11 DiseAo de Evaporador

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UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA 
TRANSFERENCIA DE CALOR 
 
Xavier Pizarro Villanueva – Ingeniería Civil Química 
[1] 
 
DISEÑO DE UN EVAPORADOR 
UN EFECTO. 
1. Condiciones de Operación. 
 
 Por criterio de diseño se debe seleccionar una presión de operación. Cabe destacar que trabajar a 
presiones altas o al vacío, tiene un costo energético adicional. 
 
 Para obtener la temperatura de operación se puede utilizar la Ecuación de Antoine o utilizar la 
Figura “Correlación de presiones y puntos de ebullición”. Además se debe tener en cuenta el 
aumento de la temperatura de ebullición debido a la concentración de soluto BPR (boiling point 
rise). 
 
 Ecuación de Antoine en su forma general. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Correlación de presiones y puntos de ebullición (Anexo N°1) 
 
o Las temperaturas son de ebullición y las presiones son manométricas. 
 
 
 
o Para presiones positivas usar la parte sobre el cero, presiones negativas usar la parte bajo el 0. 
 
 [ ] [ ] [ ] 
 
 Boiling Point Rise (BPR) para Boldina en alcohol etílico: 
 
 ( ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. Límite de Temperatura. 
 
o Para soluciones con compuestos orgánicos como soluto o elementos con algún limitante en la 
temperatura (Temperatura de descomposición), es necesario evaluar la temperatura de la pared 
del evaporador tal que 
 
 
 
 
 
3. Balance de materia. 
 
 Como condición de proceso, se debe definir la composición de producto tanto en la alimentación 
como el líquido de salida. 
 
 Balance de materia global. 
 
 Balance de materia por componentes. 
 
 
4. Balance de energía. 
 
 ̂ ̂ ̂ 
 
 
 
 
5. Entalpía específica 
 
 Para la mezcla, analíticamente. 
 
 ̂ 
 ( ) 
 
 ̂ 
 ( ) 
 
 ̂ ̂ 
 
 
 ( ) 
 ( ) 
 ( ) 
 
o El vapor está sobrecalentado, ya que al estar en solución, la mezcla ebulle a una temperatura 
superior a la de saturación. Por lo que al momento de calcular su entalpía es necesario cuantificar 
el efecto sensible del vapor. 
 
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 Utilizando el Gráfico Entalpía de Solución en función de la concentración (Anexo N°2) se logran 
obtener las entalpías específicas a la temperatura del líquido. 
 
6. Transferencia de Calor y dimensionamiento del Equipo. 
 
o Para el Coeficiente global de transferencia de calor (U) se utilizan valores de coeficiente de película 
de evaporación y calentamiento tabulados (Anexo 3) o las respectivas correlaciones. Finalmente 
se obtiene 
 
 
 
 (
 
 
 
 
 
 ) 
 
o Una vez obtenido el calor transferido (por balance de energía) y el delta temperatura de 
transferencia de calor se procede a calcular el Área de Transferencia Requerida. 
 
 
 
 
 
 
7. Eficiencia del Evaporador. 
 
o La eficiencia del evaporador se define como la razón entre el vapor producido y el vapor de 
servicio utilizado 
 
 
 
 
 
 
o En relación al calor transferido se define las pérdidas por transferencia de calor como 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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EVAPORADORES MULTIEFECTOS 
o Para evaporadores multiefecto se debe seguir un proceso similar al utilizado para el diseño de 
evaporadores de efecto simple. 
 
o Se debe tener como condiciones de proceso fijas el flujo de alimentación y las composiciones de 
entrada y salida del producto. 
 
o Se debe hacer un balance global de materia con el objetivo de encontrar la cantidad de servicio 
requerido. 
 
o Se realizan iteraciones sucesivas de presión de operación, temperatura de operación y 
composiciones intermedias con el objetivo de que las áreas de transferencia de calor requeridas 
sean similares (diseño). 
 
o Todos los evaporadores deben tener cambios de composición (deben “concentrar” parecidos) y 
diferencias de temperatura similares. La composición en el interior del evaporador es la 
composición de salida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ANEXO N°1 – CORRELACION DE PRESIONES Y PUNTOS DE EBULLICION 
 
 
 
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ANEXO N°2 – Gráfico Entalpía-Composición 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ANEXO 3. Valores de diseño aproximados de coeficiente global de transferencia de calor. 
o Los valores de coeficientes globales de transferencia de calor están basados principalmente en 
resultados obtenidos en la ingeniería práctica. Los valores son aproximados porque variaciones en 
factores como las velocidades de los fluidos, cantidad de gases no condensables, presión de 
operación entre otros pueden tener efectos significantes sobre los coeficientes. 
 
o Los valores superiores en los coeficientes para enfriadores pueden ser utilizados para 
condensadores mientras que los valores superiores en los coeficientes para calentadores pueden 
ser utilizadas para evaporadores. 
Fluido Caliente Fluido Frío Ud [W/m
2
·K] Ud [btu/h·ft
2
·°F] Ud [kcal/h·m
2
·°C] 
Enfriadores 
Agua Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Metanol Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Amoniaco Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Soluciones Acuosas Agua 1250 - 2500 220 - 440 1075-2150 
Orgánicos ligeros 
(1)
 Agua 375 - 750 66 - 132 322 - 645 
Orgánicos medios 
(2)
 Agua 250 - 600 44 - 106 215 - 516 
Orgánicos pesados 
(3)
 Agua 25 - 375 4 - 66 22 - 323 
Gases Agua 10 - 250 2 - 44 9 - 215 
Agua Salmuera 500 - 1000 88 - 176 430 - 860 
Orgánicos ligeros Salmuera 200 - 500 35 - 88 172 - 430 
Calentadores 
Vapor Agua 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
Vapor Metanol 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
Vapor Amoníaco 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
Vapor Soluciones Acuosas 
 
μ < 2·10-3 Pa·s 1000 - 3500 176 - 616 860 - 3010 
μ > 2·10-3 Pa·s 500 - 2500 88 - 440 430 - 2150 
Vapor Orgánicos ligeros 500 - 1000 88 - 176 430 - 860 
Vapor Orgánicos medios 250 - 500 44 - 88 215 - 430 
Vapor Orgánicos pesados 30 - 300 5 - 53 26 - 258 
Vapor Gases 20 - 200 4 - 35 17 - 172 
Intercambiadores (Sin cambio de fase) 
Agua Agua 1400 - 2850 247 - 502 1204 - 2451 
Soluciones acuosas Soluciones Acuosas 1400 - 2850 247 - 502 1204 - 2451 
Orgánicos ligeros Orgánicos ligeros 300 - 425 53 - 75 258 - 366 
Orgánicos medios Orgánicos medios 100 - 300 18 - 53 86 - 258 
Orgánicos pesados Orgánicos pesados 50 - 200 9 - 35 43 - 172 
Orgánicos pesados Orgánicos pesados 150 - 300 26 - 53 129 - 258 
Orgánicos ligeros Orgánicos ligeros 50 - 200 9 - 35 43 - 172 
 
(1)
 Hidrocarburos hasta C8, gasolina, alcoholes ligeros, cetonas μ < 0,5 ·10
-3 
Pa·s 
(2)
 Aceite de absorción, gas de petróleo caliente, kerosene, crudo ligeros 0,5 ·10
-3
 Pa·s < μ < 2,5 ·10
-3 
Pa·s 
(3)
 Aceites lubricantes, fuel oil, gas de petróleo frío, crudos pesados 2,5 ·10
-3 
Pa·s < μ < 5 ·10
-3 
Pa·s