Processo de Evaporação e seus Tipos

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Evaporación 
 
En este proceso se elimina el vapor formado por ebullición de una solución liquida de la que 
se obtiene una solución mas concentrada. Generalmente consiste en la eliminación de agua 
de una solución acuosa. 
 
 
Aplicaciones del proceso de evaporación: 
 
• Concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, glicerina, gomas, 
leche y jugo de naranja. 
 
• Obtención de agua potable por evaporación de agua de mar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tipos de Evaporadores 
 
Los principales tipos de evaporadores tubulares calentados con vapor de agua utilizados 
actualmente son: 
• Evaporadores de tubos horizontales con vapor en el interior de los tubos y 
circulación natural. Son los mas clásicos y utilizados en el pasado. 
• Evaporadores de tubos verticales cortos con vapor por el exterior de los tubos y 
circulación natural. Son muy útiles para evaporaciones a gran escala. 
• Evaporadores de tubos largos verticales con vapor por el exterior de los 
tubos y circulación natural. La velocidad de circulación y el caudal de calor 
transmitido aumentan rápidamente alcanzándose coeficientes de transmisión de calor 
elevados 
• Evaporadores de tubos verticales, horizontales o inclinados con vapor por el 
exterior de los tubos y circulación forzada. La convección forzada incrementa el 
coeficiente de transmisión de calor. Se utilizan en evaporaciones muy variadas. 
• Evaporadores de película ascendente o descendente. Por su alto coeficiente de 
transmisión de calor están indicados para la evaporación de líquidos sensibles al calor 
y de viscosidad elevada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) 
(b) 
Fig. 1. Tipos de evaporadores: a) Evaporador de tubo vertical corto; b) Evaporador de tubo 
vertical con cambiador de calor 
Fuente: Martínez de la Cuesta, P. y Rus M., E. (2004) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1. Tipos de evaporadores: c) Evaporador con circulación forzada y superficie de calentamiento 
horizontal; d) Evaporador con sección de precalentamiento y película ascendente-descendente. 
(Cont.) 
Fuente: Martínez de la Cuesta, P. y Rus M., E. (2004) 
 
 
 
 
(d) 
(c) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Coeficiente de transmisión de calor, U 
 
El coeficiente de transferencia de calor U en un evaporador esta constituido por: 
 Coeficiente del lado del vapor que se condensa cuyo valor aproximado es 5700 
W/m2.ºK (1000 Btu/h.pie2.ºF) 
 Por la pared metálica, que tiene una conductividad térmica alta y casi siempre una 
resistencia despreciable. 
 Coeficiente de la película liquida. 
 
El coeficiente global esta influenciado por el diseño y la forma de operación del evaporador. 
 
Coeficiente de la película de vapor 
 
El coeficiente de la película de vapor de agua es elevado, aun para la condensación en 
película. La presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el coeficiente del 
película del vapor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Coeficiente de película del lado del liquido 
 
En la mayoría de los evaporadores, especialmente en los que tratan materiales viscosos, la 
resistencia del lado del liquido controla la velocidad global de transmisión de calor hacia el 
liquido en ebullición. 
Este coeficiente para soluciones diluidas, en los evaporadores de circulación natural, esta 
comprendido entre 200 y 600 BTU/pie2.h.ºF 
 
La condensación forzada conduce a coeficientes elevados del lado del liquido aun cuando la 
ebullición dentro de los tubos es suprimida por la elevación de la carga estática y, puede 
calcularse a partir de la ecuación: 
( ) 2,0
14,0
3
2
028,0
µµ
µµ
DGk
C
GC
h wP
P
i =⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ 
 
En la practica se determina experimentalmente, se dispone de graficas que permiten 
determinar el valor de este coeficiente para distintas condiciones de operación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla 1. Coeficientes típicos de transferencia de calor para diversos evaporadores* 
(Fuente: Geankoplis, 1998) 
 
 U 
Tipo de evaporador W/m2.ºK Btu/h.pie2.ºF 
Tubo vertical corto, circulación natural 1100 - 2800 200 . 500 
Tubo horizontal, circulación natural 1100 - 2800 200 – 500 
Tubo vertical largo, circulación natural 1100 - 4000 200 – 700 
Tubo vertical largo, circulación forzada 2300 - 11000 400 - 2000 
Película con agitación 680 - 2300 120 - 400 
* Por lo general, los líquidos no viscosos tienen los coeficientes mas altos y los líquidos viscosos, los mas 
bajos en los intervalos dados 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Superficie de evaporación. 
 
