Realizado por:Prof. Ing. Yolimar Fernández

Operaciones Unitarias II

Universidad Nacional Experimental“Francisco de Miranda”

Aprendizaje Dialógico InteractivoPrograma de Ingeniería Química

EvaporaciónEvaporaciónProceso unitario que consiste en la concentración de disoluciones por ebullición; estácontrolada por la velocidad de transferencia de calor y no por la correspondientetransferencia de materia.

EvaporadoresEvaporadores

Equipos vaporizantes que puede considerarse como unintercambiador de calor modificado, que además deproducir un cambio de fase, puede darse otros fenómenosasociados a la concentración de la disolución, como laformación de sólidos o la descomposición de sustancias.

Entre sus aplicaciones más importantes se encuentran:-Obtención de agua desmineralizada.- Concentración de productos en industrias de alimentos ymedicamentos.

Vapor deagua

Condensado

Alimentación(disolución

diluida)

Vapor

Disolución concentrada

Ebullidor

Separador

Componentes principales de los Componentes principales de los evaporadoresevaporadores

Ebullidor tubular: es donde ocurre el procesode ebullición del disolvente producto del calortransferido por el calor latente. Geralmenteconsta de un haz de tubos por donde circula lasolución a concentrar y una carcasa donde circulael calor latente.

Separador líquido - líquido: es donde la mezclalíquido – vapor proveniente del ebullidor esseparada, obteniendo el líquido concentrado y lafase vapor. El separador es diseñado para evitar elarrastre de líquido concentrado en la corriente devapor.

Área de circulación del medio decalentamiento: vapor, electricidad, etc.

Factores que afectan a la velocidad de Factores que afectan a la velocidad de evaporaciónevaporación

1. Diferencia de temperatura entre el vapor de calentamiento y el alimento (Tv– Ts).

- Ts varia durante el proceso, puesto que al concentrarse el alimento aumenta su punto de

ebullición.

- La diferencia de temperatura aumenta al operar en vacío.

2. Área de intercambio (A)

- Tipo de equipo (geometría).

- Depósito de residuos en la superficie de intercambio.

(desmineralización de proteínas, depósito de polisacáridos, etc.).

3. Coeficiente global de transferencia de calor (U)

- Propiedades físicas de los fluidos (vapor de calentamiento y alimento) y conductividad

térmica del material de la pared.

- Tipo del equipo (geometría).

- Régimen de flujo (espesor capa convectiva).

Factores que afectan a la velocidad de Factores que afectan a la velocidad de evaporaciónevaporación

4. Propiedades del alimento

- Viscosidad: a mayor viscosidad menor velocidad de circulación y menores coeficientes de

transmisión de calor. La viscosidad aumenta con la concentración del alimento.

- Sensibilidad a la temperatura: las temperaturas de operación deberán ser bajas (operación

en vacío) y los tiempos de residencia cortos (evaporadores de película delgada).

- Formación de espumas: aumenta en la operación bajo vacío y reduce la transferencia de

calor. Se usan equipos con dispositivos mecánicos de rotura de espumas.

- Resistencia a la corrosión: equipos de acero inoxidable y de circulación forzada.

Criterios de selección de Criterios de selección de evaporadoresevaporadores

Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y

calidad del producto.

Balances de materia y energíaBalances de materia y energíaVapor

E, TE , PE , HE

(hacia el condensador)

Producto concentradoS, xS , TS , hS

CondensadoC, PC , TC , hC

AlimentaciónF, xF , TF , hF

Vapor de aguaV, TV , PV , HV

Tubos de intercambio de calor

Balance de materia global: F = E + S ; V + F = C + E + S

Balance de materia por componente (soluto): xF.F = xS.S

Balance de energía: V.HV + F.hF = C.hC + E.HE + S.hS Q = V.HV - C.hC = V.(HV - hC) = U.A. ∆TDonde Q es el caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador

Transmisión de calorTransmisión de calorEl caudal de calor transmitido Q en el evaporador, puede darse a través dela ecuación de transmisión de calor, que se expresa de la forma siguiente:

Donde:U = Coeficiente global de transmisión de calor. Está basado en el áreasuperficial externa, puede determinarse de manera experimental oencontrarse tabulado en tablas de referencia. Se ha demostrado que elmismo depende de las propiedades de la solución, el medio decalentamiento, la geometría y el tipo de superficie.

