Un evaporador es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que mientras uno de ellos se enfría, disminuyendo su temperatura, el otro se calienta aumentando su temperatura, pasando de su estado líquido original a estado vapor (cabiendo la posibilidad de un calentamiento ulterior, con lo que se dice que alcanza el estado de vapor sobrecalentado). A fin de cuentas un evaporador, es un intercambiador de calor más complejo, en el que además de producirse el cambio de fase pueden darse otros fenómenos asociados a la concentración de la disolución, como la formación de sólidos, la descomposición de sustancias, etc. Los evaporadores se fabrican en muy diversos tamaños y con distintas disposiciones, siendo profusamente empleados en gran cantidad de procesos térmicos. Los evaporadores, deben funcionar siempre a vacio parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación. Clasificación
Evaporadores de planta de fuerza
Uno de los principales propósitos de lo evaporadores para plantas de fuerza es proveer de agua relativamente pura para la alimentación de la caldera. Las principales características incorporadas en los evaporadores para plantas de fuerza, son, un elemento calefactor tubular, un espacio en el que las gotitas del liquido que se arrastran debido al estallido de las burbujas pueden separarse, y un medio para remover la incrustación de la parte exterior de los tubos. El haz es cilíndrico y la alimentación se introduce justamente debajo del nivel del liquido. Todos operar llenos de agua hasta la mitad, la mitad superior es el espacio en el cual las gotas de agua se separan del vapor y, asimismo, todos están equipadas con separadores que regresan el liquido separado debajo del nivel del t rabajo del evaporador. 1. Evaporadores de agua de compensación: Este tipo de evaporadores suministra agua de alimentación a las calderas para reemplazar las fugas y pérdidas del sistema como vapor de proceso en las plantas o como condensado que se desecha. Este es, dé hecho, el proceso de evaporación de mas volumen y usualmente se efectúa en un evaporador de simple efecto, aunque ocasionalmente puede usarse un evaporador de doble efecto, dependiendo de las características del ciclo de condensado en la planta de fuerza y la cantidad requerida de agua de compensación. No hay plantas de fuerza modernas que no incluyan este equipo.
2. Evaporadores de agua de proceso: proceso: Hay un cierto número de industrias que requieren continuamente grandes cantidades de agua destilada. Este tipo de plantas emplea evaporadores de doble, triple o cuádruple efecto y recibe calor ya sea de una purga de la turbina o directamente de la caldera. La selección del número de efectos está correlacionada con los cargos fijos y el costo del vapor de operación. Los evaporadores de múltiple efecto con alimentación paralela no necesitan tener todos los efectos operando simultáneamente, y pueden ajustarse si la demanda de agua destilada varia.
3. Evaporadores transformadores de calor: Los evaporadores transformadores de calor son un sistema de efecto simple con una o más corazas en paralelo, que reciben vapor de escape de una turbina o una maquina de alta presión. El propósito de estos evaporadores es el de condensar vapor de agua de una caldera de alta presión que no ha pasado a través de una turbina y luego el evaporador. El condensado se regresa luego directamente a la caldera de alta presión mediante la demanda de vapor y de agua de alta presión. Obviamente, las instalaciones de calderas y turbinas de alta presión se ven afectadas favorablemente por este circuito. Mediante la condensación del vapor de escape de la máquina o turbina de alta presión, la transferencia de calor en el evaporador se usa para producir grandes cantidades de vapor de proceso, las que en gran parte nunca retornan al sistema evaporador. Si el condensado no se regresa, es debido a que ser difícil colectarlo o que el vapor pueda consumirse en un proceso químico o de calentamiento o que se contamine continuamente. 4. Destilador de salmuera: Son usados para obtener agua desmineralizada a partir de agua de mar, poseen un sistema de evaporación al vacio.
