Tema 5 : Evaporadores (IA)  Evaporadores: Tipos y aplicaciones  De circulación forzada, de tubos largos, de tubos cortos, horizontales, de placas, de.

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2 Tema 5 : Evaporadores (IA)  Evaporadores: Tipos y aplicaciones  De circulación forzada, de tubos largos, de tubos cortos, horizontales, de placas, de película agitada  Transferencia de calor en evaporadores  Disposición de los evaporadores: simple efecto y múltiple efecto  Diseño y cálculo de evaporadores  Aspectos económicos de la evaporación  Influencia en la evaporación de las propiedades del líquido de alimentación Tema 6 : Diseño de equipos de Transferencia de calor V (IQ); 2da parte

3 http://www.nzifst.org.nz/unitoperations/evaporation.htm 1.Pagina en INTERNET: R.L.Earle – M.D.Earle. Unit Operation in Food Processing. Capítulo 8: Evaporation 2. Bibliografia en CD : Albert Ibarz - Gustavo V. Barbosa-Cánovas: Unit Operations in Food Engineering. Capítulo 18: Evaporation P. Fellows. Food Processing Technology. Capítulo 13: Evaporation and distillation. James G. Brenann. Food Processing Handbook. Capítulo 3: Evaporation and Dehydration. Willian B.Glover – William L.Hyde. Evaporación de Productos Difíciles de Procesar: Evaporación por película fina agitada. Extraído de : The Magazine or Technical Industry. APV. Evaporator Handbook. Fourth Edition Dennis Heldman – Daryl Lund. Handbook of Food Engineering. 2nd edition. Capítulo 8 : Evaporation and Freeze Concentration. Joaquín Ocon García – Gabriel Tojo Barreiro. Problemas de Ingeniería Química. Tomo I Ed Aguilar. Capítulo 3: Evaporación

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5 EVAPORACION El proceso de evaporación consiste en la eliminación de un líquido de una solución, por tratamientos térmicos.

6 En la mayoría de los casos la operación se refiere a eliminación de agua Definición: Concentración de una disolución, por paso de parte del disolvente presente en la misma, a fase vapor. EVAPORACION

7 Esta operación consiste en la separación de un disolvente volátil de un soluto no volátil por evaporación del disolvente  El agua es el disolvente que con más frecuencia hemos de separar. La evaporación es así un proceso que es de uso frecuente por el tecnólogo del alimento. Se utiliza cuando el producto alimenticio es un líquido, y se requiere quitar el agua EVAPORACION  La calefacción se efectúa por medio del vapor condensante

8 Procesos que se puede usar para remover el agua : Osmosis reversa: Concentración por congelación Evaporación Secado Es la más adecuada para líquidos diluidos y no afecta la calidad del producto. Puede ser usada para la pre-concentración previa a la evaporación para alimentos líquidos que contengan menos del 10% de sólidos Se puede usar para productos sensibles al calor o cuando las pérdidas de los componentes volátiles se debe minimizar. Se pueden alcanzar concentraciones de 40- 55 % Requiere de mucha energía y una alimentación de alta concentración. Requiere de un proceso previo de preconcenmtración. Puede concentrar la mayoría de los alimentos líquidos fácilmente hasta un 50 % de sólidos y en el caso de soluciones azucaradas para la producción de caramelos duros, puede llegarse as 98% de sólidos.

9 La elección del proceso de concentración depende de: La extensión de la concentración requerida El efecto del proceso sobre el producto La fuente de energía disponible Los costos relativos de los procesos El objetivo es remover el agua, aumentando la concentración del soluto, y hacerlo con un costo mínimo: costo de capital + costo de operación (costo de energía, pérdida de producto, costo de limpieza).

