UNIVERSIDAD DE COLIMA

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

INGENIERO QUÍMICO METALÚRGICO

GUIA DE ESTUDIOS PARA EVAPORACIÓN

MATERIA: TRANSFERENCIA DE MASA 1

PROFESOR: PEDRO HINOJOSA RODRÍGEZ

ALUMNO: MACÍAS ÁLVAREZ JUAN NOÉ.

14/SEPTIEMBRE/2015

I.- SIGNIFICADO DEL TERMINO EVAPORACION.

1. Definir evaporación según se entiende tanto en la física como en la industria.

En física. La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. El movimiento térmico de una molécula de líquido debe ser suficiente para vencer la tensión superficial y evaporar, esto es, su energía cinética debe exceder el trabajo de cohesión aplicado por la tensión superficial a la superficie del líquido. Por eso, la evaporación acontece más rápidamente a altas temperaturas, a altos caudales entre las fases líquidas y vapor y en líquidos con bajas tensiones superficiales (esto es, con presión de vapor más elevado).

En la industria. Vista como una operación unitaria, la evaporación es utilizada

para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución o suspensión líquida

para así obtener una solución concentrada. Se puede hacer por calentamiento o a

presión reducida.3 En la gran mayoría de los casos, la evaporación vista como

operación unitaria se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.

La evaporación en vacío es usada en la industria alimentaria para la conservación

de alimentos, y en otras industrias, para el recubrimiento de diversos materiales.

2. Definir vaporización, ebullición y sublimación según se entiende en la física.

La vaporización es el nombre que recibe el proceso en el cual un fluido pasa del estado líquido al gaseoso, es decir, como consecuencia de la acción del calor sobre el líquido en cuestión es que el líquido asumirá el estado de gaseoso.

La ebullición es el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión de la materia en estado líquido al estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la materia, ya como gas.

Es un método de separación de fases donde una de éstas debe poder pasar del estado sólido al gaseoso sin tener que pasar por el líquido, como lo hacen el Yodo, la naftalina y el hielo seco. Cuando una de estas fases sublima, se separa de la otra. Solo se puede usar con sustancias que tengan esta propiedad.

3. Definir soluto y solvente.

En una solución, la sustancia disuelta se llama soluto. La sustancia en la cual se disuelve el soluto se llama disolvente. Cuando la cantidad relativa de una sustancia en una solución es mucho más grande que la otra, la sustancia presente en mayor cantidad se considera generalmente como el disolvente. Cuando las cantidades relativas son de mismo orden de magnitud es arbitrario especificar cuál de las sustancias es el disolvente. El soluto será el que tenga la presión de vapor mas baja.

4. Definir solución verdadera, solución coloidal y suspensión.

Se considera una solución verdadera “cuando las partículas del soluto están entre mezcladas con las partículas del solvente” cuando en alguna sustancia sus partículas se atraen entre si y se agrupan dispersando en otra sustancia se forma una mezcla que no es verdadera, siendo un coloide o suspensión.

Una solución coloidal son sistemas intermedios entre las mezclas homogéneas (soluciones) y heterogenias (suspensiones). El estado coloidal se caracteriza por estar constituido por partículas muy pequeñas como para sedimentarse y demasiado grande como para formar una solución verdadera. Las solución coloidal “son mezclas constituidas por dos fases de material” “la fase se dispersa y la fase continua”

Las suspensiones son mezclas heterogéneas, formadas por una sustancia dispersa en otra, y al dejarse reposar la mezcla, las partículas se sedimentan en el fondo. Las fases que constituyen una suspensión son apreciables a simple vistan y al pasarla a través de un papel filtro o membrana, se puede separar uno de sus componentes.

5. Enunciar el agente de separación y la propiedad explotada en una vaporización.

Agente: Calor transmitido y Presión.Propiedad Explotada: Punto de ebullición del solvente.

6. Enunciar las dos posibles aplicaciones de una evaporación y dar ejemplos industriales de cada uno de ellos.

Industria Lechera: Leche entera y descremada, Leche condensada, Proteínas de la leche, Permeados lácteos, Mezclas de productos lácteos, Mantecas, Suero de queso, Suero de queso previamente cristalizado, Proteínas de suero, Permeados de suero, Soluciones de lactosa, Dulce de leche de producción continua y discontinua.

Industria de Jugos de Fruta: Leche de soja, Jugo de manzana, de naranja y otros citrus, Jugos mezclas, de tomates, de zanahoria

Hidrolizados: Proteína Hidrolizada, Proteína láctea hidrolizada, Suero hidrolizado, Molienda húmeda del maíz, Jarabe de glucosa, Jarabe de Dextrosa 42 y 55, Agua de Macerado.

Industria Frigorífica: Extracto de carne y huesos, Plasma sanguíneo.

Extractos: Extractos de café o té, de carne o hueso, de malta, de levaduras.

Industria Avícola: Concentración de huevo entero, Concentración de clara de huevo.

Otras: Vinazas alcohólicas.

7. Relacionar rapidez de evaporación con transferencia de calor ya sea al aire libre o en espacios cerrados.

La velocidad de evaporación depende de la temperatura: a mayor temperatura, mayor velocidad de evaporación. La operación de evaporación básicamente implica transferencia de energía (calor para la vaporización y la condensación). La rapidez de evaporación de substancias, como el éter, depende de las fuerzas que unen sus moléculas. Por eso, un líquido con moléculas débilmente enlazadas se evaporará más fácilmente que otro en igualdad de condiciones. Es como si algunos líquidos “resistiesen” más a la separación de sus moléculas debido a la fuerza de atracción intermolecular existente.

