Evaporación - Teoría

7/22/2019 Evaporacin - Teora

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Universidad Austral de Chile

Instituto de Ciencia y Tecnologa de los Alimentos (ICYTAL)

Asignatura : Ingeniera de Procesos III (ITCL 234)

Profesor : Elton F. Morales Blancas

UNIDAD: EVAPORACION

FUNDAMENTOS TEORICOS

1. Introduccin

La transferencia de calor a un lquido en ebullicin es un tipo importante de transferencia de calor bastaste frecuente

en las industrias de proceso que recibe el nombre general deEvaporacin.

En la evaporacin se elimina el vapor formado por la ebullicin de una solucin lquida obtenindose una solucin

ms concentrada. En la gran mayora de los casos, laoperacin unitaria de evaporacinse refiere a la eliminacin de

agua de una solucin acuosa.

Entre los ejemplos tpicos de procesos de evaporacin estn la concentracin de soluciones acuosas de azcar,

gomas, leche, jugos de frutas y extractos y pulpas de verduras. En estos casos, la solucin concentrada es el producto

deseado y el agua evaporada suele desecharse. En otros casos, el agua que contiene pequeas cantidades de minerales

se evapora para obtener agua libre de slidos utilizada en la alimentacin de calderas, para procesos qumicosespeciales o para otros propsitos. En ciertos casos, el principal objetivo de la evaporacin consiste en concentrar una

solucin de tal manera que, al enfriarse sta, se formen cristales que pueden separarse. Este proceso especial se

denomina Cristalizacin.

2. Factores del proceso

Las propiedades fsicas y qumicas de la solucin que se est concentrando y del vapor que se separa tienen efecto

considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presin y la temperatura del proceso. Las

propiedades que afectan a los mtodos de procesamiento son las siguientes:

a. Concentracin de la solucin alimenticia. Por lo general, la alimentacin lquida a un evaporador es bastante

diluda, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia

de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporacin, la solucin se concentra y su viscosidad pudeelevarse notablemente, causando una marcada disminucin del coeficiente de transferencia de calor. Debe existir

entonces una circulacin y/o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.

b. Solubilidad. A medida que se calienta la solucin y aumenta la concentracin del soluto, puede excederse el

lmite de solubilidad del material en solucin y se formaran cristales. Esto puede limitar la concentracin mxima

que pueda obtenerse por evaporacin de la solucin. En la mayora de los casos, la solubilidad del soluto aumenta

con la temperatura. Esto significa que, al enfriar una solucin concentrada caliente proveniente de un evaporador

a una determinada temperatura, puede presentarse una cristalizacin.

c. Sensibilidad trmica de los materiales. Muchos productos, en especial las soluciones alimenticias y otros

materiales biolgicos, pueden ser sensibles a la temperatura y en consecuencia pueden degradarse cuando sta

sube o el calentamiento es muy prolongado. En estos productos estn la leche, jugos de frutas y extractos

vegetales. La cantidad de degradacin es una funcin de la temperatura y del tiempo.

d. Formacin de espumas. En algunos casos las soluciones alimenticias como la leche desnatada y algunas soluciones

de cidos grasos forman espumas durante la ebullicin. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del

evaporador y puede haber prdidas del material alimenticio.

e. Presin y temperatura. El punto de ebullicin de la solucin est relacionado con la presin del sistema. Cuanto

ms elevada sea la presin de operacin del evaporador, mayor ser la temperatura de ebullicin. Adems la

temperatura de ebullicin tambin se eleva a medida que aumenta la concentracin de la solucin alimenticia por

la accin de la evaporacin. Este fenmemo se denomina elevacin del punto de ebullicin. Para mantener a


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nivel bajo la temperatura de los materiales termosensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm.,

esto es, al vaco.

f. Formacin de incrustaciones y materiales de construccin. Algunas soluciones depositan materiales slidos

llamados incrustraciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustraciones pueden formarse a causa delos productos de descomposicin o por disminucin de la solubilidad. El resultado es una reduccin del

coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La seleccin de los materiales de

construccin del evaporador tiene importancia en la prevencin de la corrosin.

3. Tipos generales de Evaporadores

La evaporacin consiste en la adicin de calor a una solucin para evaporar el disolvente, que por lo general es agua.

