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• Sergio Vittar Lucero

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Objetivos de la evaporación:

EVAPORACION

CÁTEDRA TECNOLOGÍA DE LA ENERGÍA TÉRMICA

Concentración de productos químicos y alimentos

Esta operación consiste en la separación de un disolvente volátil de un soluto no volátil por evaporación del disolvente.

2012

Para producir cristalización (soda cáustica, azúcar, etc.) zumos, leche y café antes de su deshidratación, congelación o esterilización


El agua es el disolvente que con más frecuencia hay que separar.

EVAPORADORES

ahorro energético en las operaciones siguientes reduce gastos de almacenamiento, transporte y distribución

Mejorar la conservación de alimentos


La calefacción se efectúa por medio del vapor condensante (por lo general).

mermeladas y melazas reducción de la actividad de agua

Se utiliza cuando el producto es un líquido, y se requiere quitar el agua .

Suministrar un producto de uso más cómodo

La evaporación es un proceso de uso frecuente en la industria química y de los alimentos.

Cambiar aroma y/o color de los alimentos

Ing. Omar Brizuela

concentrados de frutas para diluir, sopas, pasta de tomate

1

2

jarabes caramelizados para panadería y pastelería

3

Factores del proceso

Los factores principales que afectan a la velocidad de evaporación son:

Posible elevación de la viscosidad durante el proceso al aumentar la concentración

a) La velocidad de transferencia de calor al líquido.

disminución del coeficiente global de transferencia de calor

La cantidad de calor viene dada por:

Posible alcance del límite de solubilidad

b) La cantidad de calor necesaria para evaporar cada kilogramo de agua.

La evaporación se lleva a cabo por la transferencia de calor desde el vapor condensante (o medio calefactor) hasta la disolución a concentrar.

formación de cristales

Q = U A ∆T

Posible degradación térmica de los productos

Donde:

evaporación a vacío

c) Temperatura máxima que permite el líquido

Posible formación de espumas U: Es el coeficiente global de transferencia de calor

pérdidas de material al ser arrastradas las espumas por el vapor a la salida del evaporador

d) La presión a la cual tiene lugar la evaporación

Aumento de la temperatura de ebullición al aumentar la concentración de la solución Posibles incrustaciones sobre las superficies de calentamiento

e) Cualquier cambio que puede ocurrir en el producto alimenticio durante el proceso de la evaporación 4

Reducción del coeficiente de transmisión de calor Degradación del producto.

∆T : es la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido hirviente

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U : COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

6

∆T : Diferencia de temperaturas

Este coeficiente incluye: •El coeficiente de condensación del vapor de calefacción •La resistencia de conducción del material que forma la superficie de intercambio de calor (incluyendo los depósitos sólidos) •El coeficiente de convección del líquido hirviente El U es función de la concentración de sólidos disueltos y de la temperatura. El coeficiente es muy sensible a la diferencia de temperaturas entre la superficie de intercambio y la temperatura del líquido. También es afectado por: - La relación líquido/vapor - La velocidad del fluido sobre la superficie La velocidad depende del diseño del equipo y de las 7 condiciones de operación.

A : Es el área de transferencia de calor

Es función de los siguientes factores: 1. Las condiciones del vapor de calefacción

2. La presión de la cámara de evaporación

3. La concentración de la disolución 8

9

CURVAS DE EBULLICIÓN

CURVAS DE EBULLICIÓN Distintos tipos de Ebullición

Ebullición: es la formación de burbujas sobre una superficie caliente.

CURVAS DE EBULLICIÓN Curva de “q”

• Ebullición de laguna: - subenfriada

Las burbujas se forman en los sitios de nucleación.

EFECTO DE LA PRESIÓN SOBRE LA EBULLICIÓN NUCLEADA

- saturada

El número y localización de los sitios depende de:

• Ebullición Nucleada: - incipiente

- la rugosidad de la superficie

- nucleada

- propiedades del fluido

Curva de “h”

• Ebullición de Transición

- condiciones de operación.

• Ebullición en Film estable

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11

CURVAS DE EBULLICIÓN

CURVAS DE EBULLICIÓN

12

CURVAS DE EBULLICIÓN Ebullición en Sistemas Fluyentes

EFECTO DE LA SUPERFICIE SOBRE LA EBULLICIÓN NUCLEADA

EFECTO DE LA PRESIÓN SOBRE EL FLUJO MÁXIMO DE CALOR PARA LÍQUIDOS PUROS

Puede ser: externa: sobre una placa o superficie (puede ser el exterior de un tubo) interna: en el interior de un tubo

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14

Naturaleza del flujo de dos fases en un tubo de un evaporador

CURVAS DE EBULLICIÓN

A mayor velocidad habrá mayor qmax pero necesitará un mayor ∆T.

EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO

Vapor EBULLICIÓN EN EL INTERIOR DE TUBOS

Calentamiento por convección natural: se indican las líneas de circulación

Formación de burbujas debido a la reducción de la carga hidrostática

(FLUJO DE DOS FASES)

Flujo de tapón totalmente desarrollado mostrando el deslizamiento del líquido Sobre las bolsas de vapor

Formación de bolsas debido a la coalescencia de las burbujas

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Alimentación

Hacia el condensador

Tubos de intercambio de calor

Vapor de agua Condensado Rotura de las bolsas para elevada velocidad del vapor

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Flujo anular. Película ascendente

Flujo anular para altas velocidades del flujo de vapor mostrando arrastre

Producto concentrado

Flujo anular. Película ascendente

17

18

En muchos evaporadores estas tres secciones están contenidas en un solo cilindro vertical:

EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO

1. En el centro existe una sección calentada por vapor de agua, atravesada por tubos por los que circula el líquido a evaporar

El evaporador típico se compone de tres secciones principales: 1. El intercambiador de calor 2. La sección de evaporación, donde el líquido ebulle y se evapora. 3. El separador, en el cual el vapor se separa del líquido y se dirige hacia el condensador o a otro equipo.