Generalmente, este valor es fijo e independiente de las condiciones de operación en 
evaporadores ya construidos. 
 
Diferencia de temperaturas. 
 
La diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el liquido hirviente es función de 
los siguientes factores: 
 
 Las condiciones del vapor de calefacción 
 
 La presión de la cámara de evaporación 
 
 La concentración de la disolución 
 
 Altura de liquido sobre la superficie de calefacción 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Condiciones del vapor de calefacción. 
 
 
El vapor de calefacción en los procesos de evaporación no se encuentra a presión elevada. 
 
Al ser mayor la presión ====> es mayor la temperatura de condensación 
Aumenta el gradiente de temperatura entre la cámara de 
condensación y la de ebullición y con ello la cantidad de 
calor y el costo del equipo. 
 
La entalpía del vapor a presión alta es mayor que a presión baja, su calor de condensación 
disminuye al aumentar la presión, disminuyendo así la cantidad de calor suministrado por 
kilo de vapor condensado 
 
La mayor parte de los evaporadores trabajan con vapor entre 3,5 y 1,75 kg/cm2 ind., 
aunque también existen algunos que lo hacen con vapor entre 3,5 y 4,5 kg/cm2 ind. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Presión en la cámara de evaporación. 
 
Al disminuir la presión en esta cámara disminuye la temperatura de ebullición y con ello 
aumenta el gradiente de temperatura entre el vapor condensante y el liquido hirviente, 
disminuyendo así la superficie de calefacción para las mismas condiciones de operación. 
 
La cámara debe operar en vacío para aumentar la economía del proceso. 
 
Concentración de la disolución. 
 
Para disolventes puros, su temperatura de ebullición seria la correspondiente a la presión 
que se mantuviera en la cámara de evaporación. 
Para disoluciones, la presión de vapor de la disolución es menor que la del disolvente puro; 
por tanto la temperatura de ebullición de la disolución será mayor que la del disolvente 
puro. La diferencia entre ambas se denomina Elevación en el punto de ebullición o 
Incremento del punto de ebullición. 
En la practica para el calculo del incremento del punto de ebullición se hace uso del 
Diagrama de Dϋhring. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Efecto de la carga de liquido y de la fricción sobre la diferencia de temperatura 
 
Se supone que alimentación entra en el evaporador a la temperatura de ebullición del 
liquido para la presión del espacio de vapor, T. A elevadas velocidades, el fluido permanece 
prácticamente liquido hasta el final del tubo y en las ultimas pulgadas del mismo se escinde 
en una mezcla de liquido y vapor. La máxima temperatura del liquido corresponde al punto 
b’ en la Figura 2 
 
Para bajas velocidades, la escisión del liquido se produce cerca del centro del tubo y 
alcanza la máxima temperatura en el punto b de la Figura 2. El punto b divide el tubo endos secciones, una sección sin ebullición por debajo del punto b y una sección con 
ebullición por encima de este punto. 
 
Si el liquido 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 (IPE). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2 Historia de la temperatura del liquido en los tubos y caídas de temperatura en un evaporador de tubos 
verticales largos. 
Fuente: McCabe-Smith-Harriott, 1998. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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. 
 
Capacidad: es el numero de libras de agua evaporada por hora 
 
Economía: es el numero de libras vaporizadas por libra de vapor vivo que entra en la 
unidad 
 
Consumo de vapor: capacidad/Economía = Libras de vapor vivo por hora 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capacidad de un evaporador 
 
 
• Si la alimentación que entra al evaporador esta 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 esta fría, se requiere gran cantidad de calor para calentarla hasta 
su temperatura de ebullición, y consecuentemente, se reduce la capacidad para un 
valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para calentar la alimentación no esta 
disponible para la evaporación. 
 