Usualmente, el calor es suministrado por la condensacin de un vapor (como el vapor de agua a altas presiones

proveniente de una caldera) en contacto con una superficie metlica, estndo la solucin alimenticia del otro lado de

dicha superficie. El tipo de equipo usado depende tanto de la configuracin de la superficie para la transferencia de

calor como de los medios utilizados para lograr la agitacin o circulacin del lquido. Los tipos generales de

evaporadores se describen brevemente a continuacin:

a. Marmita abierta o artesa. La forma ms simple de un evaporador consiste en una marmita abierta o artesa en la

cual se hierve el lquido. El suministro de calor proviene de la condensacin de vapor de agua en una chaqueta o

en serpentines sumergidos en el lquido. En algunos casos la marmita se calienta a fuego directo. Estos

evaporadores son econmicos y de operacin simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos

se usan paletas o raspadores para agitar el lquido.

b. Evaporador de tubos horizontales con circulacin natural (Fig. 1a). El banco horizontal de tubos de

calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se

condensa. El condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solucin a ebullicin est por afuera de los

tubos. El vapor se desprende de la superficie de la solucin; despus, casi siempre se le hace pasar por

dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de lquido y sale por la parte superior. Este equipo,

relativamente econmico, puede utilizarse para lquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calory para lquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulacin del lquido no es muy buena, son poco

adecuados para materiales viscosos. En casi todos los casos, tanto este evaporador como los que se describiran a

continuacin, operan con rgimen continuo, con la alimentacin entrando a velocidad constante y con el

concentrado saliendo tambin a velocidad constante.

c. Evaporador vertical con circulacin natural. En este tipo se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el

lquido est dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullicin y a la

disminucin de densidad, el lquido se eleva en los tubos por circulacin natural, tal como se muestra en la Fig. 1b,

y fluye hacia abajo a travs de un espacio central abierto grande o en bajada. Esta circulacin natural incrementa

el coeficiente de transferencia de calor. No es til con lquidos viscosos. A este equipo se le llama con frecuencia

evaporador de tubos cortos. Una variacin de este modelo es el evaporador de canasta, en el que se usan tubos

verticales, pero el elemento de calentamiento se "cuelga" en el cuerpo, de tal manera que existe un espacio anular

que sirve de bajada. El modelo de canasta difiere del evaporador vertical de circulacin natural, pues ste tiene un

espacio central en vez del anular como bajada. Este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azcar y sal.

d. Evaporador vertical de tubos largos. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy

alto en comparacin con el lado de la solucin lquida que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas

para la solucin lquida. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos como el que se muestra en la Fig. 1c.,

la solucin lquida est en el interior de los tubos. Los tubos tienen 3 a 10 m de longitud y la formacin de

burbujas de vapor en su interior produce una accin de bombeo que ayuda a obtener velodidades de lquido muy

altas. Por lo general, la solucin lquida pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto

suelen ser bastante bajos en este modelo. En algunos casos, como cuando la relacin de velocidad de alimentacin


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a velocidad de evaporacin es baja, puede emplearse una recirculacin natural del producto a travs del

evaporador, aadiendo una conexin de tubera entre la salida del concentrado y la lnea de alimentacin. Este es

un mtodo muy comn en la produccin de leche condensada.

e. Evaporador de cada de pelcula. Una variacin del modelo de tubos largos es el evaporador de cada de pelcula,en el cual el lquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por las paredes de stos en forma de

pelcula delgada. Por lo general, la separacin vapor-lquido se efecta en el fondo. Este modelo se usa mucho

para la concentracin de materiales sensibles al calor como el jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a

que el tiempo de retencin es bastante bajo (entre 5 y 10 segundos) y el coeficiente de transferencia de calor es

alto.

f. Evaporador de circulacin forzada. El coeficiente de transferencia de calor de la pelcula lquida puede

aumentarse por bombeo causando una circualcin forzada del lquido en el interior de los tubos. Esto puede

hacerse en el modelo de tubos verticales largos de la Fig. 1c aadiendo una tubera conectada a una bomba entre

las lineas de salida del concentrado y la de alimentacin. Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulacin

forzada suelen se ms cortos que los del tipo de tubos largos, tal como se observa en la Fig. 1d. Adems, en otros

casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy til para lquidos

viscosos.