10 Aplicaciones típicas de la evaporación en la industria de los alimentos FRUTAS LACTEOS AZUCAR SAL VEGETALES Jugos de frutas concentrados que se obtienen por evaporación a bajas temperaturas para proveer estabilidad al producto, minimizar los volúmenes de transporte y de almacenamiento. A partir del procesos de evaporación de las frutas se obtienen mermeladas y jaleas. La evaporación se usa en la industria de los lácteos para concentrar leche, suero y lactosa previo al secado. El azúcar refinado a partir de remolacha o de caña de azúcar se realiza por extracción del azúcar con agua caliente, evaporando el agua hasta la obtención del jarabe concentrado, y luego por evaporación controlada se genera la sobresaturación necesaria para el proceso de cristalización. Los jarabes de malta y glucosa se evaporan después de la hidrólisis enzimática de la cebada o el almidón de maíz. En algunos países el agua fresca se produce por evaporación del agua de mar, que da sal como subproducto. Se concentra y cristaliza de manera similar al azúcar. Se extrae el agua de los jugos de vegetales para obtener una determinada textura como en los pures y pastas.

11 Objetivos de la evaporación: Concentración de los alimentos jugos, leche y café antes de su deshidratación, congelación o esterilización ahorro energético en las operaciones siguientes reduce gastos de almacenamiento, transporte y distribución La leche entera, la leche descremada, y el suero, se preconcentran por evaporación antes de ser deshidratados por secado spray, secado a tambor o secado por congelación. La leche entera contiene 12,5% de sólidos totales y se concentra por evaporación hasta un 40-50%. Los granos de café se limpian y se tuestan (para el desarrollo del color: claro, medio, oscuro y flavor). Se muelen y los solubles se extraen con agua caliente ( a contracorriente en extractores de lecho estático o continuo). La solución que deja el extractor tiene 15-28% de SS. Se enfría y se filtra. Luego se concentra en evaporadores al vacío, usualmente de múltiple efectos de película descendente, hasta un 60% de SS y finalmente se secan en sacadero spray o por congelación. El jugo de caña se obtiene en molinos de rodillos y el de remolacha se obtiene cortando en rodajas la remolacha y sometiéndola a extracción con agua caliente a 55-85ºC, en extractores de lecho estático o móvil a contacorriente en múltiple etapas. Luego el extracto se purifica, se tamiza y se carbonata. Se agrega lima y se burbujea CO 2. Se forman cristales de carbonato de calcio, se sedimentan y se filtran. El jugo se trata con SO 2 para evitar el pardeamiento enzimático, y se filtra. Este jugo con un 15% de SS se concentra en un evaporador de múltiple efecto al vacío hasta un 50-60% de SS. Se usan evaporadores de tubos cortos verticales o evaporadores de platos. Luego se concentra aún mas en un evaporador de tubos cortos de efecto único hasta la sobresaturación. Se siembra la solución para iniciar la cristalización. La remoción parcial de agua reduce la masa y el volumen de líquido reduciendo así el costo de transporte, de almacanamiento y en algunos casos de empaquetamiento. Muchos jugos de frutas son extraídos y concentrados en evaporadores de alto vacío y a baja temperatura (20ºC). El concentrado se congela cerca del área de crecimiento, y se transporta a otros lugares donde es diluido, empaquetado y vendido como jugo de fruta frío. Por ejemplo el jugo de naranja contiene un 12% de SS y se concentra hasta 65% de SS.

12 jarabes caramelizados para panadería y pastelería Objetivos de la evaporación: Mejorar la conservación de los alimentos mermeladas y melazas reducción de la actividad de agua Suministrar un producto de uso más cómodo concentrados de frutas para diluir, sopas, pasta de tomate Cambiar aroma y/o color de los alimentos Esto es muy conveniente para el consumidor o para el fabricante ( pectinas líquidas, concentrados para el uso en helados o productos de panadería)

13 La evaporación se lleva a cabo por la transferencia de calor desde el vapor condensante hasta la disolución a concentrar. La cantidad de calor viene dada por: Q = U A  T Donde: U: Es el coeficiente global de transferencia de calor A : Es el área de transferencia de calor  T : es la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido hirviente