TAUQ ..

A = Área para la transmisión de calor. Generalmente este valor es fijo e independiente de las condiciones de operaciónen evaporadores ya construidos.∆T = Diferencia entre la temperatura de condensación del vapor de calefacción TV y la temperatura de ebullición dellíquido en la cámara de evaporación. Este parámetro es función de los siguientes factores: Las condiciones del vapor de calefacción: en general en estos procesos no se encuentra a presión elevada, serecomienda presiones bajas para disminuir temperatura de ebullición y en consecuencia el consumo de calor ycostos de equipo son menores. La presión de la cámara de evaporación: aconsejable presiones bajas para aumentar gradiente de temperaturadisminuyendo superficie de calefacción; si opera al vacio favorece la economía del proceso. La concentración de la disolución: Para disolventes puros, su temperatura de ebullición seria la correspondiente ala presión que se mantuviera en la cámara de evaporación. Para disoluciones, la presión de vapor de la disoluciónes menor que la del disolvente puro; por tanto la temperatura de ebullición de la disolución será mayor que la deldisolvente puro. La diferencia entre ambas se denomina Elevación en el punto de ebullición o Incremento delpunto de ebullición. Altura de líquido sobre la superficie de calefacción.

Datos entálpicosDatos entálpicosDatos entálpicosDatos entálpicos

200°C

180°C

150°C

100°C

EntalpíaKJ/Kg dis

Concentración(% peso)

Punto de ebullición del disolvente (°C)

Punto de ebullición disolución (°C)

Grafico A. Diagrama entalpía – concentración para una disolución

Grafico B. Diagrama de Duhring para una disolución

Se hace necesario el conocimiento de las entalpías específicas de las corrientes tanto líquidas como vapores que entran y salende un evaporador. En el caso de la corriente esté constituida por un componente puro por ejemplo: V, C y E, normalmente son corrientes devapor de calefacción, de agua líquida y de vapor de agua generado, las entalpías específicas se pueden encontrar fácilmente enla bibliografía (tablas de vapor de agua). Cuando las corrientes están constituidas por más de un componente se requiere la determinación experimental de lasmismas, estás pueden darse en forma gráfica como se observa en el gráfico A; mientras el gráfico B representa el conocidodiagrama de Duhring. En caso de no disponer de los datos experimentales, no queda más remedio que la simplificación en los cálculos para ladeterminación de las entalpías específicas de las disoluciones, a partir de los componentes de las mismas.

Balance entálpicosBalance entálpicosBalance entálpicosBalance entálpicos

Cuando los calores de disolución y cristalización son despreciables, la entalpía de la alimentación y ladisolución concentrada, hF y hS, pueden calcularse a partir de los calores específicos, tomando unatemperatura de referencia.

El líquido concentrado y el vapor que sale de la cámara de evaporación están en equilibrio, y si la disoluciónno tiene aumento apreciable en el punto de ebullición estarán ambos a la misma temperatura TL. La entalpíadel vapor que sale de la cámara de vapor, Hv, será igual al calor latente de vaporización de la disolución a latemperatura TS.

El calor especifico de las disoluciones cuyo calor de mezcla es despreciable se puede determinar, para unaconcentración x, si se conoce para otra concentración xo, considerando que el calor especifico es funciónlineal de la concentración:

Caso 1. Si el calor de dilución es despreciable

).( refFFF TTCph

)/).(1(1 oo xxCpCp

Caso 2. Si el calor de dilución es apreciable

En este caso la entalpía no varia linealmente con la concentración a temperatura constante, y estas debendeterminarse con la ayuda de datos tabulados o mediante diagramas de entalpía – concentración. Como ladisolución tiene aumento apreciable en el punto de ebullición, el vapor procedente de la disolución es vaporsobrecalentado y su entalpía será el calor latente a TS - IPE, mas el aumento de entalpía debido alsobrecalentamiento. Ese incremento puede determinarse con la utilización del Diagrama de Duhring.

