Evaporación

Estado de sólidos. Disolventes. Disolución. Punto de ebullición

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EVAPORACIÓN

La operación consiste en la separación de un disolvente volátil de un soluto no volátil por vaporización del disolvente; el agua es el disolvente que con más frecuencia se separa. La calefacción se efectúa por medio del vapor condensante.

Los problemas de evaporación, se resuelven por aplicación de los conceptos generales de transmisión de calor DESDE EL VAPOR CONDENSANTE HASTA LA DISOLUCIÓN A CONCENTRAR. La cantidad de calor será .

Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación, separadas por la superficie de calefacción A, a través de la que se trasmite q. t, es la diferencia de temperaturas, entre la temperatura de condensación del vapor calefactor y la temperatura de ebullición del líquido que se concentra. Este valor de t depende de:

  • las condiciones del vapor de calefacción: en general no se utilizan altas presiones, aunque al hacerlo así, seria mayor la temperatura de condensación y en consecuencia, el gradiente entre ambas cámara y q transmitido. La razón es la carestía y el aprovechamiento para producir energía mecánica. Revísese una tabla que exprese las propiedades termodinámicas del vapor de agua saturado y en concreto las relaciones tª/p/entalpia y el calor latente de condensación.

  • La presión mantenida en la cámara de evaporación. Claramente si se disminuye la presión se desciende la temperatura de ebullición. Esta cámara trabaja a vacío.

  • La concentración de la disolución.

  • Si se trata de un disolvente puro, su temperatura de ebullición sería la correspondiente a la presión que se mantuviera en la cámara de evaporación, pero al tratarse de disoluciones, la presión de vapor de la disolución es menor que la del disolvente puro y por tanto la temperatura de ebullición de la disolución es mayor, produciéndose UN INCREMENTO DEL PUNTO DE EBULLICIÓN (recuérdese la ley de Raoult y el aumento ebulloscopico).

    El incremento en el punto de ebullición no se determina teóricamente, sino experimentalmente debido a las desviaciones respecto a lo ideal. Esto se hace mediante la conocida regla de Dühring: “si se representa el punto de ebullición de una disolución frente al punto de ebullición del disolvente, los puntos correspondientes a distintas presiones, caen en una linea recta”.

    El cálculo de evaporadores utiliza todo lo expuesto, junto a balances de materia y de calor o entalpicos.

    Cuando un simple evaporador no rinde los resultados, se recurre a evaporación en múltiples efectos (directa, paralela, contracorriente, mixta).

    EJEMPLO DE UN EVAPORADOR SIMPLE

    W, S, F y E son caudales de alimentación en kg/h de vapor calefactor (W), disolución concentrada (S), disolución diluida (F), disolvente evaporado(E).

    Las entalpías o contenidos caloríficos en Kcal/s Kg se representan por “H” (si es de vapor) y “h” (si es líquido).

    El evaporador esta dividido en dos cámaras: la cámara de calefacción (a) y la cámara de condensación (b).

    a) Balance de materia

    TOTAL

    SÓLIDO

    LIQUIDO

    Sol. Diluida

    Sol. Concentrada

    Disolvente evaporado

    b) Balance de calor o entalpicos

    Si el condensado procedente del vapor de calefacción, abandona la cámara de calefacción a la temperatura de condensación tenemos y como quedaría .

    El líquido concentrado y el vapor que salen de la cámara de evaporación están en equilibrio y si la disolución no tiene incremento en el punto de ebullición estarán ambos a temperatura ts. Tomando esta como referencia para las entalpías se anula Shs. Por otra parte He es el calor latente de vaporización de la disolución a ts y hF será .

    La ecuación anterior queda:

    Si existe incremento en el punto de ebullición el vapor procedente de la disolución es vapor recalentado y tomando como referencia ts su entalpía sería el calor latente a más la entalpía debida al recalentamiento que a su vez es .

    Algunas aclaraciones a LOS PROBLEMAS DE EVAPORACIÓN REALIZADOS

    Los problemas realizados cabe encuadrarles en dos grupos: aquellos que permiten el calculo de las entalpías hs y hF realizando algunas simplificaciones de la formula general del balance de calor y aquellos otros donde hs y hF se calculan mediante gráficas (en nuestro caso los problemas de disoluciones de NaOH)

    Balance general de calor

    a) Balance cuando los calores de dilución, cristalización etcétera son despreciables

    hF y hs se pueden calcular mediante calores específicos tomando una temperatura de REFERENCIA

    a.1. Si el condensado procedente del vapor calefactor sale a la temperatura de condensación podemos realizar la siguiente operación:

    ; pero

    (esta simplificación siempre será posible). Seguimos:

    S y He están en equilibrio y si NO HAY un t grande, ambos están a ts. Entonces, comenzamos a contar las entalpías a partir de ts con lo cual Shs es cero y He es el calor latente a ts. HF lo podemos calcular con la formula general del calor . En resumen queda:

    puede ocurrir que t sea considerable, entonces E es un vapor recalentado y siguiendo contando a partir de ts, la entalpía será el calor latente a más 0,46 (calor específico del vapor de agua) por t.

    Un ejemplo de evaporación con  es el problema del coloide orgánico; otro ejemplo con  es el problema de los 20000 kg que se concentran de un 10 a un 50% en peso.

    b) Balance cuando el calor de dilución es considerable

    Aquí no tenemos más remedio que utilizar gráficos para calcular hF y hs; además no hay formula conocida para calcular la elevación del punto de ebullición en disoluciones concentradas y hay que usar graficas (Dühring). Solo podemos utilizar la formula general y aquella otra que admite que el condensado sale a la temperatura de condensación es decir:

    ya no contamos a partir de ts y He es vapor recalentado obteniendo su entalpía como suma de la que tiene el vapor saturado más 0,46.

    Uno y otro caso precisarán al final utilizar:

    Recuerda:

    : calor latente del vapor calefactor (gráficas y H”-h')

    t ebullición: Despreciable

    Considerable. Esto último será para nosotros lo habitual ya que limitaremos los problemas a las disoluciones de NaOH concentradas y en consecuencia temperatura de ebullición en Dürhing.

    hF y hs en gráfica

    He recalentado = Entalpía vapor H2O saturado + 0,46.

    No confundir el incremento en el punto de ebullición de la disolución con t en en el cual es la temperatura de condensación del vapor menos temperatura de ebullición de la disolución

    E,He

    WHw

    q

    F,hF

    b

    a

    S,hs

    W,hw

    b

    a

    S,hs

    W,hw

    F,hF

    E,He

    WHw

    q

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