sistema de vacio en evaporadores
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sistema de vacío en evaporadoresTRANSCRIPT
Universidad Nacional “PEDRO RUIZ GALLO”
Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentarías
Escuela Profesional de Ingeniería Química
TECNOLOGIA DEL AZUCAR
“SISTEMA DE VACIÍO EN EVAPORADORES”
DOCENTE:
Ing. Ada Barturén Quispe
AUTOR:
- Díaz Guevara Inés- Guevara Piscoya José Luis- Ortiz Salazar Esther
Lambayeque – Perú 2015
INTRODUCCIÓN
El crecimiento de las industrias de proceso y el rápido desarrollo de nuevos productos ha
proporcionado líquidos con una amplia gama de propiedades físicas y químicas, cuya
concentración debe efectuarse mediante técnicas de evaporación. Éste ha sido un
estímulo para el continuo perfeccionamiento del equipo de evaporación habitualmente
disponible, y para la introducción de nuevas técnicas.
El presente trabajo se enfoca en el diseño de evaporadores desde el punto de vista de las
características del producto a evaporar y de los cálculos que se deben realizar.
Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran
cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación
óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto
El objetivo que se pretende alcanzar en el presente trabajo es dar a conocer ciertos
parámetros que hay que tener presente cuando se ha de elegir un evaporador para
determinado producto dado sus características. Además de conocer unos modelos
matemáticos para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor en el
intercambiador de calor que es un componente importante en el sistema de evaporación.
Los alumnos
I. MARCO TEÓRICO
Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente:
1. EVAPORACIÓN
La evaporación es la operación de concentrar una solución mediante la eliminación de
disolvente por ebullición. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución
consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las
evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación realiza vaporizando una parte del
disolvente para producir una disolución concentrada. Por lo general se detiene antes que
el soluto comience a precipitarse de la solución.
2. EVAPORADOR
Un evaporador consiste básicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la
solución y un dispositivo para separar la fase vapor del liquido en ebullición.. En su forma
más simple puede ser una charola de líquido colocada sobre una placa caliente. La
superficie de la placa caliente es un intercambiador de calor simple y el vapor se
desprende en la gran área para flujo de vapor y su consecuente de baja velocidad de flujo.
En la operación industrial se construye para una operación continua, la superficie de
intercambio de calor se incrementa de un modo notable, la ebullición es sensiblemente
mas violenta y la evolución del vapor es rápida.
3. COMPONENTES BÁSICOS DE UN EVAPORADOR
Según Brennan y Butters (1980) menciona lo siguiente:
Los sistemas de evaporadores industriales normalmente constan de:
Un intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente de
evaporación del alimento liquido. En la industria de los alimentos normalmente se
utiliza como medio de calentamiento vapor saturado.
Un separador en el que el vapor se separa de la fase líquida concentrada. En los
sistemas que operan a presión atmosférica el separador puede omitirse
Un condensador para condensar el vapor y eliminar el condensado del sistema.
4. OPERACIÓN DE SIMPLE Y MULTIPLE EFECTO
Según Mc Cabe (1 982) menciona lo siguiente:
La mayoría de los evaporadores se calienta con vapor de agua que condensa sobre
tubos metálicos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y
con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado, de hasta de 0.05
atm absolutas. Al reducir la temperatura entre el vapor condensante y el liquido de
ebullición y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisión de calor en el evaporador.
Cuando reutiliza un solo evaporador procedente del liquido en ebullición se condensa
y desecha. Este método recibe el nombre de evaporación de simple efecto, y aunque es
sencillo, utiliza ineficazmente el vapor. Para evaporar un 1kg de agua de la disolución se
requiere de 1 a 1.3 kg de vapor de agua. Si el vapor procedente de uno de los
evaporadores introduce como alimentación en elemento calefactor de un segundo
evaporador, y el vapor procedente de este se envía al condensador, la operación recibe el
nombre de doble efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo
efecto, y la evaporación obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentación
al primer efecto es aproximadamente el doble. El método general para aumentar la
evaporación por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el
suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de Evaporadores Efecto
Múltiple.
5. PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE EVAPORADORES
Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente:
5.1. CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDO QUE SE CONCENTRA
La solución práctica a un problema de evaporación está profundamente
afectada por el carácter del líquido que se concentra. Precisamente es la gran
variedad de características de dichos líquidos lo que amplia esta operación desde una
sencilla transmisión de calor hasta un arte separado. Debido a la gran variedad de
propiedades de las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores.
5.1.1. CONCENTRACIÓN
Aunque la disolución que entra como alimentación de un evaporador puede ser
suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida
que aumenta la concentración de la disolución adquiere cada vez un carácter
individualista. La densidad y la viscosidad aumenta con el contenido de sólido hasta
que la disolución o bien se transforma en saturada o resulta inadecuada para una
transmisión de calor adecuada. La ebullición continuada de una disolución saturada da
lugar a la formación de cristales, que es preciso separa pues de lo contrario obstruyen
los tubos. La temperatura de ebullición de la disolución puede también aumentar
considerablemente al aumentar el contenido de sólido, de forma que al temperatura de
ebullición de una disolución concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la
misma presión.
5.1.2. VISCOSIDAD
Los líquidos muy viscosos tienden a reducir las velocidades de circulación y a
reducir los coeficientes de transferencia de calor. Puesto que, en general, la
viscosidad de una solución sometida a evaporación aumenta con la concentración,
es de esperar que a medida que discurre la evaporación descienda la velocidad de
transferencia de calor.
5.1.3. FORMACIÓN DE ESPUMA
Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Una
espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un
importante arrastre. En casos extremos toda la masa de líquido puede salir con el
vapor y perderse.
5.1.4. FORMACIÓN DE COSTRAS
Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefacción.
En estos casos el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega un
costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difícil y costosa.
5.1.5. SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA
Muchos productos alimenticios se dañan cuando se calienta a temperaturas
moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos
productos se necesita técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del
líquido como el tiempo de calentamiento.
5.1.6. CALOR ESPECÍFICO
Es necesario conocer este parámetro por que nos permitirá calcular la
cantidad de energía requerida para incrementar la temperatura del alimento a
evaporar.
M. Orozco (1998) presenta unas ecuaciones empíricas para el cálculo de la
capacidad calorífica a presión constante para alimentos.
Cp = XwCw + XsCs
Donde:
Xw es la fracción en peso de agua
Cw es la capacidad calorífica del agua (Cw = 4.18 kJ/kgK)
Xs es la fracción masa de sólidos
Cs = 1.46 kJ/kgK es el calor especifico de los sólidos. la mayor contribución
se debe al agua.