8. Enunciar tres razones prácticas por las cuales se selecciona la evaporación como proceso de separación.

La construcción simple. Operaciones de limpieza fáciles. Coeficiente de transferencia de calor elevados. Opera a diferencias pequeñas de temperatura. Tiempo de residencia cortos (adecuado para productos termo sensibles). Se reducen los requerimientos de instrumentalización.

9. Enunciar otras operaciones de separación mediante las cuales se puedan lograr los mismos objetivos que en una evaporación.

Decantación, Filtración, Destilación, Centrifugación, Cristalización, Cromatografía.

10.Distinguir evaporación de cristalización, secado y destilación.

Hay otras Operaciones Básicas similares en cuanto a la transferencia de materia y energía, pero en las que se persigue un fin distinto. Así, la evaporación se diferencia del Secado en que el residuo es un líquido en vez de un sólido; de la destilación, en que el vapor es generalmente de un solo componente, y aunque fuese una mezcla, en la evaporación no se pretende separar en fracciones; de la cristalización, en que el interés se centra en concentrar una disolución, pero no en la obtención y crecimiento de los cristales. En algunos casos, como en la evaporación de salmuera para obtener sal común, no hay una separación muy marcada entre evaporación y cristalización.

CRISTALIZACIÓN: Separación de un sólido soluble y la solución que lo contiene, en forma de cristales. Los cristales pueden formarse de tres maneras:

• Por fusión: para cristalizar una sustancia como el azufre por este procedimiento, se coloca el azufre en un crisol y se funde por calentamiento, se enfría y cuando se ha formado una costra en la superficie, se hace un agujero en ella y se invierte bruscamente el crisol, vertiendo el líquido que queda dentro. Se observará una hermosa malla de cristales en el interior del crisol.

• Por disolución: Consiste en saturar un líquido o disolvente, por medio de un sólido o soluto y dejar que se vaya evaporando lentamente, hasta que se han formado los cristales. También puede hacerse una disolución concentrada en caliente y dejarla enfriar. Si el enfriamiento es rápido, se obtendrán cristales pequeños, y si es lento, cristales grandes.

• Sublimación: Es el paso directo de un sólido gas, como sucede con el Iodo y la naftalina al ser calentados, ya que al enfriarse, los gases originan la cristalización por enfriamiento rápido.

DESTILACIÓN: Es el proceso mediante el cual se efectúa la separación de dos o más líquidos miscibles y consiste en un a evaporación y condensación sucesivas, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada uno de los líquidos, también se emplea para purificar un líquido eliminando sus impurezas.

SECADO: Separa pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material sólido con el fin de reducir el contenido líquido residual hasta un valor bajo.

11.¿La evaporación es un fenómeno espontaneo o antinatural?

La evaporación del agua es un proceso espontáneo, porque no se tiene que provocar.

12.Enunciar, en términos científicos, el significado de evaporación en la industria.

Es una operación que se encarga de separar mediante la ebullición, un disolvente volátil en una o varias solutos no volátiles.

Acción de evaporar o evaporarse parcialmente un líquido por debajo de la temperatura de ebullición

II. VAPORIZACION DE SOLUCIONES VERDADERAS.

1. Describir el fenómeno de vaporización de un líquido tanto en recipiente abierto como en uno cerrado, considerando inclusive el caso en que si el líquido se encuentre a la temperatura de ebullición normal.

En uno abierto se tendrá que aplicar más temperatura que en un sistema cerrado debido al efecto de la presión.

A menor presión, menor temperatura para lograr la ebullición.

2. Definir vapor y gas.

Se definirá a un gas como el estado de agregación de la materia en que esta no tiene una forma determinada a causa de la libre movilidad de sus moléculas sino que llena completamente cualquier espacio en que se sitúe (es decir llena totalmente el volumen del recipiente que lo contiene). Teóricamente cualquier sustancia puede transformase en un gas a una temperatura suficientemente alta (de todas maneras algunas sustancia pueden descomponerse ante de llegar al estado gaseoso).

Un vapor, si bien tiene el mismo estado de agregación del gas, se diferencia de este que al ser comprimirlo isotérmicamente, al llegar a una presión determinada (que se denominará presión de saturación, Ps y que depende de la sustancia y de la temperatura a la cual se realiza la compresión) comienza a licuar, pasando al estado líquido.}

3. Definir presión de vapor de un líquido y temperatura de ebullición normal.

Es la presión de un sistema cuando el sólido o líquido se hallan en equilibrio con su vapor.

Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión  se divide la fuerza total por la superficie en contacto.

El punto normal de ebullición se define como el punto de ebullición a una presión total aplicada de 101.325 kilo pascales (1 atm); es decir, la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a una atmósfera. El punto de ebullición aumenta cuando se aplica presión. Para las sustancias que hierven en el intervalo de la temperatura ambiente, la tasa de cambio del punto de ebullición con la temperatura ambiente, la tasa

de cambio del punto de ebullición con la temperatura es de aproximadamente 0.3º/kPa o 0.04º/mm Hg (donde la presión es aproximadamente de una atmósfera).

