 Kcal/m2.h.°C

U=3000 Kcal/m2.h.°C

Balance de materia:

S=F.Xf/Xs

S=5000 Kg/h

E=F-S, E=1500 Kg/h

Cámara de condensación: P=1.8 at ; Hw=644.7 Kcal/kg Tw=116.33°C ; hw=116,54 Kcal/kg Cámara de Evaporación: T=50°C ; He=619 Kcal/kg he=49.95 Kcal/kg

Balance de energía

Superficie:

Economia:

En un evaporador de doble efecto, la alimentación entra en contracorriente a 20 °C y se han de concentrar 10000 kg/h de una solución coloidal, desde 4% hasta el 10% en peso. Para la calefacción se dispone de vapor saturado a 1,2 kg/cm3

de presión absoluta y el condensado abandona la cámara de calefacción a la temperatura de condensación. La temperatura de condensación del vapor procedente del segundo efecto es de 20 °C, la disolución no tiene aumento apreciable en el punto de ebullición.

Los coeficientes integrales de transmisión del calor para el primero y segundo efecto valen 1800 y 1400 kcal/m2.h.°C. el calor específico de la disolución que entra en el segundo efecto es 0.98 kcal/kg.°C, el que entra al primero 0.95 kcal/kg.°C y el de la disolución concentrada 0.90 kcal/kg.°C. CALCULAR:

a) Un diagrama de flujo del proceso indicando los valores y variables incógnitas.

b) Consumo de vapor vivo (kg/h).c) Las áreas de ambos efectos, suponiendo que son iguales (m2).d) La temperatura de ebullición de cada efecto.e) La masa de agua evaporada por kilogramo de vapor vivo en cada efecto.

H (Kcal/kg) = 0,4017*T + 598,6720 °C ≤ T ≤ 120 °C0.025 Kg/cm2 ≤ P ≤ 2 Kg/cm2

hl (Kcal/Kg) = 5,005*T + 14,94320 °C ≤ T ≤ 120 °C0.025 Kg/cm2 ≤ P ≤ 2 Kg/cm2

λ (Kcal/Kg) = -0.5993*T + 598,7420 °C ≤ T ≤ 120 °C0.025 Kg/cm2 ≤ P ≤ 2 Kg/cm2

T = 31.16P3 – 122.72P2 + 166,97P + 25,875

Diagrama de Flujo

Datos:P=1.2 Kg/cm^2Tcond.= 103.36668

°CF= 10000 Kg/hXf= 0.04Xs1= 0.1tF(°C)= 20Tebull-II (°C)= 20U1 (Kcal/m^2.h.°C)=

1800U2 (Kcal/m^2.h.°C)=

1400CpS2= 0.95

Kcal/Kg°CCpS1= 0.9 Kcal/Kg°CCpF= 0.98 Kcal/Kg°CS1= F(Xf/Xs1) ; S1=

4000E1 + E2 = F – S1; E1

+ E2 = 6000

Reemplazando en las ecuaciones: T = 103.36668 °C.Hv = 640,1923954 Kcal/Kg.hL = 532,2932334 Kcal/Kg.Λ = 536,7923487 Kcal/Kg.

∆Tútil = 103.36 °C – 20 °C= 83.36 °C

∆T1 + ∆T2 = ∆Tútil U1 ∆T1 = U2 ∆T2 ∆T1= (∆Tútil * U2)/ (U1+U2) ∆T1= 36.47 °C ∆T2= 46.89 °C

T(°C) λ (Kcal/Kg) hL (Kcal/Kg) Hv (Kcal/Kg)

Vapor Efecto I 103.36668 536.79532,29 640.19

∆T1= 36.47

Ebullición y Calefacción en II 66.8938773

568.6504992 349.7468569 625.5412706

∆T2= 46.89

Ebullición en II y Condensación 20 586.754 115.043 606.704

Alimentación 20

ECUACIONES: W.λw + S2.CpS2. ∆T = S1.CpS1. ∆T + E1.HE1…(1)

S2=(F-E2) E1. λ + F.CpF. ∆T = S2.CpS2. ∆T + E2.HE2…….(2)

S2=(F-S2) E1 + E2 = 6000; E1= 6000-E2 ……………(3)

Reemplazar (3) en (2)Obtendríamos:

