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UNIDAD III: EVAPORACIÓN
3. EVAPORACIÓN
La operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua (solvente) de una solución acuosa.
El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil (disolución concentrada) y un disolvente volátil, eliminado por medio de vapor una parte del disolvente (agua) formado por la ebullición.
3.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA EVAPORACIÓN Y SUS RELACIONES TERMODINÁMICAS
En la evaporación influye mucho las propiedades físicas y químicas (características) 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 y sobre la presión y la temperatura del proceso.
3.2 FINALIDADES DE LA EVAPORACIÓN EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA COMO OPERACIÓN UNITARIA Y COMO MÉTODO DE CONSERVACIÓN
La eliminación del agua de los productos alimenticios para mejorar su sabor o su estabilidad por almacenamiento se ha practicado desde tiempos antiguos y usualmente se acompaña de requerimientos muy altos de energía.
En la evaporación se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la que se obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua en una solución acuosa
3.3.1 CAPACIDAD DE EVAPORACIÓN
Las principales características de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el número de kg de agua vaporizados por hora, (), y depende de la velocidad de transmisión de calor, . La economía es el número de kilogramos vaporizados por kilogramo de vapor vivo que entra como calefactor en la unidad, y depende del balance de energía, no de la velocidad de transmisión del calor.
En un evaporador de simple efecto la economía es casi siempre inferior a la unidad, (o próxima), pero en los aparatos de múltiple efecto puede ser bastante mayor. De ellos dos se obtiene el consumo de vapor, (kg/h), que es igual a la capacidad dividida por la economía.
LA CAPACIDAD DEL EVAPORADOR depende, por tanto, de la velocidad de transmisión de calor
3.3.2 EFICIENCIA ENERGÉTICA DEL EVAPORADOR
El consumo energético de una planta de evaporación puede ajustarse a las necesidades individuales de cada cliente diseñando la configuración térmica más adecuada en cada caso.
Existen tres técnicas básicas para ahorrar energía:
Evaporación de múltiple efectos Termo compresión de vahos Recomprensión mecánica de vahos (usando un compresor mecánico)
El uso de una de estas técnicas reducirá considerablemente el consumo de energía total.
3.3.3 AUMENTO EN EL PUNTO DE EBULLICIÓN
Elevación del punto de ebullición. El punto de ebullición es la temperatura a la cual una sustancia tiene una presión de vapor igual a la presión externa (atmosférica).Como consecuencia del aumento de la presión de vapor, el punto de ebullición de una solución, es más elevado que el del disolvente puro.
El aumento del punto de ebullición de una solución (DTe) , con respecto al punto de ebullición del solvente puro, al disolver en él un soluto no salino y no volátil.
3.4 TIPOS DE EVAPORADORES
La evaporación consiste en la adición de calor a una solución, el calor es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de agua) en contacto con una superficie metálica, con el líquido del otro lado de dicha superficie.
El tipo de equipo usado depende de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios para lograr la circulación del líquido.
3.4.1 EVAPORADOR DISCONTINUO
El evaporador discontinuo consiste en que un producto se calienta en un recipiente (normalmente esférico) rodeado por un encamisado por el que circula el fluido calefactor (comúnmente agua caliente o vapor, en función del grado de evaporación deseado).
El calentamiento generado es capaz de elevar la temperatura de la disolución a evaporar hasta el punto en que su disolvente alcanza su punto de ebullición a la presión de la cámara.
A partir de ese momento la temperatura de la disolución permanecerá constante hasta que finalice la evaporación del disolvente a eliminar.
EVAPORADOR DISCONTINUO
3.4.2 EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN NATURAL
En un evaporador de circulación natural se distribuyen una serie de tubos cortos verticales (calandria de tubos) dentro de una carcasa por donde circula el vapor. Cuando se calienta el producto, la propia evaporación de este hace que vaya subiendo por el interior de los tubos (evaporación súbita que arrastra el líquido), mientras que por el exterior de los mismos condensa el vapor calefactor.