Evaporadores Químicos
Los evaporadores químicos se clasifican en dos grupos: de circulación natural y de circulación forzada. Los evaporadores de circulación natural se usan unitariamente o en efecto múltiples para los requerimientos más simples de evaporación. L os evaporadores de circulación forzada se usan para líquidos viscosos, para los que forman sales, y las soluciones que tienden a incrustarse. 1. Evaporador de circulación forzada: Para líquidos viscosos y que forman sales, en estos separadores una bomba centrífuga hace circular el liquido a través de los tubos está sometido a estática suficientemente alta para que no se produzca ebullición en los tubos. A medida que disminuye la carga estática durante el flujo en los tubos el líquido se recalienta y se produce una vaporización súbita o flash formando una mezcla de vapor y gotas de líquido a la salida de los tubos, justo antes de entrar al cuerpo del evaporador. La mezcla de vapor choca con una placa deflectora situada en el espacio del vapor, el líquido retorna a la entrada de la bomba, a donde llega también la alimentación. El vapor sale por la parte superior del evaporador para pasar a un efecto continuo. Una parte del líquido abandona el evaporador en forma continua como concentrado. 2. Evaporador de circulación natural: para requerimientos simples de evaporación.
Evaporación vertical de tubo corto o tipo calandria: Es uno de los más usados en forma comercial su uso principal es la evaporación de jugo de caña de azúcar el cuerpo es un cilindro vertical casi siempre de hierro colado, posee tubos verticales. L a velocidad de circulación es muchas veces la velocidad de alimentación el liquido va por dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior, Lo que se utiliza con mayor frecuencia, es una alimentación de descendente, para que las perdidas por fricción no impidan de manera apreciable la circulación hacia arriba a través de los tubos. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el liquido se eleva en los tubos por circulación natural, y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. No es útil con líquidos viscosos.
Evaporador vertical de tubos largos: Consiste en un intercambiador de calor de carcasa y tubo vertical de paso simple. En éste el tiempo de residencia del líquido es de sólo unos segundos. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos, el líquido está en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el liquido pasa los tubos una sola vez y no se recircula. Se usan sobre todo para la concentración de líquidos negros en la industria papelera y de pupa de madera. Estos pueden se de película ascendente y de película descendente.
Evaporador de película descendente: Permiten que los materiales muy sensibles al calor soporten un mínimo de exposición a la superficie caliente, también son buenos para la concentración de productos viscosos, son usados para la concentración de jugo de frutas. En ellos, el liquido entra por la parte superior de los tubos calentados, desciende por el interior de los mismos formando una película, y sale por el fondo. Los tubos son largos y de 2 a 10 pulgadas de diámetro. El vapor desprendido por el liquido es generalmente arrastrado hacia abajo con él y sale por el fondo de la unidad. La forma de estos evaporadores se parece a los cambiadores de tubos largos verticales con un separador del líquido y vapor en el fondo y un distribuidor de líquido en la parte superior. El principal problema de un evaporador de película descendente reside en la distribución del líquido, ya que forma una película en el interior de los tubos. Esto se soluciona mediante una serie de láminas perforadas de una placa tubular cuidadosamente nivelada, insertas en los extremos de los tubos para que el líquido fluya igualmente por cada uno de ellos, o bien distribuidores, cuyas ramas radiales introducen la alimentación con velocidad constante, en forma de lluvia sobre la superficie interior.