g. Evaporador de pelcula agitada. La principal resistencia a la transferencia de calor en un evaporador corresponde

a la solucin lquida. Un mtodo para aumentar la turbulencia de la pelcula lquida y, por tanto, el coeficiente de

transferencia de calor, consiste en una agitacin mecnica de dicha pelcula. Esto se lleva a cabo en un

evaporador de cada de pelcula modificado, usando un solo tubo grande enchaquetado que contiene un agitador

interno. El lquido penetra por la parte superior del tubo y a medida que fluye hacia abajo se dispersa en forma de

pelcula turbulenta por la accin de aspas de agitacin verticales. La solucin concentrada sale por el fondo y el

vapor pasa por un separador para salir por la parte superior. Este tipo de evaporador es muy prctico para

materiales muy viscosos, pues el coeficiente de transferencia de calor es mayor que en los modelos de circulacin

forzada. Se usa para materiales viscosos sensibles al calor tales como los jugos de frutas. Sin embargo, tiene un

costo alto y la capacidad baja.


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4. Mtodos de operacin para evaporadores

a. Evaporadores de efecto simple. (Fig. 2). Los evaporadores de efecto simple se usan cuando la capacidad de

operacin requerida es bastante pequea y/o el costo del vapor de agua es relativamente bajo. Sin embargo, para

operaciones de gran capacidad, el uso de ms de un efecto reduce de manera notable los costos de vapor de agua.


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Fig. 2 Diagrama simplificado de un evaporador de efecto simple.

b. Evaporadores de efecto multiple con alimentacin hacia adelante, (Fig. 3). Un evaporador de efecto simple

desperdicia bastante energa, pues el calor latente del vapor producido no se utiliza en ninguna forma. No

obstante, una buena parte de este calor latente puede recuperarse y utilizarse al emplear evaporadores de efecto

mltiple.

De manera aproximada, en un evaporador de triple efecto se evaporarn 3 Kg de agua por cada Kg de vapor de

agua utilizado. Por consiguiente, el resultado es un aumento de la economa de vapor de agua, la cual es Kg de

agua evaporada/Kg de vapor utilizado. Esto tambin resulta cierto en forma aproximda para ms de tres efectos.

Sin embargo, este aumento de la economa de vapor de agua en un evaporador de efecto mltiple se logra a

expensas de un mayor costo de inversin en el equipo.En la operacin de alimentacin hacia adelante que se muestra en la Fig. 3, la alimentacin se introduce en el

primer efecto y fluye hacia el siguiente en la misma direccin del flujo del vapor. Este es el mtodo de operacin

que se emplea cuando la alimentacin est caliente o cuando el producto concentrado final puede daarse a

temperaturas elevadas. Las temperaturas de ebullicin van disminuyendo de efecto a efecto. Esto significa que, si

el primer efecto est a P1 = 1 atm abs de presin, el ltimo estar al vaco, a presin P3.


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Fig. 3 Diagrama simplificado de un evaporador de efecto simple con alimentacin

hacia delante.

c. Evaporadores de efecto mltiple con alimentacin en retroceso, (Fig. 4). En la operacin de este tipo de

evaporadores de efecto mltiple la alimentacin entra en el ltimo efecto, que es el que est ms fro, y contina


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hacia atrs hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Este mtodo de alimentacin en retroceso

tiene ventajas cuando la alimentacin est fra, pues la cantidad de solucin lquida que debe calentarse a

temperaturas ms altas del segundo y primer efectos es ms pequea. Sin embargo, es necesario usar bombar en

cada efecto, pues el flujo va de baja a alta presin. Este mtodo tambin es muy til cuando el producto

concentrado es bastante viscoso. Las altas temperaturas de los primeros efectos reducen la viscosidad y permitencoeficientes de transferencia de calor de un valor razonable.

Fig. 4 Diagrama simplificado de un evaporador de efecto triple con alimentacin

en retroceso.


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d. Evaporadores de efecto mltiple con alimentacin en paralelo. La alimentacin en paralelo en los evaporadores

de efecto mltiple implica la adicin de alimentacin nueva y la extraccin de producto concentrado en cada uno

de los efectos. El vapor de cada efecto contina usndose para calentar el siguiente. Este mtodo de operacin se

utiliza principalmente cuando la alimentacin est casi saturada y el producto son cristales slidos, tal como sucede

en la evaporacin de salmueras para la produccin de sal.

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