Vapor de agua: introducción

Vapor de agua: introducción

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VAPOR DE AGUA: INTRODUCCIÓN

El agua es una sustancia que en condiciones moderadas de presión y temperatura se presenta en los tres estados de agregación. Su importancia para la vida no es necesario remarcarla, pero también es fundamental en la inmensa mayoría de los procesos químicos y de ingeniería. No solo es el disolvente universal sino que también es usada en circuitos de refrigeración, ciclos de potencia, y en multitud de aparatos y operaciones en los que absorbe o cede energía, con o sin cambios de fase.

Por tanto, el conocimiento de sus propiedades termodinámicas y de transporte es fundamental en esta rama de la ingeniería química y, aunque este estudio no es propio de una asignatura de "Operaciones Básicas", es imprescindible para poder encarar con un mínimo de garantías el tema de la evaporación que se pretende desarrollar.

La medida experimental y el cálculo analítico de las propiedades de los cuerpos son tareas costosas; por ello, solo se poseen datos relativamente completos de los cuerpos que tienen aplicación industrial, y entre ellos, como se ha citado, el agua, sobretodo a partir del desarrollo de las máquinas y generadores de vapor

DIAGRAMAS DE FASES Y P-V

Para cualquier sustancia pura, se puede representar gráficamente las relaciones existentes entre la presión, volumen específico y temperatura en un diagrama tridimensional como el de la figura 10.1. En él se aprecian tres regiones, S, L, G, en las cuales el cuerpo se encuentra en una única fase, sólida, (hielo), líquida, (agua), y gaseosa, (vapor). En cada una de estas regiones monofásicas el estado del cuerpo viene determinado por dos cualesquiera de las tres propiedades que definen los ejes.

Entre las regiones monofásicas se encuentran situadas las de transición o bifásicas, en las cuales coexisten dos fases en equilibrio: líquido-vapor, sólido-vapor, y sólido-líquido. La región sólido-líquido comprende de "a" a "b", y el volumen en "b" es mayor que en "a". Esto es debido a que la fusión del hielo va acompañada de una contracción de volumen, ( en la mayoría de los casos sucede lo contario, ocupando entonces el punto "b" una posición como la b').

Fig. 10.1. Superficie PvT para una sustancia que se expande al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 109).

En las regiones bifásicas, las propiedades de temperatura y presión son función una de la otra, por lo cual, si una de ellas varía, también lo hace la otra. Por esta razón, no puede definirse el estado de un cuerpo conociendo estas dos propiedades, (que sería lo mismo que conocer solo una, ya que la otra no es independiente), sino que debe utilizarse el volumen específico y una cualquiera de las dos citadas, presión o temperatura.

El volumen específico de un sistema bifásico es igual a la suma de los volúmenes, (no específicos) de cada fase, porque la masa de la mezcla es la unidad. De aquí que si la masa contenida en una fase aumenta, la que compone la otra disminuye en la misma cantidad, y el volumen específico del sistema tiene que variar.

A lo largo de la línea "abd" pueden existir tres fases en equilibrio; se denomina "línea triple" y constituye el lugar geométrico de los "puntos triple". En este caso, si la masa de una fase aumenta, la masa total de las otras dos disminuye en la misma cantidad, pero no se puede determinar la disminución de la masa de cada fase. Por tanto, las propiedades presión, volumen específico y temperatura no son suficientes para fijar completamente el estado de una mezcla en el punto triple, porque pueden existir infinidad de mezclas en la línea "abd" que cumplan dichas condiciones.

Este diagrama tridimensional puede proyectarse sobre los ejes coordenados, estando representado en las figuras 10.2. y 10.3 sobre los ejes de presión y temperatura, (diagrama de fases) y presión volumen.

Fig. 10.2. Diagrama PT de fases para una sustancia que se contrae al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 111).

En la figura 10.2, cualquier línea horizontal trazada por encima del punto triple y por debajo del punto crítico, que ahora definiremos, nos muestra la transformación de hielo en vapor de agua en un proceso de calentamiento a presión constante. En las curvas tenemos definidos los respectivos puntos de fusión y de ebullición a la presión considerada, no debiéndose olvidar que cada punto de dichas curvas corresponden a infinitas posibilidades de mezclas bifásicas.

La transición directa de hielo a vapor de agua puede hacerse si se reduce la presión por debajo de la correspondiente al punto triple, obteniéndose la curva de sublimación correspondiente.