Otra alternativa para calcular la capacidad calorífica en donde se conozca el
contenido grave de los sólidos es:
Cp = (0.5mf+ 0.3mSNG + mw)(4.18kJ/kgK)
Donde:
agua respectivamente.
Si se conoce el análisis del alimento se puede utilizar para calcular las
capacidades caloríficas del siguiente modo:
Cp = xwCw + xCCC + xPCP + xFCF + xACA
Donde:
xW, xC, xP, xF, xA son las fracciones en peso del agua, los carbohidratos, las
proteínas, las grasas y las cenizas.
CW, CC, CP, CF y CA son los calores específicos de los componentes.
5.1.7. TEMPERATURA DE EBULLICIÓN
5.1.7.1. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PUNTO DE EBULLICIÓN DE
LA SOLUCIÓN.
Según Brennan y Butters (1980) mencionan lo siguiente:
a. PRESIÓN EXTERNA
Un líquido hierve cuando la presión de vapor que ejerce es igual a
la presión externa a la que se haya sometido. En el caso de los
productos alimenticios el solvente suele ser el agua, sustancia cuyas
relaciones de presión de vapor y temperatura son bien conocidas.
Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente:
b. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN
La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones
acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto,
para una presión dada, la temperatura de ebullición de las
disoluciones es mayor que la del agua pura.
El aumento del punto de ebullición sobre el del agua se conoce
con el nombre de elevación del punto de ebullición de la disolución.
Es pequeño para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides
orgánicos pero puede alcanzar un valor de hasta 150 ºF para
disoluciones concentradas de sales inorgánicas. La elevación del
punto de ebullición tiene que restarse de la caída de temperatura que
se predice a partir de las tablas del vapor de agua.
La elevación real del punto de ebullición con el cambio de
concentración con frecuencia puede conocerse mediante la regla de
de Dühring, regla empírica que establece que el punto de ebullición de
una solución es función lineal del punto de ebullición del solvente a la
misma presión.
c. EFECTO DE LA CARGA DE LÍQUIDO Y DE LA FRICCIÓN
Si la profundidad del líquido en un evaporador es apreciable, el
punto de ebullición correspondiente a la presión en el espacio de
vapor es el punto de ebullición solamente de las capas superficiales
del líquido. Una gota de liquido situada a una distancia de “Z” pies por
debajo de la superficie está sometida a la presión del espacio de
vapor más una carga de Z pies de liquido y, por consiguiente, tiene un
punto de ebullición más elevado. Además, cuando la velocidad del
líquido es grande, las pérdidas por fricción en los tubos aumentan
todavía más la presión media del líquido. Por tanto, en un evaporador
real el punto de ebullición correspondiente a la presión existente en el
espacio de vapor. Este aumento del punto de ebullición disminuye la
caída media de temperatura entre el vapor de agua condensante y el
líquido y reduce la capacidad de un evaporador. La reducción no
puede estimarse cuantitativamente con precisión, pero el efecto
cualitativo de la carga de líquido, especialmente con elevadas alturas
de líquido y grandes velocidades, no puede ignorarse.
5.1.8. LIBERACIÓN DE GAS DURANTE LA EBULLICIÓN
5.1.9. PELIGROS DE EXPLOSIÓN
5.2. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Siempre que es posible los evaporadores se construyen con algún tipo de acero.
Sin embargo, muchas disoluciones atacan a los metales ferrosos y se produce
contaminación. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como el cobre,
níquel, acero inoxidable, grafito y plomo. Puesto que estos materiales son caros,
resulta especialmente deseable obtener elevadas velocidades de transmisión de calor
con el fin de minimizar el coste del equipo.
5.2.1. EQUIPOS AUXILIARES DEL EVAPORADOR
Según Brennan, Butters, Cowell, Lilly (1980) mencionan lo siguiente:
Debido a que casi todos los sistemas de evaporación empleados en el procesado
de alimentos operan a presión inferior a la atmosférica, se precisan condensadores
de vapor y bombas de vacío o inyectores.
La atmósfera presente en un evaporador consta de:
Vapor condensable
Gases inconfensables (aires que penetra en el sistema por las fugas y el
resultante de la desgasificación de los líquidos de alimentación).
En la evaporación a vacío la presión parcial del vapor de agua y la eliminación de
los gases inconfensables con una bomba o inyector.
5.2.2. CONDENSADORES
Los condensadores de superficie (condensadores tubulares alojados en cámara de
enfriamiento) se emplean cuando el vapor condensado no se puede mezclar con el
agua de enfriamiento en comparación con los condensadores de aspersión
utilizados comúnmente en las industrias de los alimentos.
5.2.3. BOMBAS DE VACÍO
Para evacuar los evaporadores se usan comúnmente bombas de desplazamiento
positivo y inyectores de chorro de vapor. En el inyector de chorro se hace pasar a
través de una boquilla vapor a alta presión, que penetra en una cámara en que
arrastra al vapor de agua y a los gases presentes. El vapor de agua y los gases
pasan, a alta velocidad, a una sección convergente –divergente de la cámara, en la
que la energía de velocidad se convierte en energía de presión. Un inyector único
es capaz de producir un vacío de unos 16.7 kN/M2, una unidad doble de unos 3.4
kN/m2 y un eyector de tres fases un vacío inferior a 1 kN/m2. es importante tener
en consideración que equipo de vacío es responsable de la eliminación del sistema
de los gases no condensables. No es responsable en cambio del mantenimiento de
la temperatura de ebullición deseada, función que corresponde al condensador. En
cualquier tipo de condensador el rendimiento global depende en gran parte de la
velocidad de flujo del agua de enfriamiento y de su temperatura. Muchas
dificultades de operación en los sistemas evaporadores surgen porque las
condiciones del agua de enfriamiento son inadecuadas.
5.2.4. SEPARADORES DE ARRASTRE
Cuando las velocidades de evaporación son elevadas el vapor de agua puede
arrastrar gotitas del líquido en ebullición. Para reducir esta pérdida de líquido
concentrado, que es arrastrado por el vapor, se utilizan separadores de arrastre.
Los separadores de arrastre pueden consistir en una simple lámina de choque o en
una persiana de láminas inclinadas que se colocan en la proximidad de la salida de
vapor. También se esta popularizando en estos separadores el empleo de
esponjas metálicas entretejidas de acero inoxidable u otro material.