E2=2929.20 Kg/hE1=3070.79 Kg/h Reemplazar E1 y E2 en (1) para obetener el W

Entonces W= 3776.85 Kg/h

Áreas: A1=q1 / (U1* ∆T1) ; q1 = W*λw A2= q2 / (U2*∆T2); q2 = E1* λ1

Área Media: Am= [(q1/U1) + (q2/U2) ]/∆T útil

Economía: E1/W E2/W

En un evaporador de doble efecto se han de tratar 10000Kg/h de una disolución que no tiene aumento apreciable en el punto de ebullición, para concentrarla desde el 10% hasta el 20%. La solución diluida entra en el primer efecto a 20°C, y en este efecto condensa el vapor vivo a 105°C, mientras que el vapor procedente del segundo efecto tiene una temperatura de condensación de 50°C. Los coeficientes integrales de transmisión de calor para el primero y segundo efecto valen 1800 y 1500 Kcal/. El calor específico de la disolución puede tomarse igual a la unidad para todas las concentraciones. Calcúlese:a) Temperatura y presión del vapor que sale de cada efectob) Agua evaporada en cada efectoc) Cantidad de disolución que sale del primer efectod) Área de la superficie de cada efecto suponiendo que son iguales.e) Consumo horario de vapor vivof) Rendimiento

Datos:• F: 10000Kg/h• Xf= 0.1• Xs1= 0.2• Tcond.= 105°C• Tebull-II (°C)= 50°C• tF(°C)= 20• U1 (Kcal/m^2.h.°C)= 1800• U2 (Kcal/m^2.h.°C)= 1500

total Solido Liquido

Solución diluida ….. 10000 1000 9000

Solución concentrada… 5000 1000 4000

Agua evaporada….. 5000 5000

∆Tútil = 105 °C – 50 °C= 55 °C∆T1 + ∆T2 = ∆TútilU1 ∆T1 = U2 ∆T2∆T1= (∆Tútil * U2)/ (U1+U2)∆T1=25 °C∆T2= 30°C

 T,°C

λ

Vapor al efecto I ….. 105 536

............. 27

Ebullición en I y Calefacción al II …. 78 552 78 630

............. 28

Ebullición en II y vapor al condensador…

50 569 50 619

Alimentación…………….. 20 20

h 𝑙𝑖𝑞𝐻𝑣𝑎𝑝

∆T1=27 °C∆T2= 28°C

ECUACIONES: W.λw + S2.CpS2. ∆T = S1.CpS1. ∆T + E1.HE1…(1)

S2=(F-E2) E1. λ + F.CpF. ∆T = S2.CpS2. ∆T + E2.HE2…….(2)

S2=(F-S2) E1 + E2 = 6000; E1= 6000-E2 ……………(3)

Reemplazar (3) en (2)Obtendríamos:

E2=2350 Kg/h E1=2650 Kg/h Reemplazar E1 y E2 en (1) para obtener el W

Entonces W= 3500 Kg/h

Áreas: A1=q1 / (U1* ∆T1) ; q1 = W*λw A2= q2 / (U2*∆T2); q2 = E1* λ1

Área Media: Am= [(q1/U1) + (q2/U2) ]/∆T útil

Economía: E1/W E2/W

En un evaporador simple se tratan 15000 Kg/h de una disolución de NaOH al 10% que a de concentrarse hasta el 50% en peso. El vapor empleado como medio de calefacción es vapor saturado a 3,5 at, y una vez condensado sale a la temperatura de condensación. El vacío mantenido en la cámara de evaporación es de 620mm Hg, respecto a la presión atmosférica normal. El coeficiente integral de transición de calor vale 1600 Kcal/m2.h.ºC.Si la alimentación entra a 40ºC y no se pierde calor al exterior, determínese:a) El consumo horario de vapor de calefacciónb) La superficie de calefacciónc) La economía

Balance de materia :

A la presión absoluta de 760-620=140 mm Hg, el agua hierve a 58,5°C (tabla A-3)

La temperatura de ebullición del NaOH del 50% es 106°C.

hf= 36 Kcal/Kg

hs= 133 Kcal/Kg

total Solido Liquido

Solución diluida …..

15000 1500 13500

Solución concentrada…

3000 1500 1500

Agua evaporada…..

12000 12000

El vapor de agua a 3,5 at condensa 138,2°C y su entalpia es 652 Kcal/Kg, siendo su calor latente 513 Kcal/Kg.

La superficie de calefacción necesaria es

Economía :