EVAPORACIÓN

Evaporación
Evaporación es el proceso por el cual moléculas en a líquido estado (e.g. agua) conviértase espontáneamente gaseoso (e.g. vapor de agua). Es el contrario de condensación. Generalmente, la evaporación se puede considerar por la desaparición gradual de un líquido cuando está expuesta a un volumen significativo de gas.
En promedio, las moléculas no tienen bastante energía a escaparse del líquido, o bien el líquido daría vuelta en el vapor rápidamente. Cuando chocan las moléculas, transfieren energía el uno al otro los grados que varían, basados en cómo chocan. La transferencia es a veces tan unilateral para una molécula cerca de la superficie que termina para arriba con bastante energía para escapar.

Líquidos que no se evaporan visiblemente en una temperatura dada en un gas dado (e.g. el aceite de cocina en la temperatura ambiente) tiene moléculas que no tiendan para transferir energía el uno al otro en un patrón suficiente con frecuencia dar a una molécula la energía térmica necesaria para dar vuelta en el vapor. Sin embargo, estos líquidos sea el evaporarse, es justo que el proceso es mucho más lento y así perceptiblemente menos visible.
La evaporación es una parte esencial de ciclo del agua. Energía solar conduce la evaporación del agua de océanos, lagos, humedad en el suelo, y otras fuentes del agua. En hidrología, evaporación y transpiración (que implica la evaporación dentro planta estomas) se llaman colectivamente evapotranspiración.
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Teoría
Para moléculas de un líquido a evaporarse, deben ser situados cerca de lasuperficie, moverse en la dirección apropiada, y tener suficiente energía cinética para superar fuerzas intermoleculares liquid-phase. Solamente una proporción pequeña de las moléculas resuelve estos criterios, así que el índice de la evaporación es limitado. Puesto que la energía cinética de una molécula es proporcional a su temperatura, la evaporación procede más rápidamente en una temperatura más alta. Mientras que las moléculas de rápido-mudanza se escapan, las moléculas restantes tienen energía cinética media más baja, y la temperatura del líquido disminuye así. Este fenómeno también se llama refrigeración por evaporación. Esta es la razón por la cual evaporándose sudor refresca el cuerpo humano. La evaporación también tiende para proceder más rápidamente con índices de corriente más altos entre la fase gaseosa y líquida y en líquidos con más arriba presión del vapor. Por ejemplo, el lavadero en una línea de las ropas se secará (por la evaporación) más rápidamente en un día ventoso que en un día inmóvil. Tres porciones dominantes a la evaporación son calor, humedad y movimiento de aire.

Equilibrio evaporativo
Si la evaporación ocurre en un recipiente cerrado, las moléculas que se escapan acumulan como a vapor sobre el líquido. Muchas de las moléculas vuelven al líquido, con las moléculas que vuelven llegando a ser más frecuentes como densidad y presión de los aumentos del vapor. Cuando el proceso del escape y de la vuelta alcanza equilibrio, el vapor reputa “saturado,” y ningún otro cambio en tampoco presión del vapor y la densidad o la temperatura del líquidoocurrirá. Para un vapor del sistema y un líquido que consisten en de una sustancia pura, este estado del equilibrio se relaciona directamente con presión del vapor de la sustancia, según lo dado por Relación de Clausius-Clapeyron
Donde P1, P2 están las presiones del vapor en las temperaturas T1, T2 respectivamente, ΔHvap es entalpia de la vaporización, y R es constante de gas universal. El índice de la evaporación en un sistema abierto se relaciona con la presión del vapor encontrada en un sistema cerrado. Si se calienta un líquido, cuando presión del vapor alcanza la presión ambiente que el líquido ebullición.
La capacidad para una molécula de un líquido de evaporarse se basa en gran parte en la cantidad de energía cinética una partícula individual puede poseer. Incluso en temperaturas más bajas, las moléculas individuales de un líquido pueden potencialmente evaporarse si tienen más que la cantidad mínima de energía cinética requerida para la vaporización.

Factores que influencian el índice de la evaporación
Concentración de la sustancia que se evapora en el aire: Si el aire tiene ya una alta concentración de la sustancia que se evapora, después la sustancia dada se evaporará más lentamente.
Concentración de otras sustancias en el aire: Si el aire se satura ya con otras sustancias, puede tener una capacidad más baja para evaporarse de la sustancia.
Caudal del aire: Esto está en la parte relacionada con los puntos de la concentración arriba. Si el aire fresco se está moviendo sobre la sustancia toda la hora, después la concentración de la sustancia en el aire esmenos probable ir para arriba con tiempo, así animando una evaporación más rápida. Éste es resultado del capa de límite en disminuir superficial de la evaporación con la velocidad del flujo, disminuyendo la distancia de la difusión en la capa estancada.
Concentración de otras sustancias en el líquido (impurezas): Si el líquido contiene otras sustancias, tendrá una capacidad más baja para la evaporación.
Temperatura de la sustancia: Si la sustancia es más caliente, entonces la evaporación será más rápida.
Fuerzas intermoleculares: Cuanto más fuertes son las fuerzas que mantienen las moléculas juntas el estado líquido, más la energía una debe conseguir escaparse.
Área superficial: Una sustancia que tiene un área superficial más grande se evaporará más rápidamente pues hay más moléculas superficiales que pueden escaparse.
En los E.E.U.U., el servicio nacional del tiempo mide el índice real de la evaporación de una superficie abierta estandarizada del agua de la “cacerola” al aire libre, en las varias localizaciones por toda la nación. Otros hacen además alrededor del mundo. Los datos de los E.E.U.U. se recogen y se compilan en un mapa anual de la evaporación. Las medidas se extienden de debajo 30 sobre a 120 pulgadas por año. Los fórmulas para calcular el índice de la evaporación de una superficie del agua tal como una piscina del se pueden encontrar aquí y aquí

Usos
Cuando las ropas se cuelgan en una línea del lavadero, aun cuando la temperatura ambiente está debajo del punto que hierve del agua, agua se evapora. Esto es acelerada por factores tales comohumedad, calor (del sol), y viento bajos. En a secador de ropas el aire caliente está soplado a través de las ropas, permitiendo que el agua se evapore muy rápidamente.