14 Factores que afectan el proceso de evaporación Reducción del coeficiente de transmisión de calor Posible elevación de la viscosidad durante el proceso al aumentar la concentración disminución del coeficiente global de transferencia de calor Posible alcance del límite de solubilidad formación de cristales Posible degradación térmica de los alimentos evaporación a vacío Posible formación de espumas Pérdidas de material al ser arrastradas las espumas por el vapor a la salida del evaporador Aumento de la temperatura de ebullición al aumentar la concentración de la solución Posibles incrustaciones sobre las superficies de calentamiento El punto de ebullición de una solución es más alto que la del solvente puro a la misma presión. Cuanto más alto es el contenido de sólidos solubles de la solución, más alto es el punto de ebullición.- Cuando la evaporación avanza y la concentración de SS aumenta, la temperatura de evaporación aumenta. Si la temperatura del vapor usada para calentar el líquido se mantiene constante, la diferencia de temperatura entre él y el líquido que se evapora, disminuye Esto disminuye la velocidad de transferencia de calor y la velocidad de evaporación. Para mantener constante la velocidad de evaporación la presión de vapor debe aumentar Por ejemplo, el aumento de ebullición de una solución de azúcar que contiene 50% SS es de 7ºC. Cuando la solución se va concentrando la temperatura de ebullición aumenta. La evaporación puede tomar algunos minutos o unas pocas horas. La exposición de los alimentos líquidos a altas temperaturas por largos tiempos pueden causar cambios en el color y en el flavor de los alimentos. Estos pueden ser deseables (caramelos toffe) o indeseables en el caso de líquidos sensibles al calor ( jugos de frutas o leche) Para reducir los daños se debe reducir la presión en el evaporador por debajo de la presión atmosférica por medio de condensadores, bombas de vacío o eyectores de vapor. Esto reduce la temperatura a la cual el líquido se evapora. Típicamente la presión en el evaporador estará en un rango de 7,5 a 85 kPa abs que corresponden a una temperatura de evaporación en el rango de 40 a 95ºC. El uso de presiones más bajas es antieconómico. Esto se conoce con el nombre de evaporación al vacío. La s temperaturas de evaporación que prevalecen en la evaporación al vacío hacen que se pueda mantener una diferencia de temperatura razonable entre el medio de calefacción y el líquido en ebullición. Esto limita los cambios indeseables en el color y en el flavor de los productos. Algunos líquidos espuman cuando hierven vigorosamente en el evaporador : proteínas de la leche descremada. Esto reduce la velocidad de transferencia de calor y la velocidad de evaporación. Resulta en una excesiva pérdida del producto con el vapor que deja la sección de calentamiento, contamina el agua fría que se usa en los condensadores y conduce a problemas en los efluentes. Se pueden usar antiespumantes, siempre y cuando estén permitidos La viscosidad de la mayoría de los líquidos aumenta cuando el contenido de sólidos aumenta durante la evaporación. Esto conduce a la reducción de la velocidad de circulación y de transferencia de calor en la sección del evaporador Esto influye en la selección del tipo de evaporador: Evaporadores de película descendente para líquidos moderadamente viscosos, y de película delgada agitada para líquidos muy viscosos. El aumento en la viscosidad puede limitar la concentración máxima que se puede obtener en la evaporación. El ensuciamiento de las superficies de transferencia de calor disminuye la velocidad de transferencia de calor y de evaporación. También puede necesitar procedimientos de limpieza costosos. Este ensuciamiento debe tenerse en cuenta en el diseño y en la selección de los evaporadores: Evaporadores de circulación forzada o de película delgada agitada

15 La evaporación se lleva a cabo por la transferencia de calor desde el vapor condensante hasta la disolución a concentrar. La cantidad de calor viene dada por: Q = U A  T Donde: U: Es el coeficiente global de transferencia de calor A : Es el área de transferencia de calor  T : es la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido hirviente

16 Los factores principales que afectan a la velocidad de evaporación (Q) son: a) La velocidad de transferencia de calor al líquido. b)La cantidad de calor necesaria para evaporar cada kilogramo de agua. c)Temperatura máxima que permite el líquido d)La presión a la cual tiene lugar la evaporación e)Cualquier cambio que puede ocurrir en el producto alimenticio durante el proceso de la evaporación

17 Los valores de los coeficientes globales de transmisión de calor (U) para los evaporadores son del orden de 1800 – 5000 J m -2 s -1 ºC -1 para la evaporación de agua destilada en un evaporador de tubo vertical al que se le suministra calor por condensación de vapor de agua. U : Coeficiente global de transferencia de calor Este coeficiente incluye: El coeficiente de condensación del vapor de calefacción La resistencia de conducción del material que forma la superficie de intercambio de calor (incluyendo los depósitos sólidos) El coeficiente de convección del líquido hirviente Se determinan experimentalmente para cada caso en particular También se dispone de gráficas para diferentes evaporadores

