4 4 Unidad 4 - Operación de Evaporación - Ing de Procesos 2023-1

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INGENIERÍA DE PROCESOS
Unidad 4
Carrera de Ingeniería Industrial
Unidad 4
Procesos de Manufactura
PARTE 4
BALANCE DE MASA Y ENERGÍA EN LA OPERACIÓN DE EVAPORACIÓN
EVAPORACIÓN
VIDEO INTRODUCTORIO
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EVAPORACIÓN:
En términos generales la evaporación es la formación de vapor por adición de calor o reducción de la presión
El caso particular que estudiaremos es la evaporación con la finalidad de concentrar , es decir, aumentar la concentración de un soluto en una solución líquida (acuosa) por pérdida de agua
Aplicaciones:
 Producción de azúcar, sal, soda cáustica, glicerina
Producción de leche, jugo de naranja, concentrados de frutas
En este caso el producto deseado es la solución concentrada
Producción de agua potable a partir de agua de mar
En este caso el producto deseado es el vapor que se condensa obteniendo agua libre de sales
Funcionamiento de los evaporadores
Una solución diluida (alimentación) ingresa al evaporador, recibe calor y parte del agua se evapora
En el evaporador se forman dos corrientes: solución concentrada y vapor de agua
El calor suministrado proviene de la condensación de un vapor de calentamiento o calefacción que circula a través de tubos sin entrar en contacto con la solución. 
La temperatura de este vapor de calentamiento debe ser superior a la temperatura de la disolución para que ocurra una transferencia de calor.
El tipo de maquinaria usada depende de la superficie para la transferencia de calor, así como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido
Maquinaria o equipo: EVAPORADORES
De efecto simple 
De efecto múltiple con flujo en paralelo 
(alimentación hacia adelante)
De efecto simple con reciclo parcial del vapor
Marmita (por lote)
Evaporador de efecto simple
Balance de masa
Alimentación F (kg/h)
xsF, xagF
Vapor V(kg/h)
Solución concentrada L(kg/h)
xsL, xagL
Vapor de calentamiento S (kg/h)
Condensado 
 S (kg/h)
xsF F = xsL L
xvV= 1
Balance de masa total:
Balance de sólidos:
 F = V + L
Evaporador de efecto simple
Balance de energía
Alimentación F
xsF, xagF
TF , hF
Vapor V
xvV 
Tv, hv
Solución concentrada L
xsL
TL, hL
Vapor de calentamiento S
TS
hg
Condensado S
TS
hf
 T 	 temperatura
 x 	 fracción en masa
 h 	 entalpía específica de cada corriente (kJ/kg)
Entalpías
Tref
Alimentación F
hF
TF
Vapor V
hV
TV
Solución concentrada L
 hL
TL
PE  presión del evaporador
Para calcular entalpías cuando no se tiene tablas, se establece según estado de referencia:
Consideraciones:
El evaporador funciona a determinada presión:
TL = Tv = Tsat
A la presión del evaporador se conoce la temperatura de ebullición (sat). Hay un equilibrio térmico entre vapor y líquido:
F  alimentación, solución líquida a TF
L  solución concentrada, líquido saturado a Tsat (Tebu)
V  vapor de agua saturado, Tsat
Entalpías
Alimentación F
hF
TF
Vapor V
hV
TV
Solución concentrada L
 hL
TL
Esta ecuación se aplica según el estado y temperatura de la mezcla y siempre con respecto a un estado de referencia.