4. Enunciar las variables de las cuales depende la velocidad de vaporización de un líquido al aire libre y en un recipiente cerrado.

Evaporización al aire libre: Sustancia, Tiempo, Recipiente y Presión.

Evaporización en un recipiente cerrado: Temperatura, Presión, Sustancia.

La evaporación del agua puede producirse prácticamente a cualquier temperatura entre 0 y 100 ºC a la presión atmosférica. En la evaporación, las moléculas de agua que adquieren suficiente energía cinética pueden escapar de la atracción de las otras moléculas y pasar a la atmósfera. Lógicamente cuanto mayor sea la temperatura del sistema la proporción de moléculas que se escapa será mayor. Este fenómeno depende también de la humedad relativa del aire, puesto que al igual que hay moléculas que escapan hay otras que pasan de la atmósfera al sistema líquido: se produce un equilibrio.

En la ebullición, todo el sistema líquido está a la temperatura de 100ºC y todas las moléculas tienen una energía cinética elevada, por tanto el proceso por el que se liberan unas moléculas de la atracción de las otras es muy rápido. Grandes cantidades de sistema se "evaporan" a la vez, se forman burbujas de vapor de agua que se escapan a la atmósfera.

5. Cuando se dice que un sistema líquido-vapor se encuentra en equilibrio.

El equilibrio se produce en sistemas a presión y temperatura constante. La temperatura debe de ser uniforme e igual a la de los alrededores en sistemas no adiabáticos. Estado estacionario y equilibrio son conceptos diferentes. La presión debe de ser la misma en todos los puntos del sistema. En caso contrario, se produciría movimiento. La excepción son los gradientes de presión que compensan fuerzas externas, como la gravitatoria, que origina un gradiente de presión hidrostática.

6. ¿En qué casos se aplica la regla de las fases y si un caso es la vaporización de líquidos puros y de soluciones verdaderas, mencionar la (s) condición (es) para que se pudiera aplicar y discutir los resultados que se obtendrían al aplicarla?

Cuando necesitamos describir el estado de equilibrio de un sistema de varias fases y diversas especies químicas deberemos conocer el número de variables intensivas independientes que definen el sistema. En líquidos puros: F=3-P

SOLUCION VERDADERA= hay dos o más componentes

7. Definir aumento en el punto de ebullición y describir en que consiste y donde se presenta.

Es la diferencia entre la temperatura de ebullición con soluto menos la del solvente puro. Consiste en el aumento de presión de la solución y se presenta cuando las moléculas interactúan en la solución.

8. Enunciar la dependencia entre presión de vapor de un líquido, temperatura y concentración para un líquido puro y para una solución verdadera.

Para una solución verdadera P= PA+PB, PA=XA*P°A, TA-T°A=KXA para un líquido puro P°=Pa puesto que Xa=1

Todas estas variables están relacionadas según la ley de raoult y solo se ocupa saber alguna de ellas para conocer o resolver el sistema.

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III. DETERMINACION DE PRESION DE VAPOR DE SOLUCIONES-TEMPERATURA-CONCENTRACION.

1. Enunciar cinco métodos de determinar la temperatura de ebullición de soluciones verdaderas.

1. Método de Ebullómetro: en un principio los ebullómetros se pensaron para determinar el peso molecular por elevación del punto de ebullición, se prestan también para realizar mediciones exactas del punto de ebullición.

2. Método Dinámico: Este método se basa en la medición de la temperatura de recondensación del vapor mediante un termómetro adecuado que se coloca en el reflujo durante la ebullición. En este método puede modificarse la presión.

3. Método de Destilación: Este método se basa en la destilación del líquido, la medida de la temperatura de recondensación del vapor y la determinación de la cantidad de destilado.

4. Método Siwoloboff: Se calienta una muestra en un tubo de ensayo, que se sumerge en un baño caliente. Se introduce en el tubo de ensayo un capilar cerrado, con una burbuja de aire en su parte inferior.

5. Detección Fotoeléctrico: De acuerdo con el principio de Siwoloboff, la ascensión de las burbujas permite una medición fotoeléctrica automática.

6. Análisis Térmico Diferencial: Esta técnica registra la diferencia de temperatura entre la sustancia y un material de referencia en función de la temperatura, cuando la sustancia y el material de referencia se someten al mismo programa de temperatura controlada. Cuando la muestra sufre una transición que implique un cambio de entalpía, ese cambio se indica con una desviación endotérmica (ebullición) respecto a la línea base del registro de temperatura.

7. Calorimetría diferencial de barrido: Esta técnica registra la diferencia de aporte energético a una sustancia y un material de referencia en función de la temperatura, cuando la sustancia y el material de referencia se someten al mismo programa de temperatura controlada. Esta energía es la energía para establecer una diferencia de temperatura nula entre la sustancia y el material de referencia. Cuando la muestra sufre una transición que implique un cambio de entalpía, ese cambio se indica con una desviación endotérmica (ebullición) respecto a la línea base del registro de flujo de calor.

2. ¿Qué efecto tiene la altura hidrostática sobre la temperatura de ebullición de una solución? , entendiéndose por ello la formación de burbujas.

Los cambios en la presión atmosférica debido a la altura afecta la temperatura de ebullición. Cuando un lugar está más elevado sobre el nivel del mar la temperatura de ebullición se reduce. Dentro del recipiente aumenta la presión debido al peso del agua.