Evaporador de película ascendente:
Son típicos los tubos de 1 a 2 pulgadas de diámetro y 3,5 a 10 metros de largo. Como consecuencia de la acción de ebullición el líquido y el vapor ascienden por el interior de los tubos, mientras que el líquido que se separa desciende por gravedad hasta el fondo de los tubos. La alimentación diluida, con frecuencia a temperaturas próximas al ambiente, se introduce en el exterior de los cuales condensa vapor de agua. Al comenzar la ebullición se forman burbujas en el líquido, dando lugar a un aumento de la velocidad lineal y de la velocidad de transmisión de calor. En las inmediaciones de la parte superior de los tubos las burbujas crecen rápidamente. En esta zona, las burbujas de vapor, alternando con masas de líquido, ascienden muy rápidamente a través de los tubos y salen con gran velocidad por la parte superior de los mismos. La mezcla de vapor y líquido procedente de los tubos pasa al separador, que tiene un mayor diámetro que el cambiador, con lo cual se reduce grandemente la velocidad lineal del vapor. Con el fin de favorecer la eliminación de la gotitas de liquido, el vapor choca y pasa a través de una serie de placas deflectores antes de abandonar el separador. Los evaporadores de tubos largos son especialmente eficaces para concentrar líquidos que tienden a formar espuma, puesto que la espuma se rompe cuando la mezcla de vapor y líquido choca a elevada contra la placa deflectora.
Evaporador de tubo horizontal Poseen un banco horizontal de tubos de calentamiento similar al de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos y la solución a la ebullición está por fuera de ellos. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para los líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones.
Evaporador de canasta Es similar al de tipo calandria, excepto que tiene un haz de tubos desmontable lo que permite una limpieza rápida. El haz de tubos se soporta sobre topes interiores y el derramadero está situado entre el haz de tubos y el cuerpo del evaporador en lugar de en la parte central. Generalmente se diseñan con el fondo cónico y se puede o no instalar un agitador para aumentar la circulación. Este tipo se usa para licores que tienen tendencia a la incrustación.
Componentes principales
1. Ebullidor Tubular: es donde ocurre la vaporización del disolvente de la solución diluida. Generalmente consta se un haz de tubos por el que circula la solución diluida y una carcasa por la que circula el calor latente. 2. Separador Liquido-Vapor: En él se introduce la mezcla liquido-vapor proveniente del ebullidor tubular, con la finalidad de separar ambas fases para evitar el arrastre de vapor. Aplicaciones
Obtención de agua desmineralizada. Concentración de productos en industrias de al imentos y medicamentos. Secadores Son equipos utilizados para separar un líquido de un solido mediante la evaporación. Principalmente es utilizado para reducir o eliminar humedad. En estos equipos la fuente de calor es una corriente de gas caliente.
Clasificación de los secadores Los secadores se clasifican según: 1. El método de transmisión de calor a los sólidos húmedos Secadores directos. Secadores indirectos. Secadores diversos. 2. Las características de manejo y las propiedades físicas del material mojado Secadores discontinuos o por lote. Secadores continuos. Secadores para sólidos granulares y pastas semisólidas. Secadores que pueden aceptar alimentaciones liquidas o suspensiones.
El primer método de clasificación revela las diferencias en el diseño y el funcionamiento del secador, mientras que el segundo es más útil para seleccionar entre un grupo de secadores que se someten a una consideración preliminar en relación con un problema de desecación específico. Secadores directos La transferencia de calor para la desecación se logra por contacto entre los sólidos húmedos y los gases calientes. El liquido vaporizado se arrastra con el medio de desecación; es decir; con lo gases calientes. Los secadores directos se llaman t ambién secadores por convección.
Secadores directos continuos: la operación es continua si interrupciones, en tanto se suministre la alimentación húmeda. Es evidente que cualquier secador continuo puede funcionar en forma intermitente o por lotes, si así se desea.
De bandejas: también se llama secador de anaqueles, de gabinete, o de compartimientos, el material, que puede ser solido en forma de terrones o una pasta, se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad. Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas. También se usa calor eléctrico, en especial cundo el calentamiento es bajo. Más o menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado. Después del secado, se abre el gabinete y las bandejas se reemplazan por otras con más material para secado. Una de las modificaciones de este tipo de secadores es el de las bandejas con carretillas, donde las bandejas e colocan en carretillas rodantes que se introducen al secador. Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que las carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador. En el caso de materiales granulares, el material se puede colocar sobre bandejas cuyo fondo es un tamiz. Entonces, con este secador de circulación cruzada, el aire pasa por un lecho permeable y se obtienen tiempos de secado mas cortos, debido a la mayor área superficial expuesta al aire.