El producto concentrado junto con el vapor generado pasa a una cámara de vacio, donde el vapor se destina al condensador (si tiene valor añadido) o se libera, y el producto concentrado puede volver a introducirse como alimentación si se requiere mayor concentración, o extraerlo del equipo como producto final
EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN NATURAL
3.4.3 EVAPORADOR DE PELÍCULA ASCENDENTE
Un evaporador de película ascendente consta de una calandria de tubos dentro de una carcasa, la bancada de tubos es más larga que en el resto de evaporadores(10-15m). El producto utilizado debe ser de baja viscosidad debido a que el movimiento ascendente es natural. Los tubos se calientan con el vapor existente en el exterior de tal forma que el líquido asciende por el interior de los tubos, debido al arrastre que ejerce el vapor formado. El movimiento de dichos vapores genera una película que se mueve rápidamente hacia arriba.
Al igual que en otros evaporadores, el líquido concentrado puede realimentarse (problema porque su viscosidad habrá aumentado) o extraerse como producto final.
EVAPORADOR DE ASCENDENTE
3.4.4 EVAPORADOR DE PELÍCULA DESCENDENTE
Los evaporadores de película descendente generan una fina película de líquido dentro de los tubos, la cual desciende por gravedad. Para lograr la película se usan unos difusores llamados boquillas de pulverización.
Es más apropiado para líquidos viscosos que caen fácilmente por gravedad.
3.4.5 EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN FORZADA
Por medio de bombeo se provoca una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Se conecta una bomba una entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Los tubos suelen ser más cortos que los tubos largos, se emplea un intercambiador de calor horizontal externo e independiente.
Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.
3.4.6 EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA
Este tipo de evaporadores funcionan de manera similar al evaporador de película descendente con un solo tubo enchaquetado que contiene el agitador interno.
El liquido entra por la parte superior de la sección enchaquetada y se dispersa en forma de película altamente turbulenta mediante las palas verticales del agitador, el concentrado sale por la parte inferior de esta sección, el vapor asciende hasta un separador no enchaquetado donde las palas del agitador dirigen el liquido arrastrándolo hacia afuera haciéndolo chocar con unas placas estacionarias. Este tipo de evaporadores es usado para concentrar líquidos moderada y altamente viscosos.
3.5 EVAPORADORES SIMPLES
Este método es el mas sencillo como su nombre lo indica sucede en una sola etapa.
La mezcla acuosa entra como alimentación, en los tubos de intercambio de calor entra vapor de agua y sale un condensado ya que la mezcla y el vapor (separados por los tubos) llegan a un equilibrio en sus temperaturas.
El vapor generado se libera en forma condensada.
EVAPORADOR SIMPLE
3.6 EVAPORADORES DE DOBLE Y TRIPLE EFECTO
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. La alimentación del primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto. El segundo efecto se emplea como medio de calentamiento del tercer efecto y así sucesivamente.
El resultado es un aumento de la economía de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado. Este aumento de la economía del vapor de agua en un evaporador de efecto múltiple se logra a expensas de mayor inversión en el equipo. Las temperaturas de ebullición van disminuyendo de efecto a efecto al igual la presión.
EVAPORADOR MÚLTIPLE
3.7.1 FLUJO EN PARALELO
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.
Este método de operación se utiliza principalmente cuando la alimentación está casi saturada y el producto son cristales sólidos.
3.7.2 FLUJO EN CONTRACORRIENTE
A diferencia de equicorriente, aquí los dos fluidos se mueven en sentidos opuestos, lo que permite que el sistema pueda mantener un gradiente casi constante entre ellos a lo largo de la ruta de movimiento.
A medida que la ruta de flujo sea más larga y que la velocidad del movimiento de los fluidos sea más lenta, la tasa de transferencia será mayor, sin embargo esto se debe a que los dos fluidos son "iguales" en algún sentido.
3.7.3 FLUJO MIXTO
La disolución entra en un efecto intermedio, circula con alimentación directa hasta el extremo de la serie, y después se bombea hacia atrás a los primeros efectos para conseguir la concentración final.
Esta forma de operar elimina algunas de las bombas que se requieren en la alimentación inversa y permite realizar la evaporación final a temperatura más elevada.
EVAPORADOR MIXTO
3.8 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA EN EVAPORADORES
3.9 DISEÑO DE UN EVAPORADOR
La evaporación es un proceso generalizado en la industria. Básicamente consiste en la separación de una mezcla mediante destilación simple del componente más volátil y posterior condensación para ser colectado.