3. Enunciar la regla de Dühring y su aplicación en evaporación.

Explica que en el punto de ebullición de un líquido es una función lineal del punto de ebullición de una sustancia referencia.

Estas disoluciones requieren normalmente más calor para evaporar un kilogramo de agua, por lo que la reducción en la capacidad de una unidad puede ser considerable.

4. Definir A.P.E, las variables de las que depende, que manifiesta y enunciar cinco métodos para determinarla.

Temperatura a la cual una sustancia tiene una presión de vapor igual a la presión externa. Como consecuencia del aumento de la presión de vapor, el punto de ebullición de una solución, es más elevado que el del disolvente puro.

∆t= 1000 X/Ms;

∆Tc = kc (C)

Ley de Raoult

∆Tc = - tc / 1 + lambda entre Rtc ln Xw

Método de Mohr, Duhring y Cox

A.P.E = tx – ta

5. En qué casos aumenta o disminuye el A.P.E.

En sustancias orgánicas: Disminuye el punto de ebullición de la solución.

En sustancias Inorgánicas: Punto de ebullición de ambas sustancias son distintas y se equilibran.

Cuando aumenta o disminuye la concentración del soluto.

6. Definir presión absoluta y anotar las expresiones para su determinación a partir de datos de presión manométrica y de vacío.

Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absolutos. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Este término se creó debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un término absoluto unifica criterios.

Pabs = Pmanométrica + Patmosférica

Pman = Pabs – Patm

Pvacío = Patm – Pabs

7. Enunciar la Ley de Raoult y deducir la expresión que resulta de su aplicación a evaporación, indicando los datos y recursos que requiere para conocer la temperatura de ebullición normal de una solución verdadera.

Establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la solución. La ley debe su nombre al químico francés François Marie Raoult(1830-1901).

X1 – solvente

X2 – Soluto

X1 + X2 = 1

P2 / P°1 = X1

P1 /P°1 = 1 – X2 entonces X2 = 1- P1/P°1 = P°1 – P1 / P°1

X2= n2 /n1 + n2

X1 = n1 / n1 + n2

X1 = W1/PM1 /W1 entre PM1 + W2 entre PM2

8. Mencionar la diferencia para convertir un gradiente de temperaturas de un sistema de unidades a otro y para el caso de una temperatura puntual.

°K = °C + 273.15

°C = (ºF-32)5/9

273 °K = 0° Punto de fusión

373 °K = 100° Punto de Ebullición.

9. Expresar gráficamente la variación entre presión de vapor de un líquido en función de su temperatura y en función de su concentración, así como entre la temperatura de ebullición de una solución y la temperatura del solvente puro.

10.Si en los indicadores de presión y vacío no se registra ningún valor, cuál es la presión absoluta del sistema en que se encuentran instalados.

Presión Absoluta = Presión Atmosférica.

11.A que tipo de soluciones verdaderas se aplica la Ley de Raoult y a cuales la Regla de Dühring.

Raoult = Soluciones Orgánicas e Inorgánicas.

Duhring: Soluciones Inorgánicas (NaOH)

12.Describir el uso del nomograma del Chemical Handbook, Perry and Chilton.

Se dan valores en las coordenadas de [X,Y], se busca en la gráfica uniendo el punto y automáticamente con una recta a lado ( la cual contiene el valor a buscar y sus unidades) se puede saber el resultado de lo que se quiere encontrar.

13.Para determinar la temperatura de ebullición de una solución verdadera de una concentración de sólidos dada, cual sería el mecanismo de búsqueda en la literatura.

Utilizar la Ley de Raoult y mediante el uso de tablas de vapor saturado.

14.Definir calor latente de vaporización y calor sensible.

Calor Latente de Vaporización: Al fenómeno de absorción (o desprendimiento) de calor durante los cambios de estado de las sustancias sin que cambie su temperatura se le conoce como calor latente. 

Calor Sensible: Cantidad de calor que absorbe o libera un cuerpo sin que en el ocurran cambios en su estado físico (cambio de fase). Cuando a un cuerpo se le suministra calor sensible en este aumenta la temperatura.

15.Como es el valor del A.P.E de las soluciones diluidas y de las soluciones orgánicas.

Soluciones Orgánicas: (Contienen componentes no polares) es bajo despreciable.

Soluciones Diluidas: Con componentes polares es más grande el A.P.E.

16.Para una solución alcohólica verdadera, indicar los pasos a seguir para determinar el A.P.E utilizando la Ley de Raoult y la regla de Dühring.

Primero debo conocer la P de evaporación, después obtengo la fracción Xa, divido la presión de evaporación entre la presión de Xa, luego con la presión resultante me voy a tablas de vapor y obtengo Tx, después con la presión de evaporación obtengo Ta y saco la diferencia Tx-Ta=APE En el diagrama de Duhring solo se calculan para inorgánicos.

17.Problemas sobre V, Pman, tx vs ta, A.P.E , tx, etc.

Varía P – Varía A.P.E.

Varía P – Varia tx

Varía V – Varía ta

18. Si el medio de calentamiento se localiza en 3 m. debajo de la superficie de la solución, ¿Cuál sería el procedimiento para calcular la temperatura de ebullición en ese punto?

Pabs=Phidrostatica y relativamente se fueran calentando las demás variables.

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IV. TIPOS DE EVAPORADORES Y SU CLASIFICACIÓN.