18 Coeficientes de transferencia de calor globales para diferentes tipos de evaporadores Evaporador U (W/m2 ·°C) Verticales de tubos largos Circulación natural1000–3500 Circulación forzada2300–12000 Tubos cortos Tubos horizontales1000–2300 Tipo calandria 800–3000 Serpentines1000–2300 Película agitada (Líquidos newtonianos) Viscosidad 1 mPa·s2300 100 mPa·s 1800 10 4 mPa·s 700 Source: McCabe, W.L. and Smith, J.C., Operaciones Bósicasde Ingeniería Quínica, Reverté, Barcelona, Spain, 1968.

19  T : Diferencia de temperaturas Es función de los siguientes factores: 1.Las condiciones del vapor de calefacción 2.La presión de la cámara de evaporación 3.La concentración de la disolución

20 El evaporador tiene dos funciones principales: a) Intercambiar calor b)Separar el vapor que se forma del líquido.

21 EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO Vapor Hacia el condensador Alimentación Tubos de intercambio de calor Vapor de agua Condensado Producto concentrado Cámara de evaporación Cámara de condensación

22 EL EVAPORADOR DE SOLO EFECTO El evaporador típico se compone de tres secciones principales: 1.El cambiador de calor 2.La sección de evaporación, donde el líquido bulle y se evapora. 3.El separador, en el cual el vapor se separa del líquido y se dirige hacia el condensador o a otro equipo.

23 En muchos evaporadores estas tres secciones están contenidas en un solo cilindro vertical: 1.En el centro existe una sección calentada por vapor de agua, atravesada por tubos por los que circula el líquido a evaporar 2.En la parte superior del cilindro hay unos deflectores que permiten pasar al vapor pero no a las gotas de líquido que puedan acompañarle. 3.El vapor de agua se condensa en la camisa, haciendo que el líquido a evaporar entre en ebullición en el interior de los tubos y en el espacio encima de la placa que fija los tubos.

24 La resistencia al flujo de calor está determinada por: 2.Por el material de las paredes del tubo. La velocidad de circulación del líquido afecta notablemente a las velocidades de evaporación, aunque es muy difícil predecir cuales son las velocidades de circulación y la forma de flujo. 1.Los coeficientes de vapor de agua y de película líquida

25 Cuando existen sólidos disueltos la concentración del líquido que se evapora crece: La viscosidad aumenta, se dificulta la circulación. Los valores de U suelen ser mucho menores que 1800 – 5000 J m -2 s -1 ºC -1 y las velocidades de ebullición son más pequeñas. Aumenta la temperatura de ebullición, se reduce la diferencia de temperatura disponible y disminuye la velocidad total de transmisión de calor. Los valores de U varían con las diferencias de temperaturas, con lo cual el diseño teórico de un evaporador está sometido a amplios márgenes de incertidumbre.

26 EVAPORACIÓN POR VACIO Si el líquido a evaporar puede alterarse por exposición a temperaturas elevadas, es necesario reducir la temperatura de ebullición trabajando a presiones bajas Las presiones reducidas se obtienen por eyectores de vapor de agua o por bombas de vacío. La bombas mecánicas de vacío son en general más baratas que los eyectores de vapor en gastos de mantenimiento, pero más caras en costo. El líquido condensado se puede bombear fuera del sistema o bien se descarga por medio de una columna barométrica. Las bombas de vacío trabajan con los incondensables, que pueden descargarse a la atmósfera.

27 TRANSMISIÓN DE CALOR EN LOS EVAPORADORES El calor se suministra desde una fuente exterior a temperatura adecuada Puede ser: vapor de agua calefacción directa calefacción con resistencias eléctricas (elevado costo) agua caliente (para productos sensibles) vapor de agua a presión baja (se requiere grandes volúmenes)

28 En los evaporadores los cálculos se realizan combinando: Balances de materia Balance de energía Principios de la transferencia de calor.