1.Generalidades: La utilización de evaporadores emerge de las tecnologías que se aplican en distintas ramas de la industria
2. Evaporador: equipo donde se efectúa la evaporación propiamente dicha.
3. Separador: equipo donde se realiza la separación del vapor y líquido.
4. Condensador: equipo donde se condensan los vapores producidos.
5. Depósitos colectores: equipo donde se recoge el producto concentrado y condensado, respectivamente. Desde estos colectores ambos productos son llevados a depósitos mayores de almacenamiento. De esta forma el proceso puede llevarse a cabo en forma continua o en el modo batch (discontinuo).
3.9.1 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Acero al carbono galvanizado por inmersión en caliente
Aluminio Cobre Acero inoxidable. El Cu no es compatible con el
amoníaco. Para refrigerantes CHFC o HFC sirve cualquiera de los materiales; el mas común es Cu.
3.10.1 RECOMPRENSIÓN TÉRMICA
Un chorro de vapor también se puede usar para comprimir el vapor en una unidad térmica de re-compresión de vapor. Las desventajas principales son la baja eficiencia del chorro de vapor, que hace necesaria la eliminación de este exceso de calor, y la poca flexibilidad a los cambios en las variables de proceso.
Los chorros de vapor son más económicos y más durables que los compresores mecánicos y manejan con más facilidad grandes volúmenes de vapor a baja presión.
3.10.2 RECOMPRENSIÓN MECÁNICA DEL VAPOR
Se utiliza un evaporador convencional de un solo efecto. La alimentación fría se precalienta por intercambio con el producto líquido caliente de la salida y luego fluye hacia la unidad. El vapor que se eleva no va hacia un condensador, sino que se envía a un compresor centrífugo o de desplazamiento positivo impulsado por un motor eléctrico o por vapor. Este vapor comprimido se envía de nuevo al intercambiador de calor o caja de vapor. El vapor comprimido se condensa a una mayor temperatura que el punto de ebullición del líquido caliente en el efecto, y se establece una diferencia de temperatura. De nuevo se genera vapor y el ciclo se repite.
Algunas aplicaciones comunes de las unidades mecánicas de re-compresión de vapor son la evaporación del agua de mar para obtener agua destilada, la evaporación de materiales sensibles al calor, como los jugos de frutas y la cristalización de sales que tienen curvas de solubilidad inversas, en las que la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.
Los evaporadores de película descendente son muy adecuados para los sistemas de re-compresión de vapor, dado que operan con valores bajos de diferencia de temperatura y tienen muy poco líquido del arrastre que pueda causar problemas en el compresor.
APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
ALIMENTARIA
CONCENTRACIÓN DE JUGOS
Los jugos de frutas son sensibles al calor y su viscosidad aumenta al concentrar la solución. La materia sólida en suspensión en los jugos de frutas tiende a adherirse a la superficie de calentamiento, causando sobrecalentamientos que conducen a carbonizaciones y deterioro del material.
Para reducir la adhesión y disminuir el tiempo de residencia, se necesitan velocidades de circulación altas en la superficie de transferencia de calor. Como el material es sensible al calor, se requiere una temperatura de operación baja. Una planta de jugos de frutas concentrados casi siempre usa un evaporador de efecto simple en lugar de unidades múltiples. También se emplea vacío para reducir la temperatura de evaporación.
OBTENCIÓN DE AZÚCAR, LECHE CONDENSADA Y CONFITERÍA
El azúcar tiende a formar caramelo cuando se mantiene a temperaturas altas durante largos periodos. La tendencia general consiste en usar evaporadores de circulación natural de tubos cortos.
PROBLEMA EJEMPLO
En la manufactura de mermeladas se mezcla la fruta molida con el azúcar necesaria para producir una mezcla de 45 partes de fruta y 55 partes de azúcar. A esta mezcla se le añade la pectina necesaria (cerca de 230g por cada 30 kg de azúcar).
La mezcla se evapora hasta que los sólidos solubles llegan al 67%. ¿Qué cantidad de mermelada se espera a partir de una fruta que tiene 14% de sólidos solubles? ¿Cuántos kg de mermelada se obtienen por kg de fruta entrante al proceso?