5.2.5. COLECTOR DE CONDENSADO Y ESPITAS DE PURGA
Debe resaltarse que para conseguir la máxima economía térmica y transferencia
de calor, todo equipo que utilice vapor como medio de calentamiento del proceso
debe estar dotado de sistemas adecuados de eliminación del condensado y de
purga de gases inerte. Los cambiadores de calor que no han sido adecuadamente
purgados y que están parcialmente inundados de agua son causa del bajo
rendimiento de las plantas de evaporación.
5.3. CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR
Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente:
La capacidad de un sistema de evaporación es la cantidad de masa de solvente
(agua) evaporado por hora.
Esta capacidad esta íntimamente relacionada con la velocidad de transmisión
de calor “q” a través de la superficie de calefacción de un evaporador. El
conocimiento de esta velocidad es un requisito importante en el diseño, en la selección
y en la operación de evaporadores.
q = UAΔT (Ecc. Nº 01)
Si la alimentación que entra en el evaporador está a la temperatura de ebullición
correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor, todo el calor transmitido
a través de la superficie de calefacción es utilizado en la evaporación y la capacidad
es proporcional a q. si la alimentación esta fría, el calor que se requiere para calentarla
hasta su temperatura de ebullición puede ser bastante grande y, consecuentemente,
se reduce la capacidad para un valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para
calentar la alimentación no esta disponible para la evaporación. Por lo contrario, si la
alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición en el espacio de vapor,
una parte de la alimentación se evapora espontáneamente mediante equilibrio
adiabático con la presión del espacio de vapor y la capacidad es superior a la
correspondiente a q. este proceso recibe el nombre de evaporación de flash.
La caída de temperatura a través de la superficie de calefacción depende de la
disolución que se evapora, de la diferencia de presión entre la cámara de vapor y el
espacio de vapor situado encima del liquido en ebullición, así como de la altura de
liquido en los tubos también influye sobre la caída de temperatura debido a que la
disolución tiene las características del agua pura, su temperatura de ebullición puede
obtenerse a partir de las tablas de vapor de agua conocida la presión. Sin embargo, en
los evaporadores reales la temperatura de ebullición de una disolución está afectada
por dos factores: el ascenso del punto de ebullición y la carga del líquido.
5.3.1. COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN DE CALOR
Según la ecuación uno la velocidad de transmisión de calor y la capacidad
del evaporador están afectadas tanto por la caída de temperatura como el
coeficiente global de transmisión de calor. La caída de temperatura esta fijada por
las propiedades del vapor de agua y del líquido que hierve y, excepto por lo que
respecta a la carga hidrostática, no depende de la construcción del evaporador. Por
otra parte, el coeficiente global está fuertemente influenciado por el diseño y la
forma de operación del evaporador.
La resistencia global a la transmisión de calor entre el vapor de agua y el
líquido en ebullición es la suma de cinco resistencias individuales: la resistencia de
la película de vapor, las dos resistencias de las costras, interior y exterior de los
tubos; la resistencia de la pared del tubo; y la resistencia del líquido en ebullición.
El coeficiente global es el inverso de la resistencia total. En la mayoría de los
evaporadores el factor de ensuciamiento del vapor de agua condensante y la
resistencia de la pared del tubo son muy pequeños, y generalmente pueden
despreciarse en el cálculo de evaporadores. En un evaporador de película agitada
la pared del tubo es bastante gruesa, de forma que su resistencia puede ser una
parte importante de la resistencia total.
5.3.1.1. COEFICIENTES DE LA PELÍCULA DE VAPOR
El coeficiente de la película de vapor de agua es elevado, aun para la
condensación en película. A veces se adicionan promotores al vapor de agua
para provocar la condensación en gotas y aumentar todavía más el coeficiente.
Puesto que la presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el
coeficiente de película del vapor, es preciso tomar precauciones para purgar los
vapor de agua está a una presión inferior a la atmosférica.
Se conocen perfectamente los coeficientes de película del vapor
condensado tanto en el interior de tubos como sobre bancos de tubos que son
del orden de 5 – 15 kW/m2ºC.
5.3.1.2. COEFICIENTES DEL LADO DEL LÍQUIDO
El coeficiente del lado del líquido depende en gran medida de la velocidad
del líquido sobre la superficie de calefacción. Estos coeficientes suelen ser
mayores en los sistemas de circulación forzada que en los de circulación natural.
En la mayoría de los evaporadores, especialmente en los que tratan materiales
viscosos, la resistencia del lado del liquido controla la velocidad global de
transmisión de calor hacia el líquido en ebullición. En los evaporadores de
circulación natural el coeficiente del lado del líquido para disoluciones acuosas
diluidas está comprendido entre 200 y 600 Btu/pie2 h ºF.
La circulación forzada conduce a coeficientes elevados del lado del líquido
aun cuando la ebullición dentro de los tubos es suprimida por la elevada carga
estática.
La formación de costras sobre los tubos de un evaporador añade una
resistencia térmica equivalente a un factor de ensuciamiento.
5.3.1.3. COEFICIENTES GLOBALES
Debido a la dificultad de medir los elevados coeficientes de película
individuales en un evaporador, los resultados experimentales generalmente se
expresan en función de coeficientes globales, que están basados en la caída
neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevación del punto de
ebullición. Los coeficientes globales están, por supuesto, influenciados por los
mismos factores que los coeficientes individuales; pero, si una resistencia (tal
como la película del líquido) es controlable, variaciones importantes de las
demás resistencias apenas tendrían efecto sobre el coeficiente global.
Según Perry (2001) menciona lo siguiente:
Una pequeña acumulación de costras reduce el coeficiente a una pequeña
fracción de los valores para tubos limpios. Un evaporador de película agitada
produce un coeficiente aparentemente bajo con un líquido de una viscosidad de
100 Pa pero este coeficiente es mucho mayor que el que podría obtenerse con
cualquier otro tipo de evaporador que tratase un material tan viscoso.
En lo evaporadores de circulación natural el coeficiente global es sensible a
la caída de temperatura y a la temperatura de ebullición de la disolución. Con
líquidos de baja viscosidad los coeficientes de transmisión de calor son
elevados, del orden de 1000 a 2000 Btu/pie2 h ºF para agua.
5.3.1.3.1. MODELOS DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA
DE CALOR PARA EVAPORADORES
a) EVAPORACIÓN POR CIRCULACIÓN FORZADA. La carga
hidrostática evita la ebullición en la superficie de calentamiento,
pueden predecirse coeficientes de transmisión de calor a
partir de las correlaciones habituales para el vapor de
condensación. El coeficiente de película se mejora cuando no
se suprime por completo la ebullición. Cuando solo la película
cercana a la pared está por encima del punto de ebullición,
BOATS, BADGER Y MEISENBERG (1937) descubrieron que
los resultados pueden correlacionarse mediante la ecuación
(Ecc. N° 02), empleando una constante 0.0278 en lugar de
0.023. En estos casos el uso de la temperatura del líquido
todavía puede calcularse a partir de la velocidad conocida de
circulación y la entrada de calor.