• Si la temperatura es superior a la de ebullición en el espacio de vapor, una parte de 
la alimentación se evapora espontáneamente mediante equilibrio adiabático con la 
presión del espacio de vapor y la capacidad es superior a la correspondiente q. Este 
proceso se denomina Evaporación Flash. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Balance entálpico si el calor de dilución es despreciable. 
 
Cuando los calores de disolución y cristalización son despreciables, la entalpía de la 
alimentación y la disolución concentrada, hF y hL, pueden calcularse a partir de los calores 
específicos, tomando una temperatura de referencia. 
 
hF = Cp,F(TF – Tref) 
 
El liquido concentrado y el vapor que sale de la cámara de evaporación están en equilibrio, 
y si la disolución no tiene aumento apreciable en el punto de ebullición estarán ambos a la 
misma temperatura TL. La entalpía del vapor que sale de la cámara de vapor, Hv, será igual 
al calor latente de vaporización de la disolución a la temperatura TL. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El calor especifico de las disoluciones cuyo calor de mezcla es despreciable se puede 
determinar, para una concentración x, si se conoce para otra concentración xo, 
considerando que el calor especifico es función lineal de la concentración: 
 
Cp = 1- (1 – Cpo)(x/xo) 
 
Si la disolución tiene aumento apreciable en el punto de ebullición, el vapor procedente de 
la disolución es vapor sobrecalentado y su entalpía será el calor latente a TL - IPE, mas el 
aumento de entalpía debido al sobrecalentamiento. 
 
Balance entálpico si el calor de dilución es apreciable. 
 
En este caso la entalpía no varia linealmente con la concentración a temperatura constante, 
y estas deben determinarse con la ayuda de datos tabulados o mediante diagramas de 
entalpía – concentración. 
 
 
Fig. 3. Diagrama de Dϋrhing para disoluciones acuosas NaOH – H2O 
Fuente: Geankoplis, 1998 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ejemplo. 
Para concentrar 5000 kg/h de una disolución acuosa de NaOH 
desde el 10 % hasta 40 % en peso, se trata en una instalación 
que consta de un evaporador simple, dos intercambiadores de 
calor y un condensador de contacto directo. En uno de los 
intercambiadores se calienta la disolución diluida a expensas 
del condensado procedente de la cámara de calefacción del 
evaporador; en el otro se enfría con agua la disolución 
concentrada procedente de la cámara de evaporación. 
El vapor vivo para la calefacción del evaporador, que es vapor 
saturado a 3,2 atm de presión absoluta, sale como liquido de 
la cámara de calefacción a la temperatura de condensación, y 
del intercambiador a 40 ºC. En la cámara de evaporación se 
mantiene un vacío de 200 mmHg (referido a 760 mmHg), y 
del condensador de contacto directo el liquido sale a la 
temperatura de condensación. La alimentación entra en el 
intercambiador a 20 ºC, y la disolución concentrada sale del 
intercambiador a 45 ºC. El agua de refrigeración de que se 
dispone esta a 20 ºC y sale del intercambiador a 50 ºC. 
Experimentalmente se ha determinado el coeficiente integral 
de transmisión de calor para el evaporador, encontrando que 
vale 1800 Kcal./m2.h.ºC. Determine: a) la temperatura de 
ebullición de la disolución; b) la cantidad de vapor vivo 
consumido; c) Superficie de calefacción del evaporador; d) 
Cantidad de agua de enfriamiento necesaria; e) Superficie de 
calefacción de cada uno de los intercambiadores. 
Si los coeficientes integrales de transmisión de calor valen 500 
y 300 Kcal./m2.h.ºC para el intercambiador que calienta la 
disolución diluida y para el que enfría la concentrada, 
funcionando ambos en contracorriente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Características del liquido 
 Concentración. 
A mayor concentración aumenta: la densidad y la viscosidad y la temperatura de 
ebullición de la disolución 
 Formación de espuma. 
Especialmente las sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Una 
espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un 
importante arrastre. 
 Sensibilidad a la temperatura. 
Se necesitan técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del liquido como el 
tiempo de calentamiento. 
 Formación de costras. 
El coeficiente global de transmisión de calor disminuye progresivamente hasta que se 
hace necesario interrumpir la operación y limpiar los tubos. 
 Materiales de construcción 
Generalmente se construyen con algún tipo de acero. En casos especiales se utilizan 
materiales tales como cobre, níquel, acero inoxidable, grafito y plomo. A fin de 
minimizar los costos del equipo deben obtenerse elevadas velocidades de transmisión 
de calor . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 4. Diagrama Entalpía – composición para el sistema NaOH – H2O. Estado de referencia, 
agua liquida a 0 ºC 
Fuente: Geankoplis, 1998. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Método de calculo para un evaporador simple. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Balance de materia global: F + Vo = V1 + L1 + Vo (1) 
 
