EVAPORACIÓN

Los términos evaporación o vaporización se aplican al paso del estado líquido al

estado gaseoso. Cuando el fenómeno se produce únicamente en la superficie de

la masa líquida se designa como evaporación. Si el paso a vapor tiene lugar

afectando toda la masa líquida se denomina vaporización o ebullición.

También se denomina evaporación a la operación de separación basada en los

dos fenómenos.

La vaporización y la evaporación son dos fenómenos endotérmicos. El caudal del

líquido vaporizado se incrementa al aumentar la superficie libre del líquido.

Generalmente no se distingue entre evaporación y vaporización, definiéndose

simplemente la evaporación como el proceso mediante el cual una fase líquida se

transforma en vapor.

Cuando un líquido llena parcialmente un recipiente cerrado, las moléculas que

abandonan el estado líquido ocupan el espacio libre hasta saturar el recinto,

produciendo una presión determinada que se denomina presión de vapor.

Cada líquido tiene una presión de vapor característica que depende de la

temperatura.

Cuando la presión de vapor, que aumenta al incrementar la temperatura, se iguala

a la presión del entorno, normalmente la presión atmosférica, se produce la

ebullición del líquido.

TIPOS DE EVAPORACIÓN

1. Evaporación por aumento de la temperatura

Para evaporar un líquido o concentrar una disolución se utilizan baños de

agua u otras fuentes de calor. Cuando se trabaja con disolventes inflamables no

se deben someter a la llama directa. Si los vapores del disolvente son perjudiciales

para la salud, se debe trabajar en vitrina extractora y tomar las precauciones

adecuadas.

Esta técnica también se puede utilizar para el secado de un sólido húmedo. 

2. Evaporación por disminución de la presión

Este procedimiento se utiliza para el secado de una substancia a temperatura

ambiente cuando la sustancia es inestable a temperaturas más elevadas. Se

introduce la muestra en un desecador de vacío, en presencia de una substancia

o agente desecante.

 

3. Evaporación por combinación de ambos efectos

Una operación frecuente en un laboratorio de química es la eliminación del

disolvente orgánico volátil de una solución de un compuesto orgánico, como por

ejemplo sucede al finalizar un proceso de extracción. La eliminación rápida de

grandes cantidades de un disolvente orgánico se efectúa utilizando el roto-evaporador.

La evaporación tiene lugar a presión reducida, producida normalmente por una

bomba de vacío y a temperaturas moderadas.

La eliminación de vapores por calentamiento y aplicación simultánea de vacío se

puede realizar también en estufas de vacío  que disponen de un regulador de

temperatura así como de una conexión para el vacío. Estas estufas se utilizan

también para el secado de só lidos .

Existen diferentes métodos para concentrar alimentos:

1. Por eliminación de agua

a) Concentración por Evaporación

b) Concentración por Membranas (Osmosis Inversa)

c) Concentración por Congelación (Crio-concentración)

2. Por adición de sólidos

a) Adición de azúcar (mermeladas, jaleas, ates, fruta cristalizada)

b) Adición de hidrocoloides (fruta estabilizada)

c) Adición de sal (carnes y pescados salados)

3. Por adición de sólidos + eliminación de agua

a) Adición de azúcar + Evaporación (leche condensada)

CONCENTRACIÓN DE ALIMENTOS

Se logra una reducción de la Actividad de agua (Aw) del alimento a valores entre

0.6 y 0.8 (humedad intermedia) Con estos valores de Aw el desarrollo de

microorganismos y la velocidad de las reacciones químicas, bioquímicas y

enzimáticas se reducen, pero no se inhiben.

Por ello, los productos concentrados requieren técnicas coadyuvantes de

conservación:

Refrigeración

Congelación

Tratamiento Térmico y Envasado al vacío

Adición de conservadores, etc.

CONCENTRACIÓN POR EVAPORACIÓN

Ventajas:

Mejora la conservación del producto (↓ Aw)

Permite un ahorro energético en operaciones subsecuentes

(deshidratación, congelación)

Reduce gastos de almacenamiento, transporte y material de empaque

(reduce volumen)

Facilita el uso del producto, tanto al consumidor (sopas, puré tomate) como

a la industria (pectina líquida conc., fruta conc. para helados, yogurts,

pastelería)

Desventajas:

Por sí sola no conserva al producto. Requiere métodos coadyuvantes de

conservación (refrigeración, congelación, tratamiento térmico y envasado al

vacío, etc.)

