FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES TUBULARES

Las principales características de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de libras de agua evaporada por hora. La economía es el número de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la unidad. En un evaporador de simple efecto la economía es siempre algo menor que la unidad, pero en los evaporadores de múltiple efecto puede se considerablemente mayor. También es importante el consumo de vapor, en libras por hora, que es igual a la capacidad dividida por la economía.

• CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR

La velocidad de transmisión de calor q a través de la superficie de calefacción de un evaporador, de acuerdo con la definición del coeficiente global de transmisión de calor dada por la Ecuación (11.9), es igual al producto de tres factores: el área A de la superficie de transmisión de calor, el coeficiente global de transmisión de calor U, y la caída global de temperatura AT, o sea q = U A A T.

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Si la alimentación que entra en el evaporador está a la temperatura de ebullición correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor, todo el calor transmitido a través de la superficie de calefacción es utilizado en la evaporación y la capacidad es proporcional a q. Si la alimentación está fría, el calor que se requiere para calentarla hasta su temperatura de ebullición puede ser bastante grande y, consecuentemente, se reduce la capacidad para un valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para calentar la alimentación no está disponible para la evaporación. Por el contrario, si la alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición en el espacio de vapor, una parte de la alimentación se vapora espontáneamente mediante equilibrio adiabático con la presión del espacio de vapor y la capacidad es superior a la correspondiente.

• EFECTO DE LA CARGA DE LÍQUIDO Y DE LA FRICCIÓN SOBRE LA

CAÍDA DE TEMPERATURA

Este proceso recibe el nombre de evaporación de flash. La caída real de temperatura a través de la superficie de calefacción depende de la disolución que se evapora, de la diferencia de presión entre la cámara de vapor y el espacio de vapor situado encima del líquido en ebullición, así como de la altura de líquido sobre la superficie de calefacción. En algunos evaporadores la velocidad del líquido en los tubos también influye sobre la caída de temperatura debido a que la pérdida por fricción en los tubos aumenta la presión efectiva del líquido. Cuando la disolución tiene las características del agua pura, su temperatura de ebullición puede obtenerse a partir de las tablas del vapor de agua conocida la presión. Sin embargo, en los evaporadores reales la temperatura de ebullición de una disolución está afectada por dos factores: el ascenso del punto de ebullición y la carga del líquido.

• ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN Y REGLA DE DÜHRING

La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presión dada, la temperatura de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura. El aumento del punto de ebullición sobre el del agua se conoce con el

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nombre de elevación del punto de ebullición de la disolución. Es pequeño para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides orgánicos pero puede alcanzar un valor de hasta 150 “F para disoluciones concentradas de sales inorgánicas. La elevación del punto de ebullición tiene que restarse de la caída de temperatura que se predice a partir de las tablas del vapor de agua. Para disoluciones concentradas la elevación del punto de ebullición se obtiene mejor a partir de una regla empírica conocida como regla de Diihring, según la cual la temperatura de ebullición de una determinada disolución es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión. Por tanto, si se representa la temperatura de ebullición de la disolución frente a la del agua a la misma presión se obtiene una línea recta. Para diferentes concentraciones resultan diferentes rectas. Para todo el intervalo de presiones la regla no es exacta, pero para un intervalo moderado las líneas son aproximadamente rectas aunque no necesariamente paralelas.es un conjunto de líneas de Dühring para disoluciones de hidróxido sódico en agua6. La utilización de esta figura se puede ilustrar mediante un ejemplo. Si la presión sobre una disolución de hidróxido sódico al 25 por 100 es tal que el agua hierve a 180 “F, leyendo sobre el eje x para 180 “F en la línea de la disolución del 25 por 100, se encuentra horizontalmente en el eje y que la temperatura de ebullición de la disolución a esta presión es 200 “F. La elevación del punto de ebullición de la disolución para esta presión es, por tanto, 20 “F.