F (líquido subenfriado) 
 hF = (CPF) (TF – Tref) = (xss CPss + Xag CP ag) (TF – Tref)
L (líquido saturado)
hL = (xss CPss + xag CPag)(TL – Tref) 
V (vapor saturado)
hV = CPliq (Tebu –Tref) + hfg
Balance de energía: 
Q = LhL + VhV - FhF
Q = L(0) + V hfgTsat - F(hF)
QR = V hfgTv - FcPF (TF - Tref) 
Calor requerido para la concentración
Alimentación F
hF
TF
Vapor V
hV
TV
Solución concentrada L
 hL
TL
S
Tsat , hg
S
Tsat, hf
Calor suministrado por el vapor de calentamiento S (kg/h)
 QS = S (hg - hf)
Qs= S hfgTs 
Es un calor de condensación
Si Tref = TL = Tsat
estado agua líquida y sustancia disuelta
TS  temperatura del vapor de calentamiento
hL = 0 está a Tref
Entalpías
Alimentación F
hF
TF
Vapor V
hV
TV
Solución concentrada L
 hL
TL
F (líquido subenfriado) 
 hF = (CPF) (TF – Tref) = (xss CPss + Xag CP ag) (TF – 0)
L (líquido saturado)
hL = (xss CPss + xag CPag)(TL – 0) = 0
V (vapor saturado)
hV = hg tablas de propiedades del agua
Si Tref = 0
estado agua líquida y sustancia disuelta
Balance de energía: 
Calor requerido para la concentración
Calor suministrado por el vapor de calentamiento S (kg/h)
 QS = S (hg - hf)
Qs= S hfgTs 
QR = V hgTv + L hL - F hF 
Pérdidas de calor
Alimentación F
xsF, hF
TF
Vapor V
hV
TV
Solución concentrada L
xsL, hL
TL
Vapor de calentamiento S
TS
hg
Condensado S
TS
hf
Calor perdido
Q perdido = Q suministrado - Q requerido
Generadores de vapor y calderas
El vapor, para el calentamiento, se produce en intercambiadores de calor en los cuales se quema un combustible generándose gases muy calientes que transmiten el calor al agua de alimentación, la misma que cambia de estado convirtiéndose en vapor:
Caldera: produce vapor saturado
Generador de vapor: produce vapor sobrecalentado
Caldero (a)
Máxima cantidad de calor que entrega un combustible por unidad de masa o volumen
vapor
Líquido comprimido
Produce vapor de agua por transmisión de calor desde los humos que se generan en la combustión
 = (
 = (
Cuando el vapor de agua condensa, cede calor el cual se aprovecha para calentar a otro sistema
Puede considerarse que la condensación ocurre a presión constante
 
S
Quemador
combustible
aire
Evaporador
Caldera
Valor de calentamiento
 Se produce en una caldera
CALDERA
)
 Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante energía pues el calor latente del vapor producido no se utiliza en alguna parte del proceso de evaporación
 Una parte de este calor podría recuperarse y utilizarse en evaporadores de múltiple efecto, como se muestra a continuación
Desventajas del evaporador de simple efecto
Evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia adelante
1
2
3
Línea de condensados
Vapor vivo
F 
solución diluida
L
solución concentrada
V1
V2
V3
P1  P2  P3
 El evaporador del primer efecto funciona a temperatura lo suficientemente alta (alta presión) como para que el agua que se evapora en el mismo sirva como medio de calentamiento del segundo efecto
Presiones:
Bomba de vacío
En el segundo efecto se evapora agua que se utiliza para el calentamiento del tercer efecto
En resumen, por cada kilo de vapor vivo alimentado al primer efecto se producen 3 kilos de vapor de agua, lo que redunda en un aumento de la economía de vapor de agua
Este método se emplea cuando la alimentación está caliente o cuando el producto concentrado puede dañarse a temperaturas muy altas 
Las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto, lo que significa que la presión en cada uno de ellos también debe ir “cayendo”, pudiendo alcanzarse presiones de vacío en el tercer efecto. Para ello, la corriente V3 debe conectarse a una bomba de vacío o eyector. 
Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en contracorriente
1
2
3
Línea de condensados
Vapor vivo
F 
solución diluida
L
solución concentrada
Bombas: se utilizan debido a que el flujo va de menor a mayor presión
P1  P2  P3
La alimentación F ingresa al último efecto que es el que está más frío
Presiones:
Evaporador con reciclo parcial del vapor (con termocompresión)
Alimentación F
xF, hF
TF
Vapor V
hV
T1
Solución concentrada L
xL, hL
T1
Vapor de calentamiento S
TS
hg
Condensado S
TS
hf
En el punto mezcla del vapor reciclado con el vapor vivo:
Vapor vivo de la caldera S’
TSS
hSS
Vapor V’
HV
T1
Balance de energía VhV + S’hSS = Shg
Balance de masa V’ + S’ = S
S
Quemador
combustible
aire
Evaporador
Caldera
7) Se utiliza un evaporador de efecto simple a una presión de 85 kPa para concentrar 4535 kg/h de una solución de azúcar de caña a 26.7oC que tiene inicialmente 15% de sacarosa hasta 30%, para usarla en la fabricación de un producto alimenticio. Para el calentamiento se dispone de vapor saturado a 115oC que proviene de una caldera en donde los gases de combustión (CO2: 18%, O2: 6%; N2: 69%y 7% H2O -% molar) ceden calor al enfriarse de 600oC a 200oC y el calor cedido lo entregan al agua de alimentación de la caldera para producir el vapor. 
Calcule los flujos de vapor y solución concentrada que salen del evaporador, kg/h. 
Halle el flujo de vapor de calentamiento, kg/h. 
Determine el flujo de gases de combustión que deben ceder su calor, si las pérdidas de calor son despreciables, kmol/h
 Datos: CP (sacarosa) = 2.35 kJ/kg.oC CP (agua) = 4.18 kJ/kg.oC 
 Utilice las tablas de entalpía de gases
Bibliografía:
Título: Principios elementales de los procesos químicos. 
Autor: Felder, Richard M. y Rousseau, Ronald W. Editorial LIMUSA. 2011. Capítulo 8 (pg. 300-425)