Puede haber pérdida del aroma del producto (si no se recupera )

Eliminación de una parte del agua del producto en forma de vapor, mediante la

aplicación de calor suficiente para:

o Calor sensible: Elevar la temperatura del producto hasta su punto de

ebullición (depende P sistema)

o Calor latente: Evaporar el agua del producto

El calor necesario para efectuar la evaporación generalmente es suministrado por

vapor a alta presión (alta temperatura), quien cede su calor latente de

condensación.

No se utiliza calefacción directa o resistencias eléctricas debido a que

proporcionan temperaturas locales muy elevadas, dañando al producto.

El agua caliente podría utilizarse cuando la temperatura de ebullición del líquido a

evaporar es baja, pero los grandes volúmenes de agua caliente requerida son muy

problemáticos para el diseño y operación de los evaporadores.

EVAPORACIÓN DE UN SOLO EFECTO

En la evaporación hay transferencia de masa y de calor.

Balance Global de la masa:

mf = mp + mv Ec. (1)

Balance de sólidos:

mf Xf = mp Xp Ec. (2)

Balance de calor:

a) calor que se requiere administrar al producto para que pueda evaporarse

(calor sensible hasta la temperatura de ebullición + calor latente de

evaporación)

Q = mf Cp (Tb – Tf) + mv v ………… Ec. (3)

b) calor que debe ser suministrado por la fuente de calentamiento (vapor de

calentamiento)

Q = ms s .............. Ec. (4)

c) la velocidad de transferencia de calor en el evaporador es:

Q = U A T = U A (Ts – Tb) ............. Ec. (5)

Dónde:

Q = velocidad de transferencia de calor (kcal/h)

s = calor latente de condensación del vapor a Ts (kcal/kg)

v = calor latente de vaporización del agua a Tb (kcal/kg)

Cp = calor específico del producto alimentado (kcal/kg °C)

U = coeficiente global del transferencia de calor (kcal/h m2 °C)

A = área de transferencia de calor ( m2 )

Tf = Temperatura del producto alimentado (°C )

Tb = Temperatura de ebullición del producto (depende de Psist.) (°C )

Ts = Temperatura vapor de calentamiento (depende de Ps) (°C )

m = flujo másico (kg/h) Subíndices:

f = alimentación

p = Prod. Concentrado

v = vapor del producto

s = vapor calentamiento

ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA DE EBULLICIÓN (Tb)

A medida que el líquido se concentra, su temperatura de ebullición aumenta

(propiedad coligativa), por lo que el T disminuye, reduciendo a su vez la

velocidad de transferencia de calor (Q).

La elevación del punto de ebullición con el cambio de concentración puede

determinarse de 2 formas:

a) Mediante los Diagramas de Dühring

b) Mediante estimación matemática basada en la molalidad de la solución

Diagrama de Dühring Para Soluciones Acuosas de Sacarosa

Los evaporadores industriales normalmente constan de:

Un intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente

de evaporación del alimento líquido. (En la industria de los alimentos

normalmente se utiliza vapor saturado como medio de calentamiento)

Un separador en el que el agua evaporada del alimento se separa de la

fase líquida concentrada.

Un condensador para condensar el agua evaporada del alimento y

eliminarla del sistema (a menos que se utilicen múltiples efectos)

Equipos utilizados para la evaporación de alimentos

De circulación natural

De circulación forzada o película delgada

Estos evaporadores son más costosos que los de circulación natural, pero son

mucho más eficientes cuando los productos a evaporar son sensibles al calor,

tienen altas viscosidades o propiedades incrustantes, como es el caso de los

alimentos.

Evaporador Vertical de Tubos Largos (Película Ascendente) de Circulación

Forzada

Los evaporadores de Película Descendente, o de Película Ascendente son muy

utilizados en la industria alimentaria

Estos evaporadores:

• Pueden ser operados con diferenciales de temperatura muy bajos entre el

medio de calentamiento y el líquido a evaporar

• Tienen tiempos de contacto con el producto muy cortos (unos cuantos

segundos por paso)

• Son especialmente adecuados para productos sensibles al calor

EFICIENCIA DE LA EVAPORACIÓN

Se requiere un valor determinado de Q (kcal/h), para evaporar una masa dada de

producto, y alcanzar la concentración deseada. (Q = mfCp (Tb – Tf) + mv v)

Esa Q debe obtenerse en el evaporador:

Q = A U T

Cuando se logra obtener altos valores de Q con pequeñas áreas de evaporación,

entonces puede decirse que la evaporación es eficiente.