• EFECTO DE LA CARGA DE LÍQUIDO Y DE LA FRICCIÓN SOBRE LA

CAÍDA DE TEMPERATURA

Si la profundidad de líquido en un evaporador es apreciable, el punto de ebullición correspondiente a la presión en el espacio de vapor es el punto de ebullición solamente de las capas superficiales del líquido. Una gota de líquido situada a una distancia de 2 pies por debajo de la superficie está sometida a la presión del espacio de vapor más una carga de Z pies de líquido y, por consiguiente, tiene un punto de ebullición más elevado. Además, cuando la velocidad del líquido es grande, las pérdidas por fricción en los tubos aumentan todavía más la presión media del líquido. Por tanto, en un evaporador real el punto medio de ebullición del líquido en los tubos

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es superior al punto de ebullición correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor. Este aumento del punto de ebullición disminuye la caída media de temperatura entre el vapor de agua condensante y el líquido y reduce la capacidad. La reducción no puede estimarse cuantitativamente con precisión, pero el efecto cualitativo de la carga de líquido, especialmente con elevadas alturas de líquido y grandes velocidades, no puede ignorarse. relaciona las temperaturas en un evaporador con la distancia a lo largo del tubo, medida desde el fondo. El diagrama corresponde a un evaporador de tubos largos verticales con flujo ascendente del líquido. El vapor de agua entra en el evaporador por la parte superior de la camisa de vapor que rodea a los tubos y circula hacia abajo. El vapor de agua que entra puede estar ligeramente sobrecalentado a la temperatura Th. El sobrecalentamiento desaparece rápidamente y el valor desciende hasta la temperatura de saturación Tr En la mayor parte de la superficie de calentamiento esta temperatura permanece invariable.

Antes de que el condensado abandone el espacio del vapor de agua puede enfriarse ligeramente hasta la temperatura Tc. se muestra la historia de temperatura de la disolución en los tubos representada por las líneas abc y ab’c. La primera corresponde a bajas velocidades, del orden de 3 pie& y la última a velocidades elevadas, superiores a 10 pies/s, estando ambas velocidades basadas sobre el flujo que entra por la parte inferior de los tubos2. Se supone que la alimentación entra en el evaporador a aproximadamente la temperatura de ebullición del líquido para la presión del espacio de vapor, y se representa por T. Por tanto, el líquido que entra en el tubo está a la temperatura T, tanto si el flujo es de un solo paso como de circulación. A velocidades elevadas, el fluido permanece prácticamente líquido hasta el final del tubo y en las últimas pulgadas del mismo se escinde en una mezcla de líquido y vapor. La máxima temperatura del líquido corresponde al punto b’ de la, casi a la salida del tubo.

Para bajas velocidades, la escisión del líquido se produce cerca del centro del tubo y alcanza la máxima temperatura en el punto b de la. El punto b divide el tubo en dos secciones, una sección sin ebullición por debajo del punto b y una sección con ebullición por encima de este punto. Tanto para

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altas como para bajas velocidades el vapor y el líquido concentrado alcanzan el equilibrio para la presión existente en el espacio de vapor. Si el líquido tiene una elevación apreciable del punto de ebullición, la temperatura

T es mayor que T’, el punto de ebullición del agua pura a la presión del

espacio de vapor. La diferencia entre T y T’ es la elevación del punto de ebullición (BPE). La caída de temperatura, corregida para la elevación del punto de ebullición, es T, - T. La verdadera caída de temperatura, corregida para tener en cuenta la elevación del punto de ebullición y la carga estática, está representada por la separación media entre T, y la temperatura variable del líquido. Aunque se dispone de algunas correlaciones’ para determinar la verdadera caída de temperatura a partir de las condiciones de operación, generalmente su valor no está disponible para el diseñador y se utiliza la caída neta de temperatura, corregida solamente para la elevación del punto de ebullición. La historia del fluido en el tubo se representa , en la que se representa la presión frente a la distancia desde el fondo del tubo. La velocidad es tal que la ebullición comienza dentro del tubo. La caída total de presión en el tubo, despreciando los cambios de energía cinética, es la suma de la carga estática y la pérdida por fricción. La mezcla de vapor y agua en la sección de ebullición tiene una velocidad elevada, y la pérdida de fricción en esta sección es grande. Tal como muestran las curvas de la presión varía suavemente en la sección donde no hay ebullición, donde la velocidad es baja, y rápidamente en la sección de ebullición, donde la velocidad es elevada.

• COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN DE CALOR

Tal como muestra la Ecuación, la densidad de flujo de calor y la capacidad del evaporador están afectadas tanto por la caída de temperatura como por el coeficiente global de transmisión de calor. La caída de temperatura está fijada por las propiedades del vapor de agua y del líquido que hierve y, excepto por lo que respecta a la carga hidrostática, no depende de la construcción del evaporador. Por otra parte, el coeficiente global está fuertemente influenciado por el diseño y la forma de operación del evaporador. Tal como se ha visto en el Capítulo 11, Ecuación (11.35), la resistencia global a la transmisión de calor entre el vapor de agua y el líquido

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en ebullición es la suma de cinco resistencias individuales: la resistencia de la película de vapor; las dos resistencias de las costras, interior y exterior de los tubos; la resistencia de la pared del tubo; y la resistencia del líquido en ebullición. El coeficiente global es el inverso de la resistencia total. En la mayoría de los evaporadores el factor de ensuciamiento del vapor de agua condensante y la resistencia de la pared del tubo son muy pequeños, y generalmente pueden despreciarse en el cálculo de evaporadores. En un evaporador de película agitada la pared del tubo es bastante gruesa, de forma que su resistencia puede ser una parte importante de la resistencia total.

• COEFICIENTES DE LA PELÍCULA DE VAPOR.

El coeficiente de la película del vapor de agua es elevado, aun para la condensación en película. A veces se adicionan promotores al vapor de agua para provocar la condensación en gotas y aumentar todavía más el coeficiente. Puesto que la presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el coeficiente de película del vapor, es preciso tomar precauciones para purgar los no condensables de la caja de vapor y prevenir la entrada de aire cuando el vapor de agua está a una presión inferior a la atmosférica.

• COEFICIENTES DEL LADO DEL LÍQUIDO

El coeficiente del lado del líquido depende en gran medida de la velocidad del líquido sobre la superficie de calefacción. En la mayoría de los evaporadores, y especialmente en los que tratan materiales viscosos, la resistencia del lado del líquido controla la velocidad global de transmisión de calor hacia el líquido en ebullición. En los evaporadores de circulación natural el coeficiente del lado del líquido para disoluciones acuosas diluidas, tal como se indica en el Capítulo 15, está comprendido entre 200 y 600 Btu/pie’-h-“F. La densidad de flujo de calor puede estimarse de forma conservadora, a partir de la, para disoluciones que no generen ensuciamiento. La circulación forzada conduce a coeficientes elevados del lado del líquido aun cuando la ebullición dentro de los tubos es suprimida por la elevada carga estática. El coeficiente del lado del líquido en un

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evaporador de circulación forzada puede estimarse a partir de la Ecuación (12.31) para la transmisión de calor hacia un líquido que no hierve, sí la constante 0,023 se cambia por 0,028 l. La formación de costras sobre los tubos de un evaporador añade una resistencia térmica equivalente a un factor de ensuciamiento.

• COEFICIENTES GLOBALES

Debido a la dificultad de medir los elevados coeficientes de película individuales en un evaporador, los resultados experimentales generalmente se expresan en función de coeficientes globales, que están basados en la caída neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevación del punto de ebullición. Los coeficientes globales están, por supuesto, influenciados por los mismos factores que los coeficientes individuales; pero, sí una resistencia (tal como la de película del líquido) es controlante, variaciones importantes de las demás resistencias apenas tendrían efecto sobre el coeficiente global. se presentan coeficientes globales típicos para diferentes tipos de evaporadores. Estos coeficientes se aplican a condiciones en las que ordinariamente operan los distintos evaporadores. Una pequeña acumulación de costras reduce el coeficiente a una pequeña fracción de los valores para tubos limpios. Un evaporador de película agitada produce un coeficiente aparentemente bajo con un líquido de una viscosidad de 100 P pero este coeficiente es mucho mayor que el que podría obtenerse con cualquier otro tipo de evaporador que tratase un material tan viscoso. En los evaporadores de circulación natural el coeficiente global es sensible a la caída de temperatura y a la temperatura de ebullición de la disolución. Con líquidos de baja viscosidad los coeficientes de transmisión de calor son elevados, del orden de 1000 a 2000 Btu/pie2-h-“F para agua. En los manuales normales5’ 9ª se pueden encontrar datos representativos

• ECONOMÍA DE UN EVAPORADOR

El principal factor que influye sobre la economía de un evaporador es el número de efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía de vaporización del vapor de agua que entra en el primer efecto puede utilizarse una o más veces dependiendo del número de efectos. La

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economía también está influenciada por la temperatura de la alimentación. Si la temperatura es inferior a la de ebullición en el primer efecto, para el calentamiento de la carga se utiliza una parte de la entalpía de vaporización del vapor de agua y solamente una parte queda disponible para la ocupación. Si la alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición, la vaporización súbita que se produce contribuye a generar una evaporación adicional a la producida por la condensación del vapor de agua. Desde el punto de vista cuantitativo la economía de un evaporador es totalmente una cuestión de balances de entalpía.