El punto crítico, "c", es aquel a partir del cual no existe ninguna diferencia entre las fases líquida y gaseosa. Si tuviéramos en un recipiente una mezcla de líquido y vapor en equilibrio y aumentamos la presión y la temperatura, al llegar a "c" desaparece el menisco que señala la presencia de las dos fases, y todas las propiedades son iguales. Por encima y a la derecha de "c" se tiene la región del "fluido", el cual no podría licuarse por un aumento de presión a temperatura constante. Por lo tanto, puede pasarse de agua líquida a vapor de agua siguiendo una línea tal como la "nwxy", sin que exista discontinuidad.

Se llama vapor a un gas que se encuentra a una temperatura inferior a su crítica y que puede condensarse por enfriamiento a presión constante o por compresión a temperatura constante.

En la figura 10.3. se encuentran representadas las transformaciones anteriores en un diagrama presión-volumen. En él se van a distinguir distintos estados posibles, cada uno de los cuales pasamos a definir a continuación.

Fig. 10.3. Diagrama para una sustancia que se contrae al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 112).

Se define el "vapor de agua saturado" como aquel que se encuentra a la temperatura de ebullición correspondiente a su presión absoluta; por lo tanto, es un vapor que se encuentra en contacto y en equilibrio con agua líquida. De igual modo, el agua líquida saturada es aquella que se encuentra en equilibrio con el vapor saturado, (puntos desde "v" a "u" en la figura 10.3). La temperatura y la presión a la que coexisten ambas fases en equilibrio se denominan temperatura y presión de saturación.

Se define el "vapor saturado y seco" como aquel que se encuentra completamente exento de partículas de agua líquida, (en equilibrio con una microgota), (punto u). El "vapor húmedo", o "vapor saturado húmedo es aquel que contiene partículas de agua en suspensión, (puntos de "u" a "v"). Su estado queda definido por la presión o la temperatura y por el "título", X, que es la relación entre la masa de vapor saturado y seco y la de vapor húmedo, suma de las de agua líquida y vapor saturado y seco: (10.1)

Según lo expuesto, dejaremos el nombre de agua líquida saturada para aquella que corresponde al punto "v", pues los demás estado serán de vapor húmedo o de vapor saturado y seco.

Se define el vapor de agua "sobrecalentado o recalentado" como aquel que a una presión determinada se encuentra a una temperatura superior a la de saturación, punto u'. En él, la temperatura y la presión son independientes entre sí y, por lo tanto, la definición de su estado requiere de la especificación de ambas variables. Se define el grado de sobrecalentamiento como la diferencia entre la temperatura real del vapor sobrecalentado y la de saturación a la misma presión.

Se define el agua líquida "comprimida o subenfriada" como aquella que se encuentra a una presión superior a la de saturación a la misma temperatura, (punto "n" en relación con "v"), o a temperatura inferior a la de saturación a la misma presión. Al igual que para el vapor de agua sobrecalentado, se requiere del conocimiento de la temperatura y de la presión para definir el estado del agua líquida comprimida.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL VAPOR DE AGUA. DIAGRAMA DE MOLLIER

El conocimiento y evaluación de las propiedades termodinámicas del agua y del vapor de agua en sus distintos estados es fundamental para la resolución de los problemas en los que esta sustancia se encuentra implicada. De todas ellas, la entalpía es la más importante, ya que la mayoría de los procesos se efectúan a presión constante.

Para poder evaluarla es preciso tomar un nivel de referencia, asignándose un valor de entalpía igual a cero al agua líquida en las condiciones del punto triple, es decir, a C. A efectos prácticos, puede tomarse también el nivel de referencia en C. (Los valores de la entalpía y de otras propiedades se encuentran recogidos en tablas, que serán objeto de explicación en clase).

La entalpía de un agua líquida saturada es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua desde C hasta su temperatura de ebullición a una presión determinada. La simbolizaremos como hf.

La entalpía de vaporización es la cantidad de calor necesaria para convertir 1 kg de agua líquida saturada en vapor saturado y seco. Su valor disminuye con el aumento de temperatura y se hace cero en el estado crítico. La designaremos como hfg.

La entalpía de un vapor saturado y seco es la suma de las dos anteriores. hg = hf + hfg.

