Evaporador de múltiple efecto

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Evaporador de múltiple efecto
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Evaporador de múltiple efecto. es un equipo que consta de un conjunto de evaporadores unidos convenientemente, entre el suministro de vapor vivo y el condensador, para evaporar agua de forma eficiente. El primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. El primer efecto es el que recibe el vapor vivo procedente de un generador de vapor.

Durante el funcionamiento, el vapor procedente de la evaporación del primer efecto se utiliza como vapor calefactor en el segundo efecto y el producido en este como vapor calefactor del tercero y así sucesivamente. Es evidente que para su funcionamiento es necesario que el vapor calefactor en cada efecto condense a una temperatura superior a la de ebullición en este efecto, lo que exige que haya entre los diferentes efectos una diferencia de presión suficiente para que se produzca la ebullición.

Principios generales

En un evaporador de efecto simple, la entalpía del vapor producido no es aprovechada, ya que este vapor no es utilizado como elemento o agente de calefacción. Sin embargo, sí puede usarse en un segundo evaporador si la disolución contenida en este último tiene un punto de ebullición suficientemente bajo para que la diferencia de temperatura entre el vapor de calefacción y la disolución hirviente proporcione un flujo de calor adecuado. El vapor producido en el primer efecto es utilizado como agente de calefacción en el segundo, en el cual se condensa a una temperatura superior a la de ebullición de la disolución que se evapora en el mismo. El vapor producido en este segundo evaporador se lleva a un tercero en el que se condensa a una temperatura superior a la de ebullición de la disolución que se encuentra en el mismo; el vapor de agua producido en este último efecto se recoge en un condensador conectado a su vez con un sistema de vacío. Si los evaporadores se numeran en el sentido en que disminuye la presión, y las presiones y las temperaturas en cada unidad son, respectivamente, P1, P2, y P3, y T1, T2, y T3, se cumple que: P1 > P2 > P3 Y T1 > T2 > T3

El estudio de un sistema de evaporación de efecto múltiple se puede realizar tomando como base las siguientes suposiciones:

  • a) El sistema opera en condiciones de flujo y estado estacionarios. Las velocidades de flujo de masa son tales que en ningún evaporador hay acumulación o disminución de disolvente o soluto. Las concentraciones, las presiones y las temperaturas en cada evaporador se mantienen constantes.
  • b) Las disoluciones no presentan elevación del punto de ebullición, y los efectos de la carga hidrostática son despreciables.
  • c) La cantidad de calor necesaria para llevar la alimentación desde su temperatura inicial, TF, hasta la temperatura de ebullición, T1, también se considera despreciable, de tal forma que la cantidad de calor proporcionada por el vapor de calefacción en el primer efecto se encuentra como calor latente en el vapor que sale del mismo.
  • d) Las entalpías de dilución no se toman en consideración.
  • e) También se desprecia el calor que lleva el líquido, como consecuencia de estar a una temperatura por encima de la de ebullición, cuando pasa de un efecto a otro.

Entonces, la cantidad de calor transmitida en cada efecto en la unidad de tiempo es: i = Ui . Ai siendo Como la cantidad de calor cedida en un evaporador por el vapor de calefacción procedente del evaporador anterior es igual a la cedida en el evaporador anterior, se pueden establecer las ecuaciones anteriores con carácter aproximado. Los errores cometidos con estas suposiciones son cuantitativamente pequeños. En los evaporadores de múltiples efectos las áreas son iguales, por lo que se puede escribir:

de donde se deduce que, en ellos, la diferencia de temperatura es, de forma aproximada, inversamente proporcional al valor del coeficiente global de transmisión de calor en el mismo. Si se considera que no hay elevación en el punto de ebullición, se cumplirá: (10.9)

Métodos de alimentación

Alimentación directa
  • 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.
Alimentación a contracorriente
  • 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.
Alimentación mixta
  • 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.
Alimentación en paralelo
  • 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.

En general, para decidirnos por un sistema de alimentación u otro, es necesario efectuar el cálculo previo del rendimiento de evaporación para cada uno de los sistemas.

Si la temperatura de entrada del alimento es bastante inferior a la de ebullición en el primer efecto, en el caso de corrientes directas todo el calor que se da en el primer efecto va destinado a calentar el alimento (calor sensible) y muy poco a producir vapor, lo que provocará un bajo rendimiento en el proceso global del múltiple efecto. En este caso se prefiere la circulación a contracorriente.

Por lo contrario, cuando la disolución entra en el sistema a temperatura superior a la de ebullición del último efecto, será más conveniente la alimentación directa, ya que lo que pasaría sería que la disolución al entrar al último efecto lo vaporizaría parcialmente, produciendo un vapor que no tiene utilidades posteriores, entonces la disolución lo enfriaría hasta la temperatura de la cámara de evaporación del último efecto y posteriormente se tendría que ir calentando al entrar a cada efecto.

Historia

El evaporador de efecto múltiple fue inventado por el inventor americano e ingeniero Norbet Rillieux. Aunque Rillieux diseño el aparato durante la década de 1820 y construyó un prototipo en 1834, no pudo construir el primer evaporador práctico industrial hasta 1845. Originalmente diseñado para concentrar azúcar proveniente del jugo de la caña de azúcar, hoy en día se usa ampliamente en la industria donde volúmenes grande de agua necesiten ser evaporados, como en la producción de sal o en la desalinización de agua. La evaporación con efecto múltiple en plantas puede alcanzar ocho etapas o más en plantas de extracción de azúcar, mientras que en la producción de papel se suelen usar seis etapas para extraer la pulpa de papel.

Fuentes

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