29 Balances de materia y energía en un evaporador Q

30 Criterios de selección de evaporadores 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. Economía Calidad del producto Rendimiento del evaporador

31 PROBLEMA 1 En un evaporador de simple efecto se concentra una solución de NaOH a razón de 10.000 Kg/h, desde el 10% al 40 %. El vapor de calefacción es vapor de agua saturado a 3.4 atm absolutas y abandona la cámara de condensación a la temperatura de condensación. (Pabs = Patm + Pman) En la cámara de evaporación se mantiene una presión absoluta de 150 mmHg. Consideremos en primer lugar que el calor de dilución es despreciable. La pérdida de calor al exterior por convección y radiación son despreciables. El coeficiente integral de transferencia de calor vale 1700 kcal/m 2 h °C y el calor específico de la alimentación es Cp=0,9 Kcal/Kg °C. La disolución puede entrar al evaporador a : 30°C, 60 °C, 80°C. Determínese para cada una de las condiciones de entrada : a)Consumo de vapor vivo b)Superficie de calefaccion c)Economía del proceso

32 Totalsólidoliquido Solución diluida (F) 1000010009000 Producto concentrado (S) 250010001500 Agua evaporada (E) 7500 BALANCE DE MASA (Kg / h)

33 BALANCE ENTALPICO: Pabs = 150 mmHg = 0,20 Kg/cm 2  Teb = 60°C  evap  v - h l =(623,1 – 59,61  Kcal/Kg = 563,5 kcal/Kg Cámara de evaporación Cámara de condensación Pabs = 3,4 atm = 3,51 Kg/cm 2  Tcond = 138,2 °C  W  =Hv - hl =(652 –139) Kcal/Kg = 513 kcal/Kg

34 a) La alimentación entra a menor temperatura que la cámara de evaporación (tf < teb) La alimentación entra a la temperatura que la cámara de evaporación (tf = teb) La alimentación entra a mayor temperatura que la cámara de evaporación (tf > teb)

35 b) c) Donde  T util =138,2°C – 60°C = 59,6°C

36 Si después de algun tiempo, debido a las incrustaciones, el U disminuye a 1300 kcal/m 2 h °C y se mantienen las demás condiciones, calcular la presión a la que debe mantenerse la cámara de evaporación para que la capacidad sea la misma (E/A)

37 Si después de algun tiempo, debido a las incrustaciones, el U disminuye a 1300 kcal/m 2 h °C y se mantienen las demás condiciones, calcular las condiciones del vapor de calefacción si no varía la presión en la cámara de evaporación para que la capacidad sea la misma (E/A)

38 ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN Mientras que procede la evaporación, el licor que permanece en el evaporador se concentra y su punto de ebullición se eleva El grado de la elevación del punto de ebullición depende de la naturaleza del material que es evaporado y de los cambios de la concentración La elevación del punto de ebullición se puede calcular por la ley de Raoult:  T = kx donde:  T : es la elevación del punto de ebullición x : es la fracción molar del soluto k: es un constante de proporcionalidad.

39 La presencia de solutos provoca un incremento en el punto de ebullición Disoluciones acuosas Disoluciones acuosas Zumos

40 Para las disoluciones iónicas las desviaciones experimentales son grandes. En la práctica para el cálculo del incremento del punto de ebullición hacemos uso de la regla de Durhing. Regla de Durhing: si se representa el punto de ebullición de una disolución frente a la temperatura de ebullición del disolvente los puntos correspondientes a distintas presiones caerán sobre una recta (Diagrama de Durhing para el NaCl)

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42 54,8% 62,1% 43,1% 30,7% 20,2% 70 60 50 40 45556575 80 Temperatura de ebullición del agua (°C) Temperatura de ebullición de los zumos (°C) Zumo de tamarindo Gráficos de Dühring

43 Temperatura de ebullición de la solución, °C Temperatura de ebullición del H 2 O, °C 0% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% Teb disolución = f(Teb agua, %peso) Diagrama de Durhing para el Na(OH)

44 200 400 600 800 1.000 1007550 75 100 125 g sacarosa 100 g agua Temperatura de ebullición de agua (°C) Temperatura de ebullición de la solución (°C) Soluciones acuosa de sacarosa Gráficos de Dühring