La entalpía de un vapor de agua húmedo se define como la cantidad de calor necesaria para obtener 1 kg de vapor húmedo a partir de 1 kg de agua líquida saturada a 0,01º C. Su valor es menor que el anterior hg, pudiéndose escribir, en función del título:

(10.2)

Esta ecuación es válida para el cálculo de cualquier otra propiedad termodinámica en función del título, si bien, para el caso del volumen específico de un vapor húmedo se puede simplificar, ya que la contribución de la fase líquida en el volumen total puede despreciarse. Así:

Para el vapor de agua sobrecalentado, la entalpía puede calcularse de acuerdo a la expresión siguiente: , siendo cp,v la capacidad calorífica media del vapor entre las temperaturas consideradas, e el grado de sobrecalentamiento.

Finalmente, las propiedades del agua líquida comprimida no difieren de las del agua líquida saturada a la misma temperatura para presiones no superiores a 28 bar, aproximadamente, por lo que pueden utilizarse los valores de ésta última.

Todas estas propiedades, como se ha indicado anteriormente, se encuentran recogidas en tablas, pero para el caso del agua, también lo están en forma de diagrama. El diagrama de Mollier, figura 10.4., es un diagrama en las coordenadas entalpía-entropía, en el que se incluyen también las líneas de presión y temperatura constante, las de humedad constante, las del vapor y el líquido saturados, las de recalentamiento constante, y las de volumen específico constante. Como con cualquier diagrama de propiedades, la localización de las mismas es inmediata, si bien el grado de exactitud en sus uso es inferior al conseguido a partir de los datos tabulados. De todos modos, es muy empleado en todos los problemas en los que interviene el agua en sus estados líquido y vapor.

Fig. 10.4. Diagrama de Mollier para el vapor de agua. (Fuente: American Society of Mechanical Engineers).

EVAPORACIÓN: INTRODUCCIÓN

En Ingeniería Química, la evaporación es una operación en la que se separa, mediante ebullición, un disolvente volátil de uno o varios solutos no volátiles, con los que se encuentra mezclado formando una disolución o suspensión. En la inmensa mayoría de las evaporaciones el disolvente es el agua.

Hay otras Operaciones Básicas similares en cuanto a la transferencia de materia y energía, pero en las que se persigue un fin distinto. Así, la evaporación se diferencia del Secado en que el residuo es un líquido en vez de un sólido; de la destilación, en que el vapor es generalmente de un solo componente, y aunque fuese una mezcla, en la evaporación no se pretende separar en fracciones; de la cristalización, en que el interés se centra en concentrar una disolución, pero no en la obtención y crecimiento de los cristales. En algunos casos, como en la evaporación de salmuera para obtener sal común, no hay una separación muy marcada entre evaporación y cristalización.

La resolución práctica de un problema de evaporación, (elección del tipo de evaporador), está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra, lo que hace que esta operación sea distinta de la simple transmisión de calor.

Algunas de las propiedades más importantes de las disoluciones, a tener en cuenta en un proceso de evaporación, son las siguientes:

Concentración de la disolución: Aunque el líquido que entra en un evaporador puede ser suficientemente diluido y poseer las propiedades del agua, a medida que aumenta la concentración, la densidad y viscosidad de la disolución aumentan, disminuyendo, por tanto, el coeficiente global de transmisión del calor. Si la ebullición es continuada, se puede alcanzar el estado de saturación, en cuyo caso habrá que retirar los cristales formados. Así mismo, es frecuente que con el aumento de concentración aumente también la temperatura de ebullición de la disolución, dificultando el proceso, incluso impidiéndolo, si no se prevee, ya que podría resultar mayor la temperatura de ebullición que la del propio vapor de calefacción.

Formación de espumas: Algunas sustancias, principalmente las orgánicas, forman una capa de espuma estable durante la ebullición. Esta capa de espuma es indeseable porque el vapor formado puede arrastrarla y, por tanto, perderse una cantidad importante de líquido. Las espumas se forman cuando hay una capa de líquido con distinta tensión superficial que el resto de la masa, ocasionada a veces por la presencia de pequeñísimas partículas sólidas o incluso coloidales, habiéndose dedicado un esfuerzo considerable al estudio de las técnicas antiespumantes.

A veces se utilizan métodos químicos, adicionando pequeñas cantidades de reactivos, (aceites sulfonados), para disminuir o reducir la formación de espumas. Si se quiere evitar la adición de sustancias extrañas, se pueden eliminar las espumas modificando el diseño del evaporador, con una superficie caliente que rompa la espuma, (muchas se destruyen a alta temperatura), o haciendo pasar el vapor formado a través de unas placas deflectoras, contra las que choca, evitando así el arrastre.