Balance de materia del componente menos volátil: F.xF = L1.xL1 (2) 
 
Balance de Energía: Vo.HVo + F.hF = V1.HV1 + L1.hL1 + Vo.hVo (3) 
 
Transmisión de calor: q = Vo.(HVo – hVo) = U.A.△T (4) 
 
Pcamara 
V1 We 
V1 + We 
L1 
x1 
TL1 
F, xF 
 
TF 
Vo 
To, Po 
Vo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Solución: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Balance de materia global: F = V1 + L1 ====> 5000 kg/h = V1 + L1 
Balance de materia en soluto: F.xF = L1.xL1 ====> 5000 (0,10) = L1(0,40) 
 
L1 = 1250 kg/h 
V1 = 3750 kg/h 
 
 
 
Pcamara 
 
560 
mmHg 
 
Vo 
F, xF = 0,1 
 
TF = 20 ºC 
Vo 
L1 
 
xL1 = 0,4 
V1 W 
V1 + W 
Vo 
TVo = 40 ºCFig. 2. Disposición del rehervidor de circulación forzada 
 
TIPOS DE REHERVIDORES 
 
 
Fig.1. Disposición del rehervidor de circulación natural 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3 Rehervidor de termosifón 
vertical 
 
Fig. 2. Disposición del rehervidor de 
 circulación forzada 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TIPOS DE REHERVIDORES (Cont.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.4. Rehervidor de termosifón horizontal 
 
 
 
Fig. 5 Disposición del rehervidor de marmita 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GUIA RAPIDA DE SELECCIÓN DEL REHERVIDOR 
 
 De Marmita (6) De Termosifón 
De paso continuo (1) De recirculación 
De Circulación 
forzada (5) 
Horizontal Vertical 
Horizontal (2) Vertical (3) 
Con 
desviador (4) 
Sin 
desviador 
Con 
desviador (4) 
Sin 
desviador 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Cuando la disolución concentrada es muy viscosa, el sistema de alimentación mas 
adecuado el la alimentación en contracorriente, para contrarrestar en parte, el 
aumento de la viscosidad con la concentración. 
 
 En la alimentación directa, la disolución mas concentrada se encuentra en el efecto 
de menor temperatura, alcanzando una viscosidad para la cual el coeficiente de 
transferencia de calor desciende notablemente. 
 
 La alimentación mixta se utiliza cuando la solución es intermedia: la disolución diluida 
entra al segundo efecto y sigue el sentido de la alimentación directa, pasando 
después desde el ultimo efecto al primero para completar la evaporación a 
temperatura elevada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Si la temperatura de entrada es inferior a la de ebullición del primer efecto: debe 
alimentarse en corriente indirecta o contracorriente ya que la temperatura de 
ebullición en el ultimo efecto es menor, la disolución recibe menos calor sensible y la 
perdida de evaporación no afecta el resto de los efectos. 
 
 Si la temperatura de entrada es superior a la de ebullición del ultimo efecto: es mas 
conveniente la alimentación directa