Evaporación y Secado

EvaporaciónUn ejemplo muy importante del tipo de transferencia de calor, en la clasificación de las operaciones unitarias, bastante frecuente en las industrias de procesos, es el que recibe el nombre general de evaporación. La evaporación es una operación unitaria que consiste en la eliminación de agua de un solido fluido mediante vaporización o ebullición hasta obtener un soluto más concentrado u obtener un vapor más rico en disolvente

Proceso

Diferencias Evaporación-SecadoLa evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido -a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales.

Aplicaciones practicas

En los procesos de Ingeniería Química la evaporación se utiliza generalmente para

separar un solido de un liquido o viceversa.

En las aplicaciones practicas:•Concentración de producto

•Pre-concentración de la alimentación al secador

•Reducción de volumen •Recuperación de agua o solvente

• Cristalización, entre otras

Factores de proceso Las propiedades físicas y químicas de la solución que se esta concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse. A continuación se enlistan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento.1. Concentración2. Sensibilidad térmica de los materiales3. Formación de espumas4. Presión y temperatura5. Formación de incrustaciones6. Materiales de construcción

Tipos de evaporadores El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido.1. Marmita abierta o artesa. La forma más simple de

un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido.

2. Evaporador de tubos horizontales con circulación natural. 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.

3. Evaporador vertical de tubos largos. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el del lado del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el líquido.

4. Evaporador de caída de película. Una variación del modelo de tubos largos es el evaporador de caída de película, en el cual el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Por lo general, la separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo.

5. Evaporador de película agitada. La principal resistencia a la transferencia de calor en un evaporador corresponde al líquido. Por tanto, un método para aumentar la turbulencia de la película líquida y el coeficiente de transferencia de calor, consiste en la agitación mecánica de dicha película.

8. Evaporador solar de artesa abierta. Un proceso muy antiguo pero que todavía se usa es la evaporación solar en artesas abiertas. El agua salina se introduce en artesas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta que cristalice.

Métodos de operación para evaporadores 1. Evaporadores de efecto simple: La

alimentación entra a TF K y en la sección de intercambio de calor entra vapor saturado a Ts. El vapor condensado sale en forma de pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador está completamente mezclada, el producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura T,, que corresponde al punto de ebullición de la solución

Métodos de operación para evaporadores 2. Evaporadores de efecto múltiple con

alimentación hacia adelante. Un evaporador de efecto simple desperdicia bastante energía, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto múltiple. Si la alimentación del primer efecto esta a una temperatura cercana al punto de ebullición y a la presión de operación de dicho efecto, 1 kg de vapor de agua evaporará casi 1 kg de agua.

Métodos de operación para evaporadores

3. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en retroceso: la alimentación entra al último efecto, que es el más frío, y continua hacia atrás hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Este método de alimentación en retroceso tiene ventajas cuando la alimentación es fría, pues la cantidad de líquido que debe calentarse a temperaturas más altas en el segundo y primer efectos es más pequeña. Este método también es muy útil cuando el producto concentrado es bastante viscoso. (fig. 8.2-3)

4. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en paralelo. La alimentación en paralelo en evaporadores de efecto múltiple implica la adición de alimentación nueva y la extracción de producto concentrado en cada uno de los efectos. El vapor de cada efecto se usa para calentar el siguiente. (fig. 8.2-4)

Secado El termino secado se usa con referencia a la eliminación de otros líquidos orgánicos, como benceno o disolventes orgánicos, de los materiales sólidos. En general, el secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material.

Métodos generales de secado

Los métodos y procesos de secado se clasifican de diferentes maneras; se dividen en procesos de lotes, cuando el material se introduce en el equipo de secado y el proceso se verifica por un periodo; o continuos, si el material se añade sin interrupción al equipo de secado y se obtiene material seco con régimen continuo. Los procesos de secado se clasifican también de acuerdo con las condiciones físicas usadas para adicionar calor y extraer vapor de agua

Equipo para secado 1. En el secador de bandejas, que también

se llama secador de anaqueles, de gabinete, o de compartimientos, el material, que puede ser un sólido en forma de terrones o una pasta, se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad. Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas. También se usa calor eléctrico, en especial cuando el calentamiento es bajo. Más o menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado.