Cuando la masa del líquido hierve, a lo largo de la longitud del
tubo, el coeficiente de película es aun más elevado; sin
embargo la temperatura del líquido comienza a caer a medida
que desarrolla la ebullición completa y es difícil estimar la
transmisión de calor suponiendo que no existe una ebullición
masiva. Frangen y Badger (1936) obtuvieron una correlación
empírica de coeficientes globales de transmisión de calor para
este tipo de evaporadores, basándose en el valor de ΔT a la
entrada del calentador.
En unidades comunes de Estados Unidos:
U = 2.020D0.57 (VS)3.6/L/ u0.25 . ΔT 0.1 .................(Ecc. N° 02)
Donde:
D = diámetro medio del tubo.
Vs = velocidad de entrada.
Ч = viscosidad liquido.
Esta ecuación se basa principalmente, en experimentos con
tubos de cobre de 0.002m de diámetro externo, espesor de
0.00165m. (Calibre 16), longitud de 2.44m. (8ft), aunque
también incluye datos con tubos de 0.0127 m. (1/2 in) y longitud
de 2.44 m. (8 ft), y tubos de 0.00254 m (1 in) y longitud de 3.66
m (12 ft).
b) EVAPORADORES VERTICALES DE TUBO CORTO
El comportamiento es, fundamentalmente, del nivel térmico, la
diferencia de temperatura y viscosidad. Aunque el nivel del
líquido puede tener, una influencia también importante, este se
encuentra normalmente solo a niveles bajos de los que se
consideran seguros para operaciones industriales. Los
coeficientes globales de transferencia de calor se muestran
en la figura N° 01 para un evaporador tipo cesta, al hacer hervir
el agua en tubos de acero de 0.051 m (2 in) de diámetro
externo. 0.0028 m (calibre 12) de espesor de pared, y 1.22 m (4
ft) de longitud (Badger y Shepard – 1920), manteniendo un
16
bos. FoustFoust ,, BakerBaker yy
t
nivel de líquido superior en el haz de tu
Badger (1939), midieron las velocidades de recirculación y os
coeficientes de transmisión de calor en el mismo evaporador,
con la excepción de que emplearon tubos de 0.064 m ( 2.5 in) ,
0.0034 m de espesor de pared ( calibre 10), y 1.22 m ( 4 ft) de
longitud; con diferencias de temperaturas de 7 a 26°C ( 12 a
46°F). En el intervalo normal de niveles de líquido, sus
resultados pueden expresarse de la siguiente manera:
0.220.4
Uc b ( Tc N pr
(Vg V )0.37.................(Ecc. N° 03)
Donde: b = 153(SI) o 375 (unidades U. S.) y el subíndice c se refiere a
la temperatura real de líquido, que en esas condiciones fue de
aproximadamente 0.56°C (1 ° F ) por encima de la temperatura de la
carga de vapor. Este trabajo se lleva a cabo con agua.
Figura Nº 01
Fuente: Perry (2001).
c) RANGO GENERAL DE COEFICIENTES GLOBALES DE
TRANSFERENCIA DE CALOR EN EVAPORADORES
VERTICALES DE TUBOS LARGOS (LTV)
Estos se encuentran habitualmente e la práctica comercial. Loa
coeficientes más elevados corresponden a la evaporación de
soluciones diluidas, mientras que el intervalo mas bajo
corresponden los líquidos viscosos. En la figura N° 02, la curva
de guiones representa el límite inferior aproximado, para
líquidos con viscosidades del orden de 0.1Pa.s (100
centipoises). El evaporador LTV no funciona adecuadamente
con diferencias de temperaturas bajas, como lo indican los
resultados que se muestran en la figura N° 03, por ejemplo
para el agua del mar, en tubos de latón de 0.051 m (2 in), de
0.028 m (calibre 12), con 7.32 m (24 ft) de longitud . El
alimento se introduce a la temperatura de ebullición y a la
presión de carga del vapor variando las velocidades de
alimento desde 0.025 a 0.050 kg/(s.tubo), a la temperatura mas
alta, hasta 0.038 a 0.125 kg/(s.tubo), a la temperatura mas
baja.
Los evaporadores de película descendente encuentran su más
amplio uso a las bajas diferencias de temperaturas y también a
bajas temperaturas. En la mayoría de las condiciones de
evaporación encontradas, la transmisión de calor tiene lugar
casi completamente por convección pura, con una contribución
despreciable de la ebullición nucleada. Existe una correlación
grafica donde muestra curvas que cubren la transmisión de
calor en películas descendentes hacia líquidos que no están en
ebullición, que son aplicados al evaporador de película
descendente. ( Kunz y Yerazunis – 1939) han publicado el
intervalo cubierto de propiedades físicas como se muestra en la
figura N° 04.
El punto de ebullición en los tubos de un evaporador de este
tipo es mayor que en la cara del vapor, debido a la caída de
presión por fricción y la carga necesaria para acelerar el vapor
hasta la velocidad de salida del tubo. Estos factores, que
pueden predecirse fácilmente, hacen que los coeficientes
globales sean algo menores que los correspondientes
condiciones de no ebullición. En la figura N° 03 se muestra los
coeficientes de agua de mar, de película descendente, que
utiliza los mismos tubos y las mismas velocidades de flujo que
en los ensayos de película ascendentes.
Figura Nº 02
Figura Nº 03
Fuente: Perry (2001).
Fuente: Perry 2001
Figura Nº 04
Fuente: Perry 2001
Los coeficientes de transmisión de calor en evaporadores de película agitada dependen,
principalmente, de la viscosidad del líquido, este tipo de evaporadores normalmente, solo
se justifica para materiales muy viscosos como son algunos alimentos. En la figura N° 05
se muestran rangos generales de los coeficientes muy elevados (Hauschild – 1953).
Cuando se emplea con fluidos no viscosos un evaporador de película enjugada con
superficies externas estriadas pueden obtenerse coeficientes muy elevados.
Figura Nº 05
Fuente: Perry 2001
5.4. ECONOMÍA DE UN EVAPORADOR
La economía de un sistema de evaporación es la masa total de solvente evaporada
por cada masa de vapor de agua alimentado al sistema de evaporación.