Vaporización de la combustión
Combustible gotitas vaporícese como reciben calor mezclándose con los gases calientes en la cámara de combustión. El calor (energía) se puede también recibir por la radiación de cualquier pared refractaria caliente de la cámara de combustión.

Evaporación como una operación unitaria
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 transmitida. 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 tS/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 línea 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).

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y EVAPORACIÓN

La operación y el diseño de las operaciones de transferencia de calor están limitados por las propiedadesfísicas del producto, y para los alimentos hay que agregar la degradación por calor y por bacterias.
Las propiedades físicas que cambian durante la evaporación y que limitan el rango de operación son la viscosidad y la elevación del punto de ebullición. Otras variables importantes en las operaciones de transferencia de calor son la conductividad térmica, la capacidad calorífica y la densidad. Todas afectan la velocidad de transferencia de calor en menor o mayor grado.
La viscosidad del producto influye directamente en el coeficiente de
transferencia de calor, sobre todo al obtener altas concentraciones, ya que
la mayoría de los alimentos líquidos aumentan su viscosidad, dificultando su
flujo y con riesgo de causar taponamientos.
La elevación del punto de ebullición es una propiedad coligativa, que es gobernada por ecuaciones bien definidas y que se desglosan más adelante. Es importante en la evaporación ya que la velocidad de transferencia de calor depende de la temperatura del producto, y en ocasiones es mayor que la temperatura del vapor de agua pura (vapor vivo) utilizado como medio calefactor.

En los problemas de transferencia de calor en la evaporación, las propiedades que juegan un papel importante son:
•Calor específico – es una medida de la cantidad de energía necesaria para elevar una unidad de temperatura la unidad de masa.
•Calor latente – es una medida de la cantidad de energía necesaria para que ocurra un cambio de fase.
•Entalpía – es una medida de la energía absorbida o desprendida en procesos a presión constante.
En el conjunto deprocesos de calentamiento o enfriamiento, la cantidad de energía suministrada o eliminada viene dada por:
Q = masa x calor específico x incremento de temperatura
Q = m Cp ΔT
En un proceso continuo la tasa de calor transferido viene dada por:
Q/t = tasa de flujo másico x calor específico x ΔT
Lo anterior se conoce como variaciones de calor sensible, es decir, los cambios de energía que pueden detectarse por una variación de temperatura.
Relación entre el calor específico y la composición de un alimento
En el conjunto de procesos de calentamiento o enfriamiento, la cantidad de
Energía suministrada o eliminada viene dada por:
Q = masa x calor específico x incremento de temperatura
Q = m Cp ΔT

En un proceso continuo la tasa de calor transferido viene dada por:

Q/t = tasa de flujo másico x calor específico x ΔT
Lo anterior se conoce como variaciones de calor sensible, es decir, los cambios de energía que pueden detectarse por una variación de temperatura.
Relación entre el calor específico y la composición de un alimento
La fórmula más sencilla para calcular aproximadamente el calor específico de un alimento es la siguiente:
Cp = maCpa + msCps
ma = fracción de masa del agua
Cpa = calor específico del agua
ms = fracción en masa de los sólidos
Cps = calor específico de los sólidosSi es posible obtener un análisis aproximado del alimento, puede utilizarse la siguiente ecuación:
Cp = maCpa + mcCpc + mpCpp + mgCpg + mzCpz

Calor específico de gases y vapores

Se considera bajo dos condiciones: Un gas puede ser calentado a volumenconstante o a presión constante.
El calor específico a volumen constante Cv, es la cantidad de calor necesaria para elevar a la unidad de masa una unidad de temperatura, manteniendo constante el volumen.
El calor específico a presión constante Cp, es el calor necesario para elevar a la unidad de masa una unidad de temperatura, manteniendo constante la presión. En este último caso se requiere una energía adicional para expandir el gas manteniendo la presión constante (si el gas no se expande, la presión aumentará). Por lo tanto Cp>Cv.
La relación Cp/Cv se representa pori€€ Este valor decrece cuando disminuye el número de átomos en la molécula. El valor normal para moléculas diatómicas es 1.4.
El calor específico de un gas también varía con la temperatura. Normalmente aumenta con el aumento de la temperatura. Con la siguiente expresión se puede hallar esta relación:
Cp = a + bT + cT2 + dT3
Donde a,b, c y d son constantes características del gas y T la temperatura absoluta.
Valores de las constantes a, b, c, y d para calcular Cp de gases (J/mol°K

Tipos de evaporadores utilizados en la industria.

Evaporador de flujo ascendente evaporador de flujo descendente




Evaporador de circulación forzada evaporador de película agitada


Evaporador de tubo horizontal evaporador de tubo vertical