Equipo para secado 2. Los secadores al vacío con anaqueles se

calientan indirectamente y son del tipo de lotes, similares a los de las bandejas. Esta clase de secador consta de un gabinete construido de hierro colado o plancha de acero con puertas herméticas, de tal manera que se pueda operar al vacio. Los anaqueles huecos de acero se montan dentro de las cámaras y se conectan en paralelo, con los colectores de vapor de entrada y de salida. Las bandejas que contienen los sólidos mojados se colocan sobre los anaqueles huecos. El calor se conduce a través de las paredes metálicas y por radiación entre los anaqueles.

Equipo para secado 3. Los secadores continuos de túnel suelen

ser compartimentos de bandejas o de carretillas que operan en serie. Los sólidos se colocan sobre bandejas o en carretillas que se desplazan continuamente por un túnel con gases calientes que pasan sobre la superficie de cada bandeja. El flujo de aire caliente puede ser a contracorriente, en paralelo, o una combinación de ambos. Muchos alimentos se secan por este procedimiento.

Equipo para secado 4. Un secador rotatorio consta de un

cilindro hueco que gira por lo general, sobre su eje, con una ligera inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior, y se desplazan por el cilindro a medida que éste gira. El calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gases calientes mediante un flujo a contracorriente. En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a través de la pared calentada del cilindro.

Equipo para secado 5. Un secador de tambor consta de un

tambor de metal calentado, en cuyo exterior se evapora una capa delgada de un líquido o una suspensión hasta que se seca. El sólido seco final se le raspa al tambor, que gira lentamente. Los secadores de tambor son adecuados para procesar suspensiones o pastas de sólidos tinos, así como soluciones verdaderas. El tambor funciona en parte como evaporador y en parte como secador.

Equipo para secado 6. En un secador por aspersión, un líquido 0

una suspensión se atomiza o se roela en una corriente de gas caliente para obtener una lluvia de gotas finas. El agua se evapora de dichas gotas con rapidez, y se obtienen partículas secas de sólido que se separan de la corriente de gas. El flujo de gas y líquido de la cámara de aspersión puede ser a contracorriente, paralelo o una combinación de ambos.

Equipo para secado 7. Secado de cosechas y granos: Los granos

de una cosecha contienen aproximadamente de 30 a 35% de humedad y para poder almacenarlos sin problemas durante un año deben secarse hasta un 13% de humedad en peso. En la tolva de secado, el espesor de la capa de granos, a través de la cual pasa el aire caliente, es 0.5 m o menos. Una corriente de aire (sin calentar) en la sección del fondo, enfría los granos secos antes de la salida

Aplicaciones en la Industria

Evaporación Tecnología de alimentos, donde el producto valioso es la disolución concentrada (Ej. concentración de zumos)Desalación de agua del mar, donde se trata de aprovechar el vapor del disolventeTratamiento de efluentes líquidos contaminantes, para reducir de forma considerable su volumen

Aplicaciones en la Industria

SecadoOperación final de numerosos procesos (especialmente en la industria alimentaria), dejándose el producto listo para su envasadoAcondicionamiento de un material para adecuar su humedad a operaciones posteriores (Ej. secado de orujo previo a la extracción del aceite con disolvente)Tratamiento de residuos contaminantes para facilitar su almacenamiento y transporte

Bibliografía •Geankoplis, C. J. (1999). Procesos de

transporte y operaciones unitarias (Vol. 1). Cecsa.

•Warren, M., & Julian, S. M. I. T. H. (1998). Operaciones unitarias en ingenieria

quimica. 1199p.•Ibarz, A., & Ribas, A. I.

(2005). Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Mundi-Prensa

Libros.