El principal factor que influye sobre la economía de un evaporador es el número de
efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía de vaporización del vapor de
agua que entra en el primer efecto puede utilizarse una o más veces dependiendo
del número de efectos. La economía también está influenciada por la temperatura
de la alimentación. Si la temperatura es inferior a la de ebullición en el primer efecto,
para el calentamiento de la carga se utiliza una parte de la entalpía de vaporización
del vapor de agua y solamente una parte queda disponible para la ocupación. Si la
temperatura esta a una temperatura superior a la de ebullición, la vaporización
súbita que se produce contribuye a generar una evaporación adicional a la
producida por la condensación del vapor de agua.
Desde el punto cuantitativo la economía de un evaporador es totalmente una
cuestión de balance de entalpía.
5.5. CONSERVACIÓN DEL CALOR EN LOS SISTEMAS DE EVAPORACIÓN
Según Brennan, Butters, Cowell, Lilly (1980) mencionan lo siguiente:
El vapor que sale de un evaporador contiene calor que se pierde si el vapor de deja
escapar. La reutilización de este calor reduce los costos de operación de la planta.
5.5.1. EVAPORACIÓN DE EFECTOS MÚLTIPLES
El vapor que sale de un evaporador puede utilizarse como medio de calentamiento
de la calandria de un segundo evaporador siempre que la temperatura de ebullición
de este evaporador sea lo suficientemente baja para mantener una diferencia de
temperatura apropiada.
Esto se consigue mediante la operación de efectos sucesivos a presiones cada vez
más reducidas. La reutilización del calor por este método puede extenderse a
varios efectos y se denomina evaporación de efectos múltiples.
Debe entenderse que la evaporación de efectos múltiples no proporciona mayores
rendimientos que los que se obtienen con los sistemas de efecto único de igual
superficie cambiadora de calor.
El objeto de la operación de efectos múltiples consiste en mejorar la economía
térmica global del proceso y no en aumentar la capacidad de la planta. Como regla
aproximada se puede decirse que una simple unidad requiere alrededor de 1.3 Kg.
de vapor para evaporar 1 Kg. de agua, una unidad de doble efecto alrededor de 0.6
Kg. de vapor por Kg. de agua y una unidad de triple efecto 0.4 Kg. de vapor por Kg.
de agua.
En general, cuanto mayor sea el número de efectos, tanto mayor es la economía
de vapor. El precio de la economía de vapor y el capital que cuestan la instalación
aumentan con el número de efectos. Puede demostrarse que el área de cada uno
de los efectos en un sistema múltiple tiene que ser la misma que la de un efecto
único si las condiciones de evaporación global son las mismas. El costo de “n”
efectos es aproximadamente “n” veces el costo de un efecto simple y, por tanto, el
costo de capital de una planta se eleva rápidamente al aumentar el numero de
efectos. El número óptimo de efectos es aquel en que se equilibran los costos de
operación reducidos y los mayores costos de capital invertido. Normalmente no se
encuentran plantas que tengan evaporadores más de cinco o seis efectos.
5.5.2. OPERACIONES DE LOS SISTEMAS DE EVAPORACIÓN DE EFECTOS
MÚLTIPLES
5.5.2.1. ALIMENTACIÓN HACIA DELANTE
Es el sistema de alimentación más simple y común. El liquido de
alimentación va hacia delante en la misma dirección que los evaporadores, es
decir, del primer efecto al segundo, de este al tercero, etc. Solo se requiere una
bomba de extracción y el efecto final opera a baja presión. En este sistema de
alimentación la viscosidad del liquido que se procesa aumenta durante su paso
a través de la planta debido tanto al aumento progresivo de concentración como
la reducción progresiva de la temperatura de un efecto a otro.
El coeficiente global de transferencia de calor es por tanto bajo en los últimos
efectos. Sin embargo, es menor el riesgo de que el líquido más viscoso sea
dañado por el calor debido a la menor temperatura de los últimos efectos. En la
calandria del primer efecto se condensa vapor de agua de alta calidad. Si
inicialmente el líquido de alimentación tiene una temperatura inferior a su punto
de ebullición, parte del calor transferido es utilizado en el precalentamiento del
líquido de alimentación. Puesto que entonces el calor disponible para la
vaporización es menor, en el segundo efecto se condensa menor vapor, hecho
que se repite en los siguientes efectos. El resultado final es una perdida en la
economía de vapor.
5.5.2.2. ALIMENTACIÓN HACIA ATRÁS
En este sistema de alimentación es preciso intercalar bombas entre los
diferentes efectos. El liquido de alimentación mas frió y diluido se calienta con el
vapor mas agotado, fluyendo liquido y vapor a contracorriente. Con este
sistema se consigue cierta economía de vapor. El aumento de la viscosidad por
concentración se compensa por las mayores temperaturas que va adquiriendo
el líquido, ya que el líquido creciente viscoso encuentra superficies cada vez
mas calientes al pasar de un efecto al siguiente. En el sistema es preciso sin
embargo tener cuidado para evitar el “chamuscado” localizado.
5.5.2.3. ALIMENTACIÓN EN PARALELO
Se usa normalmente en los evaporadores de cristalización. Este modo de
operación permite mejor control de la operación de cristalización y evita la
necesidad de bombear mezclas densas entre diferentes efectos, con los
consiguientes problemas de flujo.
5.5.2.4. ALIMENTACIÓN MIXTA
Es un método que se usa comúnmente en las plantas de un alto número de
efectos. Es el resultado del compromiso entre la mayor simplicidad de la
“alimentación hacia delante” y la mayor economía de la alimentación hacia
atrás”. El método es útil cuando se manipulan líquidos muy viscosos y se
recomienda cuando los aumentos de viscosidad con la concentración son
grandes.
5.5.3. PRECALENTAMIENTO DEL LÍQUIDO DE ALIMENTACIÓN
Un segundo método empleado en la conservación del calor consiste en usar el
vapor caliente de un evaporador de efecto único para precalentar el liquido de
alimentación frió. Puesto que la temperatura del vapor es baja, el área de la
superficie de calentamiento debe ser grande.
5.5.4. RECOMPRENSIÓN DEL VAPOR
Otro método de conservación de calor es la recomprensión de vapor. Este método
el vapor de un evaporador se comprime y retorna a la calandria. Al aumentar la
presión aumenta la temperatura de condensación del vapor.
Existen dos métodos de recomprensión:
La recomprensión mecánica del vapor utilizando una bomba mecánica.
La recomprensión térmica del vapor empleando un comprensor de chorro de
vapor.