1. Enunciar 8 factores a considerar en el diseño de un sistema de evaporación en adición a las propiedades de la solución.

Calor específico, calor de concentración, temperatura de congelación, liberación de gas durante la ebullición, toxicidad, peligros de explosión, radioactividad y necesidad de operación estéril.

2. Enunciar 5 características de las soluciones que se deben considerar en el diseño de un sistema de evaporación.

Concentración, formación de espuma, sensibilidad a la temperatura, incrustaciones, materiales de construcción.

3. Enunciar las sustancias clásicas para transferir energía a una solución verdadera con el fin de evaporarla en forma directa y en forma indirecta.

Los combustibles pueden ser:Sólidos (Bagazo, Carbón, Madera, Turba)Líquidos (Crudo Nacional, Derivados del petróleo)Gaseosos (Gas natural, Gas Combustible).

4. Listar los tipos de evaporadores de acuerdo al tipo de calentamiento que utilizan.

Equipos calentados a fuego directo (calor solar).Equipos calentados mediante camisas o dobles paredes (pequeña velocidad de transmisión de calor, pueden operar al vacío, útiles para la evaporación de líquidos a pequeña escala). Equipos calentados mediante vapor, con tubos como superficies calefactoras.

5. Listar los tipos de evaporadores de calentamiento indirecto a través de superficies tubulares rectas con vapor condensante.

Evaporadores de circulación forzada.Evaporadores de tubos cortos horizontales.Evaporadores de tubos cortos verticales.Evaporadores de tubos verticales largos.Evaporadores de película ascendente.Evaporadores de película descendente.

6. Listar los tipos de evaporadores de acuerdo a su tipo de operación.Evaporadores de efecto simple.Evaporadores de múltiple efecto con alimentación hacia adelante.Evaporadores de efecto múltiple con alimentación de retroceso.Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en paralelo.

7. Listar el orden de magnitud de los coeficientes globales de transferencia de calor de los evaporadores de calentamiento indirecto con vapor de agua a través de superficies tubulares rectas.

8. Mencionar la diferencia entre evaporadores de un solo paso y evaporadores con recirculación.

En la operación de un solo paso el líquido de alimentación pasa una sola vez a través de los tubos, desprende el vapor y sale de la unidad como líquido concentrado.Los evaporadores de circulación operan con una carga de líquido dentro del aparato. La alimentación que entra se mezcla con el líquido contenido en el evaporador y la mezcla pasa posteriormente a través de los tubos.

9. Listar el principal equipo auxiliar de los ECI a través de STR.Separador o espacio de vapor para separar el líquido que es arrastrado por el vapor. Brazo de circulación para el líquido desde el separador hasta el fondo del intercambiador.

10. Listar los principales accesorios de los ECI a través de STR.Placas deflectoras, separador, calentador, condensador, sistema de venteo.

11. Mencionar las razones por las cuales se podría usar un condensador en un equipo de evaporación.

Cuando sea necesario disipar las altas temperaturas generadas en un evaporador o producir el subenfriamiento del refrigerante.

12. ¿Cuáles son las partes principales de un evaporador?Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos.

13. Mencionar la diferencia entre un ESE y un EME.El ESE es un evaporador de efecto simple, mientras que el EME es uno de efecto múltiple.

14. Listar los principales usos de cada uno de los principales evaporadores.

Evaporador vertical de tubos largos: leche condensada.Evaporador de película descendente: jugo de frutas.Evaporador de película agitada: gelatina, antibióticos.Evaporador de ciclo con bomba de calor: Producto farmacéutico.

15. Seleccionar un tipo de evaporador para una solución dada.Evaporador abierto. Solución inorgánica

16. ¿En qué tipo de evaporadores es recomendable precalentar la solución?

Evaporador de tubo largo.17. Recomendar un tipo de evaporador para una solución poco viscosa,

viscosa y muy viscosa.Evaporador de tubos cortos, circulación forzada y abiertos.

18. Indicar la función de la calandria, separador, condensador y sistema de vacío en un sistema de evaporación.

Calandria: Concentrar productos alimentarios sensibles al calor.Separador: Sirve para separar fracciones de gas de líquido.Condensador: Hace que el gas precipite.Sistema de vacío: Permite la volatilización del solvente a bajas temperaturas.

19. ¿En qué consiste una evaporación instantánea?Cuando la solución se precalienta y entra a un evaporador que está a baja presión.

20. En los ECI, a través de STR, ¿la solución circula por dentro o por fuera? ¿Por qué?

Circula por dentro, porque el trabajo de concentración se da en el interior de los tubos.

21. ¿Dónde se lleva a cabo el intercambio de fase de líquido a vapor en los EP y en los DCF? ¿Por qué?

Antes de entrar al cuerpo del evaporador, a la salida del intercambiado.22. ¿Qué diferencias se tienen en el uso de condensadores de mezcla y

de superficie?Superficie, se emplea cuando no se desea que se mezcle el condensado con el agua; Mezcla, hay contacto entre el condensado y el agua.

23. En un EME, ¿Qué significa “alimentación hacia adelante” y “alimentación hacia atrás”? Ilustrarlo con un diagrama para un triple efecto.

Alimentación hacia adelante: la alimentación se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del vapor.

Alimentación hacia atrás: la alimentación entra al último efecto, que es el más frío, y continúa hacia atrás hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto.