Sistemas de múltiples efectosSistemas de múltiples efectosSistemas de múltiples efectosSistemas de múltiples efectos

El principio en que se fundamenta el sistema de múltipleefecto es el siguiente:

En vapor que se genera en un efecto se utiliza comovapor de calefacción para el siguiente efecto.

Teniendo en cuenta el tipo de circulación, se puedeorganizar de la forma siguiente: a) directa o co-corriente;b) en contracorriente; c) mixto; y d) con alimentaciónindependiente

-En el caso a) las corrientes de vapores generadas siguenla misma dirección que las corrientes de líquidosalimentados a los respectivos evaporadores.

- En el caso b) las corrientes de vapores generados siguendirecciones contrarias.

- En el caso c) participa tanto el caso a y b.

- En el caso d) cada evaporador se alimenta independientemente.

Esquemas simplificados para sistemas de Esquemas simplificados para sistemas de Esquemas simplificados para sistemas de Esquemas simplificados para sistemas de múltiple efectomúltiple efecto

CristalizaciónCristalizaciónOperación de transferencia de materia en la que seproduce la formación de un sólido (cristal o precipitado) apartir de una fase homogénea (soluto en disolución o enun fundido).

El proceso está basado principalmente en la concentración desustancias para proporcionar un producto que tenga uniformidad enla forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y fuerza.

La cristalización puede llevarse a cabo por enfriamiento, porevaporación o por ambos medios a la vez y tiene granimportancia en la preparación de productos puros. Destacasobre otros procesos de separación por su potencial paracombinar purificación y producción de partículas en unsolo proceso.

Aplicaciones industrialesAplicaciones industriales

Se utilizan para producir un producto puro de acuerdo con su composición y este seencuentra en forma de cristales, como por ejemplo: azúcar, sal común, etc.

Los productos sólidos son más fáciles decomercializar por lo que se hace necesario contarcon un buen equipo de cristalización.

Los cristalizadores proporcionan un productode alta concentración en formar sólidos.

Se pueden usar para separar un solvente deuna disolución y aprovechar tanto el disolventecomo el soluto.

Tipo de cristalesTipo de cristalesUn cristal puede ser definido como un sólido compuesto de átomos arreglados en orden, en unmodelo de tipo repetitivo. La distancia interatómica en un cristal de cualquier material definidoes constante y es una característica del material.

La forma geométrica de los cristales es una de las características de cada sal pura o compuestoquímico, por lo que la ciencia que estudia los cristales en general, la cristalografía, los haclasificado en siete sistemas universales de cristalización:

Sistema CúbicoLas sustancias que cristalizan bajo este sistema forman cristales deforma cúbica, los cuales se pueden definir como cuerpos en el espacioque manifiestan tres ejes iguales que forman ángulos rectos entre si. Aesta familia pertenecen los cristales de oro, plata, diamante, cloruro desodio, etc.

Sistema Tetragonal Estos cristales forman cuerpos con tres ejes en el espacio en ángulorecto, con dos de sus segmentos de igual magnitud, hexaedros concuatro caras iguales, representados por los cristales de oxido deestaño.

Tipo de cristalesTipo de cristales Sistema OrtorrómbicoPresentan tres ejes en ángulo recto pero ninguno de sus lados o segmentosson iguales, formando hexaedros con tres pares de caras iguales perodiferentes entre par y par, representados por los cristales de azufre, nitratode potasio, sulfato de bario, etc.

Sistema MonoclínicoPresentan tres ejes en el espacio, pero sólo dos en ángulo recto,con ningún segmento igual, como es el caso del bórax y de lasacarosa.