45 DIAGRAMA ENTALPÁ CONCENTRACIÓN DEL SISTEMA Na(OH)-H 2 O Entalpía,Kcal/Kg solución % en peso de Na(OH)

46 PROBLEMA 2 En un evaporador de simple efecto se concentra una solución de NaOH a razón de 10.000 Kg/h, desde el 10% al 40 %. El vapor de calefacción es vapor de agua saturado a 3,4 atm absolutas y abandona la cámara de condensación a la temperatura de condensación. (Pabs = Patm + Pman) En la cámara de evaporación se mantiene una presión absoluta de 150 mmHg. La pérdida de calor al exterior por convección y radiación son despreciables. El coeficiente integral de transferencia de calor vale 1700 kcal/m 2 h °C y el calor específico de la alimentación es Cp=0,9 Kcal/Kg °C. La disolución puede entrar al evaporador a : 30°C. Determínese para cada una de las condiciones de entrada : a)Consumo de vapor vivo b)Superficie de calefaccion c)Economía del proceso

47 Totalsólidoliquido Solución diluida (F) 1000010009000 Producto concentrado (S) 250010001500 Agua evaporada (E) 7500 BALANCE DE MASA (Kg / h)

48 BALANCE ENTALPICO: Pabs = 150 mmHg = 0,20 Kg/cm 2  Teb = 60°C  evap  v - h l =(623,2 – 59,61  Kcal/Kg = 563,5 kcal/Kg Cámara de evaporación Cámara de condensación Pabs = 3,4 atm = 3,51 Kg/cm 2  Tcond = 138,3 °C  W  =Hv - hl =(651 –139) Kcal/Kg = 513 kcal/Kg Si no hubiera incremento en el punto de ebullición la disolución herviría A 60°C. Si embargo, cuando la solución de NaOH se concentra, el punto de ebullición aumenta. Del gráfico de Durhing para el NaOH

49 Temperatura de ebullición de la solución, °C Temperatura de ebullición del H 2 O, °C 0% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% Diagrama de Durhing para el Na(OH) 86 Teb (agua) = 60°C Xs= 0,4 Teb (conc) = 86°C

50 BALANCE ENTALPICO: Cámara de evaporación La disolución hierve a 86°C.Hay un incremento de : 86°C – 60°C = 26°C en el punto de ebullición,Δe = 26°C La entalpía del vapor generado=He=[ 623,2+ (0,46x26)]Kcal/Kg=635,2Kcal/Kg Del gráfico de Durhing para el NaOH Si Teb /agua pura = 60°C y x S = 0,40 →Teb = 86°C Y el  T util =138°C – 60°C – 26°C=52°C

51 DIAGRAMA ENTALPÁ CONCENTRACIÓN DEL SISTEMA Na(OH)-H 2 O Entalpía,Kcal/Kg solución % en peso de Na(OH) Xs= 0,4 Ts= 86°C hs= 91 kcal/kg Xf= 0,1 Tf= 30°C hf= 25 kcal/kg

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54 Sin considerar Δe Considerando Δe Δtutil (°C) 7853 W (kg/h) 87659243 A (m 2 ) 3454 Economía 0,860,81

55 Si después de algun tiempo, debido a las incrustaciones, el U disminuye a 1300 kcal/m 2 h °C y se mantienen las demás condiciones, calcular la presión a la que debe mantenerse la cámara de evaporación para que la capacidad sea la misma (E/A) Si U se reduce, y se mantienen E = 7500 kg/h, y A = 54m 2, ΔTutil AUMENTA Temperatura en la cámara de evaporación. Ts

56 Si U se reduce, la presión en la cámara de evaporación disminuye Del gráfico de Durhing para el NaOH Si Teb = 70°C y x S = 0,40 →Tagua pura = 44°C

57 Ejemplo 3 En un evaporador simple se tratan 15000 Kg/h de una disolución de NaOH al 10% que ha de concentrarse hasta el 50% en peso. El vapor empleado como medio de calefacción es vapor saturado a 3,5 atm y una vez condensado sale a la temperatura de condensación. El vacío mantenido en la cámara de evaporación es de 620 mmHg referido a la presión atmosférica normal. El coeficiente integral de transferencia de calor vale 1600 Kcal/m 2 h°C. Si la alimentación entra a 40°C y no se pierde calor al exterior, calcular: a)Consumo horario de vapor de calefacción b)Superficie de calefacción c)Economía