Sensibilidad a la temperatura: Muchos productos químicos, principalmente alimenticios y farmacéuticos, se estropean cuando se calientan a temperaturas no muy elevadas durante espacios de tiempo relativamente cortos, en cuyo caso, habría que recurrir a técnicas especiales para evitarlo.

Formación de incrustaciones: Hay sustancias que se denominan de solubilidad invertida, en las que la solubilidad disminuye con la temperatura, y tienden a depositarse sobre las superficies de calefacción. Otra causa es la descomposición térmica por el calor. En estos casos se produce una disminución del coeficiente global de transmisión del calor en el evaporador, y el proceso, se ve, en parte, impedido, siendo necesario parar el evaporador y limpiar los tubos, (con agua, ácidos, álcalis, rascado mecánico, etc.), cosa que a veces es difícil y costosa.

Otras características a tener en cuenta, y que no son propias del líquido, son las siguientes:

Eliminación del aire, (u otros incondensables): El vapor de agua arrastra siempre aire y otros gases no condensables, los cuales se acumulan en la cámara de calefacción, con lo que disminuye progresivamente el coeficiente de transmisión de calor.

Además de éstas, hay que considerar otras características o factores: el calor específco, la temperatura de congelación, la toxicidad, el riesgo de explosiones, los materiales de construcción, etc.

Debido a la gran variedad de factores implicados, se han desarrollado muchos diseños diferentes de evaporadores.

EVAPORACIÓN EN EFECTO SIMPLE Y MÚLTIPLE

El modo más sencillo en que puede llevarse a cabo la evaporación es empelando una sola etapa, o evaporación de "efecto simple". Este modo de operación se emplea cuando la cantidad de disolución a tratar es relativamente pequeña y/o el coste del vapor es barato comparado con la inversión necesaria para un evaporador más complejo.

Cuando la capacidad requerida es grande, es necesario mejorar el aprovechamiento energético para reducir los costes operativos, lo que conduce al empleo de evaporadores de "múltiple efecto" que presentan una mejor "economía" del vapor. En los evaporadores de múltiple efecto, el vapor generado en un efecto se aprovecha en otro como medio de calefacción. En la figura 10.5 se presentan estos distintos modos de operación. Está claro que para que el sistema funcione hay que rebajar la presión de modo que T3 < T2 <T1, porque P3 <P2 < P1.

Fig. 10.5. Modos de operación de los evaporadores:

a) Efecto simple; b) y c) efecto múltiple. (Fuente: Calleja Pardo et al., 1999, pp. 317).

TIPOS DE EVAPORADORES

Los evaporadores pueden clasificarse según los métodos de aplicación del calor:

A) Equipos calentados a fuego directo, (calor solar).

B) Equipos calentados mediante camisas o dobles paredes, (Pequeña velocidad de transmisión del calor, pueden operar a vacío, útiles para la evaporación de líquidos a pequeña escala).

C) Equipos calentados mediante vapor, con tubos como superficies calefactoras.

De ellos, los más importantes son los evaporadores tubulares.

Una nueva clasificación de éstos últimos es: Evaporadores de un solo paso y de circulación: En la operación de un sólo paso, la alimentación pasa una sola vez a través de los tubos, desprende el vapor y sale como líquido concentrado. Son especialmente útiles para el tratamiento de materiales sensibles al calor pues operando a vacío elevado se puede mantener el líquido a baja temperatura durante poco tiempo de contacto. También se adaptan muy bien a la operación de múltiple efecto.

Los evaporadores de circulación operan con una carga de líquido dentro del aparato. La alimentación que entra se mezcla con el líquido contenido en el evaporador, y la mezcla pasa posteriormente a través de los tubos, de forma que, en cada paso, se produce una parte de la evaporación total. Estos tipos de evaporadores no son aptos para concentrar líquidos sensibles al calor, pues aunque se trabaje a vacío, el líquido se pone en contacto con la superficie caliente varias veces. Se adaptan muy bien a la evaporación en simple efecto, pudiendo ser la circulación natural, (debido a diferencias de densidad), o forzada, (cuando se impulsa el líquido con una bomba).

Finalmente, los evaporadores tubulares pueden ser, (Figura 10.6):

A) De tubos horizontales: Son relativamente baratos; requieren poca altura disponible, fácil instalación, proporcionan una buena transmisión de calor, pequeña circulación de líquido, no adecuados para líquidos viscosos, y adecuados para líquidos que no cristalicen.

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