El uso de los sistemas de recomprensión de vapor puede, en algunos casos,
producir considerablemente economía en la necesidad total de energía en
comparación con la evaporación de efectos múltiples. La recomprensión
mecánica del vapor es preferible cuando se trata de concentrar soluciones
diluidas, ya que este método es económicamente ventajoso cuando son
aceptables pequeñas diferencias de temperatura entre el medio de
calentamiento y el líquido en ebullición, como ocurre cuando se concentran
soluciones diluidas de baja viscosidad.
Los sistemas de evaporación de efectos múltiples que incorporan la
recomprensión del vapor en uno o mas efectos se usan crecientemente por su
economía térmica
6. DISEÑO DE UN SISTEMA DE EVAPORACIÓN - CÁLCULOS
Según C.H. Holland (1981) menciona lo siguiente:
El diseño de un evaporador se toma generalmente como la determinación del área de
transferencia de calor y el consumo de vapor requerido para efectuar una separación
especifica a unas condiciones determinadas de operación en estado estacionario.
Además es optimizar la capacidad de evaporación y la economía de vapor para reducir
costos de operación.
Por otro lado para el diseño de sistemas de evaporación es necesario tener presente
las características del producto a evaporar para decidir el tipo de materiales en la
construcción del evaporador. Además, y debido a los problemas de crecimiento
microbianos, el equipo debe diseñarse de tal manera que pueda limpiarse con facilidad.
Por último dado el grado de degradación de los materiales biológicos (productos
farmacéuticos, la leche, los jugos cítricos y los extractos vegetales) durante la
evaporación por temperaturas altas, es necesario mantener la temperatura baja
durante la evaporación por lo que la evaporación debe hacerse al vacío para reducir el
punto de ebullición de la solución; todo esto implica también probar y calcular la
resistencia del evaporador para que resista presiones inferiores a la atmosférica.
6.1. DISEÑO DE UN EVAPORADOR DE EFECTO SIMPLE
Según C.H. Holland (1981) menciona lo siguiente:
Las ecuaciones que describen un evaporador de efecto simple se derivan de la
siguiente manera. Los balances de materia por componente para el soluto y el
solvente son:
BALANCE DE MATERIA
Balance del soluto: FX = Lx
Balance del solvente: F(1 – X ) = V +
(1 – x)
Balance de materia total: F = V + L
Donde:
F = flujo de alimentación
L = flujo de liquido concentrado
V = flujo de vapor
X = fracción en masa del soluto en el
alimento
x = fracción en masa del soluto en el
licor concentrado
BALANCE ENTÁLPICO
ALREDEDOR DEL PROCESO
F hf + Q – V HV – L hL = 0
Pero como V = F - L
F ( hf - hL) + Q – ( F – L ) (H – h ) = 0
Donde:
hf = entalpía del alimentación
hL = entalpía del licor concentrado
HV = entalpía del vapor secundario a
la temperatura
Q = velocidad del calor transferido a
través de los tubos (desde el vapor de
agua hacia el licor concentrado)
Balance de la entalpía en el vapor de
agua
VoHo – Q – VohO = 0
Q = Vo(Ho – ho) = Vo hfg
Donde:
hfg = es el calor latente de vaporización
del vapor de agua que entra.
Velocidad de transferencia de calor Q
Q = UA(To – T)
Donde:
U = coeficiente de transferencia de calor,
A = área superficial de lo tubos
disponibles para la transferencia de calor
To = temperatura de saturación del vapor
de agua que entra al primer efecto
T = temperatura de ebullición del licor
concentrado a la presión del espacio con
vapor
b
7. TIPOS Y SELECCIÓN DE EVAPORADORES SEGÚN LAS PROPIEDADES DE LAS
DILUCIONES.
Según Brennan, Butters, Cowell, Lilly (1980) mencionan lo siguiente:
7.1. EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN NATURAL
7.1.1. EVAPORADOR ABIERTO
Son los evaporadores comerciales más simples que existen y son muy
populares por su baratura. Aunque el depósito de estos evaporadores puede
calentarse directamente, lo más frecuente es que estén provistos, bien de una
camisa de calentamiento externa o de un serpentín interno a través del cual
pasa el medio transferidor de calor. En estas unidades las velocidades de
evaporación son bajas y la economías de térmica es pobre. Los depósitos
pueden cerrarse para permitir la operación a vacío. La agitación favorece la
transferencia de calor, aumentando su velocidad, y reduce el riesgo de
chamuscado del producto que contacta con las superficies de calentamiento.
Estos evaporadores simples se usan para concentrar la pulpa de tomate, en
la preparación de sopas y salsas y en la ebullición de mermelada y productos
de confitería. Los evaporadotes de camisa pequeños son muy útiles, pero en
los de mayor capacidad la relación superficie transferente de calor a volumen
de líquido se reduce considerablemente y el calentamiento se hace menos
efectivo. Los serpentines de calentamiento internos que se instalan en las
unidades mayores pueden dificultar la circulación del líquido y reducir por tanto
la velocidad de transferencia de calor. Generalmente cuando se requieren
unidades de gran capacidad son preferibles otros tipos de evaporadores que
ofrecen mayores ventajas.
7.1.2. EVAPORADORES DE TUBOS CORTOS HORIZONTALES
En este tipo de evaporador la parte inferior de la cámara esta atravesada por
un banco de tubos horizontales calentados internamente por vapor. Por
encima del calentador existe un amplio espacio para permitir la separación por
gravedad de las gotitas liquidas que son arrastradas con el vapor desprendido
del liquido de la base. Para reducir aun más el arrastre y facilitar la separación
pueden disponerse en el interior de este espacio láminas de choque
separadoras. El banco de tubos horizontales dificulta la circulación y en
consecuencia los coeficientes globales de transmisión de calor de este tipo de
evaporadores son bajos.
Este tipo de unidad se destinaba originalmente a la evaporación de líquidos de
escasa viscosidad que no formaban espumas ni costras.
7.1.3. EVAPORADORES DE TUBOS CORTOS VERTICALES
Este tipo de unidad se usa mucho en procesos industriales, llegándose a
conocer como el “evaporador normal.” En él se condensa sobres la superficie
exterior de tubos dispuestos verticalmente. La calandria o conjunto de tubos
que atraviesan la cámara de vapor frecuentemente posee un tubo de retorno
central que normalmente ocupa al menos el 40 % del área de flujo de los
tubos de ascensión. Puesto que el líquido situado en el tubo de retorno está
mas frío que el de los tubos calentadores de ascenso se crea corrientes de
circulación natural la longitud de los tubos oscila entre 0.5 y 2 m y el diámetro
entre 12 y 75 mm.