24. Indicar los casos en los que no se requiere un condensador.Cuando el evaporado se recircula.

Unidad V

A) TRANSFERENCIA DE CALOR

1. Anotar la expresión que representa la forma en que se transfiere el calor en un ECI de película y en una de circulación forzada.

QtA

=QcA

+QrA

=Hc (Tw−T )+Ew (Tw−T )

QtA

=Flujjo totalde calor

QcA

=Flujo decalor por conduccion−conveccion

QrA

=Flujo decalor por radiacion

Hc= coeficiente de transferencia de calor convectivo

Ew= emisividad de la superficie

Tw= temperatura de la superficie

T= temperatura del exterior

2. Indica 3 formas de expresar el gradiente de temperatura en ECI

∆T=(T s−T i )

∆T= QUA

∆T=T f−T u¿

3. Indica el efecto de un incremento de t variando la presión de vapor de calentamiento y variando la presión sobre la solución

Cuando la velocidad dentro de un tubo del evaporador es tal que comienza la ebullición, el líquido en la sección de ebullición del tubo se mueve lento y la caída de presión por fricción es pequeña. Pero en la sección de ebullición, la mezcla de vapor y líquido tiene una alta velocidad y la perdida de fricción es grande.

Abría un aumento en la productividad.

4. Si se grafica (Q/A) vs ∆Tcuál será la forma de la curva y a que se atribuirá el comportamiento de la curva.

Al punto crítico que es aquel límite para el cual el volumen de un líquido es igual al de una masa igual de vapor.

5. Que efecto tendría una variación del área de transmisión de calor respecto a la velocidad de transmisión de calor.

Aumentaría consideradamente la transferencia total de calor en la superficie con el vapor.

6. Anota la expresión que representa el coeficiente global de transmisión de calor en función de las resistencias que existen a la transferencia de calor.

Q=a/A=∆T /R

7. Enunciar las resistencias existentes a la transferencia de calor e indicar cuál es la que comúnmente es numéricamente mayor.

-espesor de la capa o del tubo en cuestión

- conductividad térmica

- dimensión del solido

8. Indicar 3 formas de incrementar el valor de U y manifestar cual es la que de acuerdo a su criterio sería mejor.

-usar un material con mucha conductividad térmica

-intercambio de calor con medio despreciable.

-flujo estacionario

-tomar el coeficiente U como constante

El mejor sería tomarlo como constante.

9. Que efecto tiene la temperatura de alimentación en un evaporador de película y en uno de circulación forzada.

-en el de película el disolvente se evapora rápidamente si la solución entra a alta temperatura ya que alimentación sucede de arriba hacia abajo y esta ocasionaría incrustaciones en el tubo o incluso taparse.

-en el de circulación forzada no importa la temperatura ya que tiene alta eficiencia y es para tratar las soluciones problemáticas que causan que se tapen las tuberías.

10. Que diferencia existe entre U y U∆T para fines de diseño.

U varía según la temperatura a las que se trabaja mientras que en U∆T varía solo muy poco; casi nada.

11. Anota una expresión mediante la cual se puede cuantificar la variación del coeficiente total de transmisión de calor respecto al tiempo por efecto del lodo y/o incrustaciones.

U= 1/Ro+Rs

12. De que depende la variación en el espacio de vapor y que efecto tiene en la operación de un evaporador que trabaja a vacío.

-de la formación de espuma de algunos materiales especialmente los orgánicos

13. Indica el efecto de los gases incondensables tanto en la cámara de vapor de calentamiento como en el lado de la solución en un sistema que opera en vacío.

-pueden contaminar el concentrado así como el agua que se utiliza en el condensador.

14. Enunciar las variables de la que dependen tanto la capacidad de evaporación como de condensación de un sistema de evaporación que opera con vacío.

Presión, temperatura, flujo de entrada, viscosidad de la solución.

15. Es posible que la temperatura de una solución sea mayor que la correspondiente temperatura de ebullición a la presión existente en el espacio de vapor y porque?

-sí, si se trabaja en un ambiente cerrado es posible por cuestiones de presión más alta que la atmosférica.

16. Anota en una gráfica de temperatura vs longitud, teniendo como parámetros la velocidad, la variación de la temperatura de la solución dentro de un tubo de un evaporador.

17. Definir espacio de vapor:

-lugar donde se contiene el vapor de agua que entra al sistema.

18. Que energía interesa que transfiera un vapor de calentamiento, calor latente, calor sensible o ambos.

Cuando el vapor saturado se condensa, la presión de vapor cambia instantáneamente dentro del espacio cerrado; este se condensa a la temperatura de saturación y el agua saturada que se forma (condensado) queda a la misma temperatura que el vapor saturado. Esto significa que si la presión en la superficie de transferencia de calor (la chaqueta o espiral interior de los equipos) se mantiene como una constante, el calentamiento continuo será capaz de mantenerse a la misma temperatura en cualquier punto de la superficie de transferencia de calor.

El calor latente por que se pretende un cambio de fase.