Sistema TriclínicoPresentan tres ejes en el espacio, ninguno en ángulo recto, con ningúnsegmento igual, formando cristales ahusados como agujas, como es el casode la cafeína.

Tipo de cristalesTipo de cristales

Sistema HexagonalPresentan cuatro ejes en el espacio, tres de los cuales son coplanaresen ángulo de 60°, formando un hexágono bencénico y el cuarto enángulo recto, como son los cristales de zinc, cuarzo, magnesio, cadmio,etc.

Sistema RomboédricoPresentan tres ejes de similar ángulo entre si, pero ninguno esrecto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsénico,bismuto y carbonato de calcio y mármol.

Solubilidad de equilibrio en cristalizaciónSolubilidad de equilibrio en cristalizaciónEl equilibrio en la cristalización de cualquier sistema puede ser definido en términos de su curva desolubilidad o saturación y sobresaturación. La curva de solubilidad describe el equilibrio entre el soluto y elsolvente y representa las condiciones bajo las cuales el soluto cristaliza y el licor madre coexiste enequilibrio termodinámico.

Muchos manuales de química incluyen tablas de solubilidad. En la figura que se muestra se incluyen la curvade solubilidad de algunas sales típicas. En general, la solubilidad de la mayoría de las sales aumenta ligera onotablemente al aumentar la temperatura.

Solubilidad de equilibrio en cristalizaciónSolubilidad de equilibrio en cristalización

Las curvas de saturación y sobresaturación dividen el campo de concentración-temperatura en tres zonas:

La región insaturada, a la derecha de la curva de saturación.

La región metaestable, entre las dos curvas.

La región sobresaturada o lábil, a la izquierda de la curva de sobresaturación.

Un típico diagrama de equilibrio en cristalización se muestra en la figura debajo:

Balance de materiaBalance de materia

Cristalizador

Disolvente: W

Soluto: Y

Alimentación: F, xF, TF, hF

Q

Magma: M, TM, hM

Cristales: C, xC, hC

Disolución saturada:S, xS, hS

Disolvente: E, xE,HE

Balance de materia global: F = E + (S+C)Balance por componente (soluto):

F.(1 –XF) = S.(1 –XF ) + C.(1 –XC)Balance por componente (solvente):

XF .F = XE.E + XS.S + XC.C

Nota: XC depende si hay una solución híbrida

Balance de energía: F.hF = M.hM + E.hE + Q Q = F.(hF - hS) + C.(hS – hC) + E.(HE – hS)

Una vez estudiada esta unidad, es momento de demostrar que Una vez estudiada esta unidad, es momento de demostrar que tanto aprendistes:tanto aprendistes:

1. Se ha de concentrar una solución de soda caústica de 10% hasta 60%,la alimentación a 80 C entra a razón de 17 Lb/s si se utiliza unevaporador de 3 efectos alimentado con vapor de agua a 3atm abs comomedio de calentamiento. La temperatura en el último efecto será 100 F,considerando flujo de alimentación directa, U1 = 700 BTU/h.ft2. F, U2 =1000 BTU/h.ft2. F, U3 = 800 BTU/h.ft2. F. Determinar el área de cadaevaporador, flujo de vapor alimentado al sistema y economía delproceso.

2. Una corriente que contiene 47Lb de sulfato de hierro (FeSO4) por 100Lb de agua (H20) se alimenta a uncristalizador a razón de 10.000Lb a 130 F para ser enfriada a 80 F, lo cual permite la formación de cristalesde sulfato de hierro hextahidratado, la solubilidad de la sal es 30,5Lb de sulfato de hierro por 100Lb deagua, la capacidad calorífica promedio de la alimentación es 0,7 BTU/Lb. F , el calor de disolución a 18 C es -4,4Kcal/gmol de sulfato de hierro hextahidratado. Calcule el rendimiento de los cristales y la cantidad decalor asociada al proceso.