Cuando se concentran por evaporación líquidos formadores de costras los
tubos deberán estar cubiertos por el líquido para que la deposición de material
sea mínima. Las unidades pueden equiparse con calandrias de cesta que se
pueden desmontar fácilmente para limpiarlas.
Este tipo de evaporador alcanza buenas velocidades de evaporación con
líquidos de viscosidad moderada, no corrosivos y poco tendentes a la
formación de costras. Entre sus aplicaciones típicas se hallan la concentración
de soluciones de azúcar de caña, de azúcar de remolacha, glucosa, extracto
de malta, sal y zumos de frutas.
7.1.4. EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN NATURAL CON CALANDRIA
EXTERIOR
En esta unidad la calandria esta fuera del espacio separador de vapor. La
construcción es simple y permite fácil acceso al haz de tubos. La calandria
frecuentemente se distribuye por un cambiador de calor de ‘placas, que resulta
particularmente útil cuando es previsible la deposición de costras o la
degradación del producto. A pesar de que se mantiene en recirculación
grandes volúmenes de líquido los evaporadores de este tipo que operan a
presiones reducidas se usan profusamente para la concentración de productos
alimenticios sensibles al calor como la leche, los extractos carnicol y los jugos
de frutas.
7.2. EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA
Los evaporadores con calandrias externas con frecuencia operan como unidades
de circulación forzada. Tales unidades son capaces de concentrar líquidos
viscosos con lo que se consigue mantener velocidades de circulación adecuadas
mediante centrifugas y cuando son más viscosos se usan bombas centrifugas y
cuando son más viscosos se usan bombas de desplazamiento positivo.
En algunos evaporadores de cristalización se monta una hélice impulsora en el
tubo central de retorno al objeto de aumentar la circulación del líquido.
7.3. EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS
Estos evaporadores constan de una cámara vertical provistas de cambiadores de
calor tubulares. Como medio de calentamiento suele utilizarse vapor que se
condensa en el interior de la cámara.
7.3.1. EVAPORADORES DE PELÍCULA ASCENDENTE
Los evaporadores típicos de este tipo poseen tubos de 3 – 12m de longitud y
25 – 50 mm de diámetro. E líquido penetra por la parte inferior de los tubos,
precalentando casi a ebullición, y comienza a hervir al ascender una corta
distancia. La expansión debida a la vaporización hace que se formen burbujas
de vapor que ascienden a alta velocidad por los tubos arrastrando líquido
hacia la parte superior. A medida que el liquido asciende se va concentrando y,
en condicione óptimas, el vapor arrastra hacia arriba la pared de los tubos una
fina película de liquido que se concentra rápidamente. La mezcla de vapor
liquido que emerge por la parte superior de lo tubos pasa seguidamente a un
separador en el que se elimina el vapor. El liquido concentrado para ser
recirculado o se puede pasar un segundo evaporador para proseguir su
concentración. Este tipo de evaporadores el tiempo de residencia en la zona
de calentamiento es corto y los valores U son elevados, razón por la cual los
evaporadores de película ascendente son útiles para concentrar productos
sensibles al calor.
7.3.2. EVAPORADOR DE PELÍCULA DESCENDENTE
Es similar al anterior pro el liquido de alimentación precalentado entra por la
parte superior del haz de tubo. a medida que tiene lugar la evaporación, el
vapor que se forma desciende por la parte central de los tubos formando un
chorro de alta velocidad que arrastra el liquido. Puesto que en los tubos no
existe cabeza hidrostática de, líquido es posible mantener una baja
temperatura de ebullición uniforme. Los tiempos de residencia son cortos y por
tanto la unidad es excelente para la concentración de productos sensibles al
calor. Se usa con profusión para concentrar jugos cítricos con los que se
obtienen altas velocidades de evaporación a temperaturas tan bajas como 10 -
16 ºC operando a vacío.
Los evaporadores de película descendente están adquiriendo importancia
creciente en la industria de los alimentos, especialmente en el sector lácteo.
7.3.3. EVAPORADOR DE PELÍCULA ASCENDENTE – DESCENDENTE
Frecuentemente se utiliza una combinación de la evaporación en película
ascendente y en película descendente. En este tipo de evaporador el líquido
de alimentación diluido se concentra parcialmente en la sección de película
ascendente y a continuación el producto más viscoso pasa a la región de
película descendente. Con estas combinaciones se consiguen altas
velocidades de evaporación.
7.3.4. EVAPORADORES DE PLACAS
Aunque el moderno evaporador de placas, tan popular en los procesos
industriales, se introdujo comercialmente en la década de 1950, el primer
evaporador basado en el mismo principio se instalo ya en 1928 para la
concentración de mermelada ligera.
El evaporador de placas utiliza el principio de la película ascendente –
descendente dentro de un cambiador de calor de placas. Normalmente las
placas están dispuestas en unidades de cuatro. El vapor se condensa en los
espacios formados por las placas 4-1 y 2 -3 y el liquido precalentado hierve
sobre la superficies de las placas, ascendiendo en forma de película por el
espacio entre las placas 3 – 4. El número de unidades de 4 puede variarse
para adaptar la capacidad de la planta alas necesidades. La mezcla vapor
líquido que sale del conjunto de placas pasa a un separador centrifugo. Este
evaporador es útil para concentrar productos sensibles al calor ya que las
altas velocidades del líquido que se consiguen permiten una buena
transferencia térmica y cortos tiempos de residencia. Esto unido a la rapidez y
facilidad con que se desmonta la unidad y a la poca superficie de suelo que
ocupa, ha hecho que el evaporador sea muy popular.
En un nuevo tipo de evaporador de placas introducido recientemente por APV
Co. Ltd. Se han suprimido las secciones de película ascendente. El líquido
fluye exclusivamente en forma de película descendente sobre las placas
mayores que las del evaporador de lacas convencionales. En esta nueva
unidad, usada en la concentración de jugos cítricos, se evita la recirculación
interna y se consiguen tiempos de residencia muy cortos.