19. Indicar como evaluar ∆T , U.

∆T=T f−T i

U=Q

A∗∆Tml

20. Deducir una expresión para calcular U , si se desprecia los valores de Rd, la resistencia de vapor y de la pared.

1UA

=

ln( r2r1 )2 πLK hi

+ 12π r2 Lh°

U=

1

( 12π r1 Lh i

+ln( r 2r 1 )2πLK

+1

2 πr 2Lh°) A

21. Indicar el efecto de la variación de condiciones de operación en la velocidad de transmisión de calor de un equipo.

B) Medidas de comportamiento de los evaporadores:

Enunciar las 8 medidas clásicas del comportamiento de los evaporadores, las variables de las que dependen su valor, la expresión correspondiente y sus unidades en el sistema MKS, también indicar el significado de cada medida y su importancia. Que indica ∈=0.2

R – las variables son: concentración [=] kgmol/L, solubilidad [=] gramos/litro, formación de espuma, presión [=] Pa, temperatura [=] K , formación de depósitos en la superficie de contacto.

C) Modelos físicos simplificados del comportamiento de evaporadores:

Porque razón es necesario realizar simplificaciones de un modelo físico y señalar las consideradas al establecer los de los evaporadores de tubos cortos verticales, de película y de circulación forzada.

Una de las razones es para ver el comportamiento de cierto proceso a cierta escala antes de ser probados industrialmente.

Ebullidor Tubular. Es donde ocurre el proceso de ebullición del agua o disolvente producto del calor transmitido por el vapor latente. Por lo general está constituido por un haz de tubos por donde circula la solución a concentrar y una carcasa por la cual circula el vapor latente.

Separador líquido-vapor. Es donde la mezcla líquido-vapor proveniente del ebullidor es separada, obteniendo el líquido concentrado y la fase de vapor. El separador fue diseñado para evitar el arrastre de líquido concentrado en la corriente de vapor.

Área de circulación del medio de calentamiento vapor, electricidad, entre otros.

D) Métodos de economía de vapor

a) múltiple efecto

1-Cuales son las características principales de los EME.Las características son: un intercambiador de calor para aportar calor sensible y latente de evaporación al alimento líquido. para lograr esto se utiliza generalmente vapor de agua. Un separador en el que el vapor se separa de la fase liquida concentrada, un condensador para condensar el vapor producido y una bomba de vacío.

2- Enunciar las variables más importantes de las cuales es fucion de economía de un EME.Tiempo, flujo de vapor, concentración del líquido, capacidad de los evaporadores de efecto múltiple.

3- Expresar cuantitativamente el efecto de APE en un EME donde las areas de los efectos sean iguales.

El EPE para cada efecto en operación de efecto múltiple, es constante e independiente de la presión. A una composición dada o a una fracción de masa Xj, la temperatura Ti y Tbi para el evaporador i están relacionadas por la línea de Dühring.

Donde:

m, b y c son; pendiente, ordenada y constante de la línea de Dühring que dependen del tipo de sólidos; evaluadas a la fracción en masa Xi del soluto en el licor que sale del efecto i.

4- Enunciar tres razones por las cuales el número de efectos puede tener un limite, independientemente de que existe un numero optimo de efectos. De las principales razones son: lo económico, la cantidad de vapor que sale en el ultimo efecto y las temperaturas aproximadas alcanzadas en cada efecto.

5- porque razón un EME se puede considerar como un método de economía vapor. Los evaporadores múltiples están conectados de forma que el vapor procedente de un efecto sirve de medio de calefacción para el siguiente efecto y el líquido concentrado constituye la alimentación de éste, por lo que solo es necesario suministrar vapor en el primer efecto.6- la capacidad de un EME es menor que la de un SE que tenga un area igual a la de cada efecto del EME y trabaja con un Δttotal idéntica. Ello se debe al efecto de tres factores principales. Enunciar dichos factores y explicar el efecto que causa cada uno de ellos.1-La velocidad de transmisión de calor q a través de la superficie de calefacción de un evaporador. 2-el incremento de economía que se consigue con la evaporación de multiple efecto se realiza a costa de reducir la capacidad 3- la cantidad de agua vaporizada por metro cuadrado de superficie en un evaporador de N efectos es aproximadamente a (1/N) veces la capacidad del efecto simple.

7-En un EME la temperatura que alcanza la solución dentro del sistema es mayor que la que alcanzaría en un ese, explicar el porqué de que ello suceda. Se deberá principalmente a la diminución de soluto en cada efecto esto provocara que el punto de ebullición de la solución sea menor.

8- Compara n, e, CE, CQ de un EME contra la de un ESE.-Los evaporadores de simple efecto se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña o el costo de vapor es relativamente barato. Sin embargo, la operación de gran capacidad, al usar más de un efecto, reducirá de manera significativa los costos del vapor, es decir cuando se incluyen más de un evaporador, evaporadores de múltiple efecto.La eficiencia de un evaporador de múltiple efecto será mayor que la de uno de simple efecto.

9- Teóricamente cual sería el consumo de vapor y de agua de condensación de un triple efecto respecto a la de un simple efecto que tuviera un área igual a la de cada efecto, que trabaja con la misma presión vapor y presión de condensación.-Teóricamente el consumo de vapor y de agua de condensación seria el triple en un evaporador de simple efecto respecto al evaporador de múltiple efecto.

10-Cuales deberán ser los principios en los que se fundamente cualquier deducción de una expresión para determinar el número óptimo de efectos.-La velocidad de trasmisión de calor, las propiedades del líquido a evaporar, la caída real de temperatura a través de la superficie de calentamiento, la temperatura de alimentación de vapor y en general los costos de operación.11- La presión en cada efecto es menor que la del efecto del cuál recibe el vapor de agua y superior a la del efecto que suministra el vapor, ya que la presión se divide a lo largo de dos o más efectos en un sistema de efecto múltiple.12- enunciar los cuatro métodos de alimentación de solución diluida en un EME, sus características e ilustrar los circuitos correspondientes a cada uno.