Factores que influencian la velocidad de transferencia de calor (Q) en un

evaporador

Q = U A T

Se desea que Q sea grande, pero A sea pequeña, los valores de U y T deben

ser grandes.

Factores que afectan el valor de U:

a) Película Superficial

b) Depósito de residuos o “costras” en la superficie de intercambio de calor

Factores que afectan el valor de T:

a) Temperatura del vapor de calentamiento

b) Temperatura de ebullición del producto

EJERCICIOS

2)La solucion de partida o inicial de NaOH contiene 79 gr/l de H2O. la densidad de la solucion vaporizada a 30°c es de 1.555 gr/cc lo que corresponde a la concentracion de 840 gr/l de solucion. Determinar la cantidad de agua evaporada por tonela de solucion inicial.

Solucion

Xini= 79 Kg/m^3 =0.073 1000 + 79 Kg/m^3

Xfin= 840 Kg/m^3 =0.54 1555 Kg/m^3

calculo de la cantidad de agua evaporada por tonelada de la solucion inicial:

W=Gin*(1- Xini) = 1000*(1- 0.073)=864.81 Kg de H2O ( Xfin) ( 0.54 )

3) En un evaporador entran 1.4 ton de solucion al 9% se evapora a presion atmosferica hasta la concentracion final de 23%(masa). La solucion diluida entra su concentracion a la temperatura de 18°C. la temperatura de ebullicion en el aparato es de 105°C. el consumo de vapor calentado Peb=2 atm constituye 1450 Hg/h, la humedad de este vapor es de 9,5%. Determinar la perdida de calor desde el aparato al medio ambiente.

Solucion: Vapor caliente 1450 Kg/h _ _

|| ____| |____ |

| | | || | P=1atm _ |______|_____ 1.4 ton 9% (masa)|| | T=105°C | | 18°C| |_|__________| || | P=2atm ||_______|________________|

| X=4.5% humedad _____|23%(masa)

Consumo masico del agua

W=Gin*(1- Xini) = 1400*(1- 0.09)=852.17 Kg de H2O ( Xfin) ( 0.23 )

Consumo de calor evaporadoQev=W*Y = 852.17 Kg*γ (105°C, p=1atm)

Consumo de vapor calentadoQcal=Gin*Cin*(Teb-Tin)

Como Xin<0.2C=4190*(1-X)=4190*(1-0.09)=3812.9 J/Kg.°KQcal=1400Kg*3812.9J/Kg*°K*(105-18)°K=464411.22KJQvap=Gvap cal* γ vap cal*X=1450Kg*0.955* γ (2 atm)Qvap=1384.75* γcalculo del calor perdido

Qperdido=1384.75* γ KJ-852.17* γ KJ – 464411.22 KJ

4)La capacidad de un evaporador respecyo a la solucion es de 2650 Kg/h.la concentracion inicial es de 5 gr/l de H2O la concentracion de la solucion despues de vaporizarla es de 295 gr por litro de solucion. La densidad de solucion concentrada es de 1189 Kg/m^3. determinar la capacidad del aparato respecto a la solucion concentrada.

SolucionDatosW=2650 Kg/hδ H2O=1000 gr/l

X1= 5 gr =0.0497 (1000 + 50) gr

X2= 295 gr =0.2481 1189 gr/l*1 l

se sabe que Gin*Xin=Gfin*Xfin

Gfin=2650 Kg*h*0.0497=53.085 Kg/h 0.2481

5)Hallar el calor especifico de la solucion acuosa al 25% de sal sodica del acido salicilico C6H4(OH)COONa

solucion

como el % es mayor al 2% usaremos:C=4190*(1-X)+Ci*X

Ci es el calor especifico de la solucion anhidra

Ci=7*75+5*96+3*16.8+26=1105.625 J/Kg*°K 160

Csol=4190*(1-0.25)+1105.625*0.25=3418.9 J/Kg/K

FUENTES CONSULTADAS

Web (2015). Evaporación. Consultado el 23 de noviembre del 2015. Recuperado

en: http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/index1.html

PDF (2015). Evaporización. Consultado el 23 de noviembre del 2015. Recuperado

en: http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/mlci/evaporacion.pdf

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211612/contLinea_eXe_/

leccin_34_clculos_en_evaporadores.html