7.3.5. EVAPORADORES DE FLUJO EXPANDIDO
En este aparto diseñado para la concentración de productos lácteos zumos de
frutas, etc., el liquido y el vapor fluyen por espacios alternados de forma similar
a como ocurre en el evaporador de placas. Las placas, sin embargo, se
sustituyen por delgados conos invertidos de acero inoxidable, provistos de
juntas de cierre para evitar fugas. El líquido de alimentación penetra por el eje
de giro central situado en la base de la pila de conos y entra a través de
boquillas de alimentación en los espacios de los conos calentados, fluyendo
hacia arriba y fuera sobre las superficies calentadas por el vapor. Puesto que
se opera a vacío, el líquido alcanza rápidamente el punto de ebullición. Del
sistema de conos sale tangencialmente, pasando el vapor separado hacia la
parte superior por donde sale de la cámara interna a la externa. La alta
velocidad que adquiere el líquido en los espacios entre los conos determina la
formación de delgadas películas turbulentas del líquido en evaporación que
permiten elevadas velocidades de transferencia de calor y cortos tiempos de
residencia. La unidad se ha diseñado para su limpieza in situ (en el lugar).
7.3.6. EVAPORADORES DE PELÍCULA DELGADA MECÁNICA
Estos evaporadores normalmente constan de una cámara recubierta de
camisa de calentamiento, en cuyo interior se aloja un rotor con múltiples
láminas que puede estar montado vertical u horizontalmente. El área de la
sección transversal de las cámaras dispuestas horizontalmente suele decrecer
en la dirección del flujo, lo que permite mojar las paredes aunque la velocidad
de flujo sea baja y reducir el “chamuscado” del producto.
Las unidades de película delgada tienen una separación entre los bordes de
las láminas del rotor y la superficie de transferencia de calor del orden de 0.5 –
1.25 mm. Los evaporadores de película barrida tienen menor separación y
producen espesores de película tan pequeños como 0.25 mm. Estos tipos de
evaporadores se están empleando cada vez más en la concentración de
productos sensibles al calor como pastas de tomate, café, leche, suero, malta
y productos azucarados. La principal ventaja de los evaporadores de película
delgada mecánica es su capacidad para manipular líquidos altamente
viscosos (50 -100 kg/ms) con altas velocidades de transferencia de calor. Los
principales inconvenientes son el relativamente elevado coste y la limitada
capacidad de la mayor parte de las unidades existentes. Por esta razón dichos
evaporadores suelen utilizarse como “aparatos de acabado” en, los que se
opera con menores capacidades y mayores viscosidades.
Existe otro tipo de evaporador de película delgada mecánica desarrolla para
concentrar productos sensibles al calor, similar a la unidad de flujo expandid,
en el que la pila de conos gira a gran velocidad lanzando gotitas de liquido y
de la fuerza centrifuga. Se ha señalado que el evaporador “Centritherm”
permite lograr buenas separaciones a elevadas velocidades de transferencia
de calor y tiempos de residencia sumamente cortos.
7.3.7. EVAPORADORES A BAJA TEMPERATURA
Para la concentración a vacío de productos altamente sensibles al calor a
bajas presiones se requieren para la condensación del vapor temperaturas
correspondientemente bajas y por ello se han desarrollado evaporadores que
utilizan “bombas de calor”. En estas unidades un gas refrigerante se condensa
sobre los tubos de la calandria para aportar calor y se evapora en el
condensador para condensar el vapor producido.
En los evaporadores de este tipo se usan temperaturas de ebullición tan bajas
como 20 ºC para evitar el daño térmico, siendo los correspondientes tiempos
de residencia de 20 – 35 minutos. Investigaciones recientes han demostrado
la gran importancia que tiene la combinación de temperatura y tiempo de
contacto (integral temperatura – tiempo). Se ha demostrado que algunos
productos muy sensibles al calor, como jugos de frutas cítricas, pueden resistir
temperaturas mucho más elevadas de las que previamente se consideraban
posibles siempre que los tiempos de contacto sean lo suficientemente cortos.
Puesto que la temperaturas de ebullición más elevadas son económicamente
mas favorables, en los últimos años esta declinando el empleo de
evaporadores a baja temperatura para procesar alimentos sensibles al calor.
II. PROBLEMAS DE APLICACIÓN A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA
Problema de aplicación
Se debe diseñar un evaporador de efecto simple para concentrar una solución de jugo
de naranja al 20% (por peso) hasta una solución al 50%. La solución diluida (el
alimento) a 200 ºF debe alimentarse al evaporador a un flujo de 40.000lb/h. para fines
de calentamiento, se utiliza vapor de agua saturado a 350 ºF. Se dispone de suficiente
área en el condensador para mantener una presión de 0.9492 lb/pulg2 (absoluta) en el
espacio de vapor del evaporador. En base a un coeficiente total de transferencia de
calor de 300 Btu/(h pie2 ºF), calcular:
1. El área de calentamiento requerida
2. El consumo y economía del vapor de agua
24000
16000
1.8E+07
340.107
21093.1
1.13781
40000
200
20%
262.8
50%
99.45
350
134.63870.7
170
0.9492
1136.94
Solución del problema usando Microsoft Excel
Datos del Alimento Resultados
Vvelocidad de evaporación
F flujo del alimento a concentrar LTf Tº al cual ingresa el alimento Q
Xf fracción de masa del soluto en el aliemto A
hf entalpía del alimento Vo
xL fracción de masa del soluto en el licor EV
hL
flujo al caul el licor concentrado sale
velocidad de transferencia de calor
área de transferencia de calor
consumo de vapor de agua
economía de vapor
Datos del Vapor Vivo
To Po hfg
Datos del vapor secundario Tv
Pv
hv
Datos del serpentin de transferencia de calor
U 300
III. DISCUSIONES DE LOS RESULTADOS
Durante el diseño de evaporadores no solo hay que tener en cuenta los parámetros
mencionados anteriormente, también se debe considerar factores como la región
geográfica donde se instalara el evaporador.
Además J. G. Brennan, J. R. Butters, N. D. Cowell, A. E. V. Lilly (1982) mencionan
que el cálculo para el diseño de un evaporador solo son aproximaciones y se deben
considerar márgenes de error.
Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran
cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación
óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto
IV. CONCLUSIONES
En el diseño de evaporadores los principales parámetros para su construcción son la
economía de vapor, el área de transferencia de calor y las características químicas y
físicas del fluido a concentrar.
V. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
LIBROS:
M. Orozco Flores (1998) “Operaciones Unitarias” Editorial Limusa – México.
Charles D. Holland (1981) “Fundamentos y Modelos de Procesos de
Separación” Editorial Pretince – México.
J. G. Brennan, J. R. Butters, N. D. Cowell, A. E. V. Lilly “Las Operaciones de la
Ingeniería de los Alimentos” Editorial Acribia – España.
R. H. Perry – D. W. Green (2001) “Manual del Ingeniero Quimico Vol II”
Editorial Mc Graw – Hill.
PÁGINAS WEB:
www.incauca.com/ncauca
www.fmcitalia/it/cgi/bin/images/photo/area_1