Material dosificado en capas: se hace pasar por el secador una capa continua de material ya sea como tiras o en una lamina tensa y distendida sobre un marco de clavijas.
Rotativos: un secador rotativo de un cilindro hueco que gira por lo general, sobre su eje, con una ligera inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior, y se desplazan por el cilindro a medida que éste gira. El calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gases calientes mediante un flujo a contracorriente. En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a través de la pared calentada del cilindro.
Por aspersión: la alimentación al secador debe poderse atomizar ya sea mediante un disco centrífugo o una boquilla. Consta de una cámara cilíndrica grande, casi siempre vertical, en la cual el material que se va alimentar se atomiza en forma de pequeñas gotitas. Se usan para la desecación común de soluciones acuosas y lechadas.
Circulación directa: el material se mantiene en un tamiz de transporte continuo, mientras se sopla aire caliente a través de él.
Túnel: el material colocado en carretillas se desplaza a través de un túnel en contacto con gases calientes.
Secadores de lecho fluido: los sólidos se fluidifican en un tanque estacionario. También pueden tener serpentines de calor indirecto.
Secadores directos por lote: en los secadores por lote las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían continuamente en cualquier punto del equipo.
Circulación directa: el material se coloca en bandejas con base tamiz a través de las cuales se sopla aire caliente.
Bandeja y compartimientos: el material se coloca en bandejas que pueden o no montarse en carretillas removibles. El aire se sopla sobre el material contenido en las bandejas.
Lecho fluido: los sólidos se fluidifican en un carro estacionario sobre el cual va montado un filtro de polvo.
Secadores indirectos El calor de desecación se transfiere al solido húmedo a través de una pared de retención. El liquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La velocidad de desecación depende del contacto que se establezca entre el material mojado y las superficies calientes. Los secadores indirectos se llaman también secadores por conducción o de contacto.
Secadores indirectos continuos: la desecación se efectúa haciendo pasar el material de manera continua por el secador, y poniéndolo en contacto con las superficies calientes.
Secadores de bandejas vibratorias: el calentamiento se logra con vapor o agua caliente sobre una bandeja vibra con la finalidad de asegurar el contacto de toda la superficie del solido con la bandeja caliente.
Secadores de cilindro: se usan para hojas continuas como papel, celofán, piezas textiles, por lo común los cilindros se calientan con vapor y sin rotativos.
Secadores indirectos por lotes: en general, los secadores indirectos por lotes se adaptan muy bien a operaciones al vacio.
Secadores rotativos de vacio: son cubiertas cilíndricas con chaqueta de vapor, rearregladas en forma horizontal, en las cuales puede secarse un lodo, o pasta, al vacio. El lodo se agita mediante una serie de hojas giratorias de agitación unidas a un eje central horizontal que pasa a través de las puntas de la cubierta cilíndrica. La humedad evaporada pasa a través de una abertura en la parte superior hasta un condensador; el gas no condensable se elimina mediante una bomba al vacio. El solido seco se descarga a través de una puerta en el fondo del secador. Los secadores de ésta categoría son caros de construir y de operar. En consecuencia, se utilizan sólo para materiales
valiosos que deben secarse a bajas temperaturas o en ausencia de aire para evitar la descomposición, como ciertos productos farmacéuticos, o en donde la humedad por eliminar es un disolvente orgánico caro o venenoso que debe recuperarse más o menos completamente.
Secadores diversos
Secadores infrarrojos: dependen de la transferencia de energía radiante para evaporar la humedad. La energía radiante se suministra eléctricamente por medio de lámparas infrarrojas, resistencias eléctricas o refractarios incandescentes calentados por gas. Secadores dieléctricos: operan sobre el principio de calor dentro de los sólidos, colocándolos dentro de un campo eléctrico de alta frecuencia.