58 BALANCE DE MASA (Kg / h) Totalsólidoliquido Solución diluida 15000150013500 Producto concentrado 30001500 Agua evaporada 12000

59 Ejemplo 4 Una disolución de NaOH se concentra desde el 8% hasta el 25% en peso en un evaporador simple a razón de 3000 Kg/h. Antes de entrar la disolución en el evaporador se calienta en un cambiador de calor hasta 70ºC, empleando como medio de calefacción el condensado que sale de la cámara de condensación. Para la calefacción del evaporador se emplea vapor saturado 108ºC manteniéndose la cámara de evaporación a la presión absoluta de 90 mmHg. Determínese el coeficiente integral de transmisión de calor U sabiendo que la superficie de calefacción es de 20 m 2.

60 Condensadores En los evaporadores que trabajan bajo presión reducida, la bomba de vacío va precedida por un condensador que elimina la mayor parte del vapor condensándolos a un líquido Un condensador es un equipo de transferencia de calor utilizado para licuar vapores eliminando su calor latente El calor latente se retira absorbiéndolo con un líquido más frío denominado refrigerante

61 Los condensadores se dividen en dos clases: 2. Condensadores de contacto a. Condensadores de superficie Los condensadores de superficie proporcionan suficiente superficie de transmisión de calor para que el vapor ceda el calor latente de vaporización al agua de enfriamiento En un condensador de jet, los vapores se mezclan con una corriente del agua del condensador en cantidad suficiente para absorber el calor latente de los vapores. 1. Condensadores de tubo y coraza b. Condensadores de chorro (jet). El vapor condensante y el refrigerante están separados por una superficie tubular de transferencia de calor Las corrientes de vapor y refrigerante (ambas son por lo general agua) se mezclan físicamente y abandonan el condensador formando una sola corriente

62 EJEMPLO 5. Agua requerida en un condensador de jet para un evaporador ¿Cuánto agua sería requerida en un condensador de jet para condensar los vapores procedentes de un evaporador que evapora 5000 kilogramos h -1 de agua con un vacío de 15 cm de mercurio? El agua de condensación está disponible a 18°C y la temperatura permisible más alta para el agua descargada del condensador es de 35°C. Balance de calor La presión en el evaporador es de 15 cm de mercurio = = Z  g = 0.15 x 13.6 x 1000 x 9.81 = 20 kPa A partir de las tablas de vapor, la T de condensación del agua a 20 kPa es 60°C y el de vaporización es de 2358 kJ kg -1

63 Calor extraído en el condensado = 2358 x 10 3 + (60 - 35) x 4.186 x 10 3 = = 2.46 x 10 6 J kg -1 Calor absorbido por el agua de vaporización = (35 - 18) x 4.186 x 10 3 = = 7.1 x 10 4 J kg -1 Cantidad de calor necesario por hora = 5000 x 2.46 x 10 6 J  la cantidad de agua de refrigeración necesaria por hora será: = (5000 x 2.46 x 10 6 )/7.1 x 10 4 = = 1.7 x 10 5 kg

64 EJEMPLO 6: Área del intercambio de calor para un condensador superficial para un evaporador ¿Cuál es el área del intercambio de calor requerida para un condensador de superficie operando bajo las mismas condiciones que el condensador de jet del ejemplo 2, si se asume que el valor de U es 2270 J m -2 s -1 °C -1, y despreciando cualquier sobreenfriamiento del líquido? Si las diferencias de la temperatura son pequeñas, se pueden utilizar las medias aritméticas de las temperaturas Diferencia de temperatura media :(60 - 18)/2 + (60 - 35)/2 = 33.5°C. Cantidad de calor requerido por el condensado: UA  T 5000 x 2.46 x 10 6 = 2270 x A x 33.5 x 3600 Área de transferencia de calor requerida = 45 m2 Este sería un condensador muy grande, por este motivo frecuentemente se prefieren los condensadores de jet