1- Alimentación directa: El alimento entra en el primer efecto y sigue el mismo sentido de circulación que el vapor saliendo el producto en el último efecto. El líquido circula en el sentido de presiones decrecientes y no es necesario aplicar energía auxiliar para que el líquido pase de un efecto al otro. Solo hacen falta dos bombas, una para introducir el líquido en el primer efecto y otra para extraer el producto en el último efecto. 

 2- Alimentación a contracorriente: El líquido a evaporar entra en el último efecto y sale concentrado por el primero. El liquido a concentrar y el vapor calefactor circulan en sentido contrario. Aquí el líquido circula en sentido de presiones crecientes y eso requiere el uso de bombas en cada efecto para bombear la disolución concentrada de un efecto hacia el siguiente. Eso supone una complicación mecánica considerable que se suma al hecho de hacer trabajar las bombas a presiones inferiores a la atmosférica. Así, si no hay otras razones, se prefiere el sistema de alimentación directa 

 3- Alimentación mixta: Cuando en una parte del sistema la alimentación es directa y en la otra parte es a contracorriente. Este sistema es útil si tenemos disoluciones muy viscosas. Si utilizamos la corriente directa pura, nos encontramos que el último efecto, donde hay menos temperaturas la viscosidad de la disolución concentrada aumenta, lo que hace disminuir sensiblemente el coeficiente global, U, en este efecto. Para contrarrestar eso, se utiliza la alimentación a contracorriente o la mixta. La disolución diluida entra en el segundo efecto i sigue el sentido de la alimentación directa, pasando después del último efecto al primero, para completar la evaporación a temperatura elevada. 

 4- Alimentación en paralelo: Cuando el alimento entra simultáneamente a todos los efectos y el líquido concentrado se une en una sola corriente. Sistema utilizado en la concentración de disoluciones de sal común, donde los cristales depositados hacen que resulte difícil la disposición de la alimentación directa. 

13- Enunciar ventajas y desventajas de un EME vs ESE.-La ventaja de un evaporador de efecto múltiple es la economía de vapor de calefacción que se obtiene, 1kg de vapor de calefacción en un evaporador de triple efecto producirá la misma (aprox.) cantidad de agua evaporada que un evaporador de simple efecto que tenga la misma superficie de calefacción y la misma caída global de temperatura, pero éste último requerirá 3 veces más vapor de calefacción (3kg).Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante vapor de agua, pues se desperdicia el calor latente del vapor producido que sale del evaporador.

14- Si el evaporado de un EME no tiene una temperatura de condensación mayor que la de ebullición de la solución del efecto en el cual se piensa emplear como medio de calentamiento no se transferiría calor según se desea, para que ello ocurra que recomendación haría.

-Modificar la presión, es decir disminuir la presión en el sistema para que este alcance una temperatura de ebullición mas baja

-B) Termocompresión: Consiste básicamente en recomprimir un vapor para aumentar su temperatura y permitir nuevamente su uso. Con esto se logra una recuperación de calor mediante la compresión y reutilización como fluido calefactor el vapor producido en la fase de evaporación, con lo cual se produce un ahorro significativo de energía.

-C )Compresión mecánica: los sistemas de evaporación por compresión mecánica de vapor, el ciclo comienza suministrando energía externa al evaporador para iniciar el proceso de evaporación. Para mejorar la eficiencia, se emplea un sistema de evaporación bajo vacío, ya que el punto de ebullición es menor. El vapor extraído se comprime, mediante un compresor volumétrico como puede ser una turbina, con el fin de aumentar su temperatura. Este vapor sobrecalentado se reenvía al evaporador como fluido de servicio. Una vez iniciado el ciclo, la aportación externa de vapor se detiene ya que se utiliza la energía generada por la compresión mecánica del vapor para mantener el ciclo de evaporación.

-D) Otros sistemas de economía de vapor:

Eyector: es una bomba de vacío, generalmente movida por vapor, que no tiene partes móviles y que es capaz de alcanzar presiones absolutas de entre 1 micrón y 30 pulgadas de Hg. El principio de funcionamiento es el siguiente: el fluido motriz, generalmente vapor, es acelerado en una tobera convergente-divergente, convirtiendo la presión en velocidad. Debido al efecto Venturi, la presión en la descarga es muy baja, produciendo una succión del fluido aspirado en la cámara de mezcla. La mezcla del fluido motriz y aspirado es introducida en el difusor, donde se transforma la velocidad en presión, obteniendo en la descarga una presión intermedia entre la del fluido motriz y el impulsado.

ATEMPERADORES DE VAPOR: Los atemperadores o desrecalentadores de vapor se usan para reducir la temperatura de una línea de vapor inyectando agua. Son equipos muy habituales en instalaciones de vapor para ajustar los balances de vapor. La regulación se hace con una válvula de control en la línea de agua utilizando la señal de la temperatura en la descarga.

BIBLIOGRAFIA

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Smith, Julian C. Operaciones básicas de ingeniería química, Volumen 1. (2003). Editorial Reverté, S. A. España.

Geankoplis, Christie John. Procesos de transporte y principios de separación. (2006). Cuarta Edición. Editorial Continental. México