2. En la parte superior del cilindro hay unos deflectores que permiten pasar al vapor pero no a las gotas de líquido que puedan acompañarle. 3. El vapor de agua se condensa en la camisa, haciendo que el líquido a evaporar entre en ebullición en el interior de los tubos y en el espacio encima de la placa que fija los tubos.

19

20

EVAPORACIÓN AL VACIO

Cuando existen sólidos disueltos la concentración del líquido que se evapora crece, luego: La viscosidad aumenta, se dificulta la circulación. Los valores de U suelen ser mucho menores que 1800 – 5000 J m-2 s-1 ºC-1 y las velocidades de ebullición son más pequeñas. Aumenta la temperatura de ebullición, se reduce la diferencia de temperatura disponible y disminuye la velocidad total de transmisión de calor.

Los valores de U varían con las diferencias de temperaturas, con lo cual el diseño teórico de un evaporador está sometido a amplios márgenes de incertidumbre. 22

1. Los coeficientes de vapor de agua y de película líquida 2. Por el material de las paredes del tubo. La velocidad de circulación del líquido afecta notablemente a las velocidades de evaporación, aunque es muy difícil predecir cuales son las velocidades de circulación y la forma de flujo.

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TRANSMISIÓN DE CALOR EN LOS EVAPORADORES

Si el líquido a evaporar puede alterarse por exposición a temperaturas elevadas, es necesario reducir la temperatura de ebullición trabajando a presiones bajas Las presiones reducidas se obtienen por eyectores de vapor de agua o por bombas de vacío. La bombas mecánicas de vacío son en general más baratas que los eyectores de vapor en gastos de mantenimiento, pero más caras en costo. El líquido condensado se puede bombear fuera del sistema o bien se descarga por medio de una columna barométrica. Las bombas de vacío trabajan con los incondensables, que pueden descargarse a la atmósfera.

La resistencia al flujo de calor está determinada por:

El calor se suministra desde una fuente exterior a temperatura adecuada. Puede ser mediante: vapor de agua calefacción directa calefacción con resistencias eléctricas (elevado costo) agua caliente o fluidos refrigerantes (para productos sensibles) vapor de agua a presión baja (se requiere grandes volúmenes)

23

24

V

Balances de materia y energía en un evaporador

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍ ENERGÍA

En los evaporadores los cálculos se realizan combinando: Balances de materia

wS wS F P

Balance de energía

Principios de la transferencia de calor. 25

26

27

Balances de materia y energía en un evaporador

Obtención de los datos

Calor transferido

Se deben respetar dos premisas fundamentales:  Calidad del producto  Economía del proceso Entalpía Líquido

Entalpía Vapor Entalpía Vaporización

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CRITERIOS DE SELECCIÓN

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• La presencia de solutos provoca un incremento en el punto de ebullición

ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

FACTORES A TENER EN CUENTA: • Tipo de producto a tratar y a obtener • Estabilidad del producto frente a la temperatura • Tiempo de retención • Posibilidad de cristalización • Posibilidad de ensuciamiento • Posibilidad de formación de espuma • Capacidad del equipo para operar a baja temperatura, vacío, etc. • Costos de inversión y funcionamiento. 31

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Disoluciones acuosas

Mientras que procede la evaporación, el licor que permanece en el evaporador se concentra y su punto de ebullición se eleva.

∆TE (º C ) = 0,51 m

m = molalidad de la disolución Disoluciones acuosas

El grado de la elevación del punto de ebullición depende de la naturaleza del material que es evaporado y de los cambios de la concentración La elevación del punto de ebullición se puede calcular por la ley de Raoult: ∆T = kx donde: ∆T : es la elevación del punto de ebullición

∆ T E (º C ) =

X = Kg soluto / Kg disolvente Ms = masa molecular del soluto Zumos −4 2 ∆TE = 0,04904 C 0,029 P 0,113e ( −0,03889C + 6,52.10 C )

x : es la fracción molar del soluto

C = Concentrac ión de la disolución (º Brix )

k: es una constante de proporcionalidad.

P = presión (mbar )

32

(Diagrama de Dühring para el NaCl)

34

33

Gráficos de Dühring Zumo de tamarindo Temperatura de ebullición de los zumos (°C)

Para las disoluciones iónicas las desviaciones experimentales son grandes. En la práctica para el cálculo del incremento del punto de ebullición hacemos uso de la regla de Dühring. Regla de Dühring: si se representa el punto de ebullición de una disolución frente a la temperatura de ebullición del disolvente los puntos correspondientes a distintas presiones caerán sobre una recta.

1000 K e X MS

Final Inicial

35

80

62,1% 70 54,8%

43,1% 30,7%

60 20,2%

50

40

45 55 65 75 Temperatura de ebullición del agua (°C)

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Gráficos de Dühring

Diagrama de Dühring para el Na(OH) 25

50

75

100

125

Temperatura de ebullición de la solución, °C

8

225

0%

75

%

70

200

65

225

%

%

150

40

125

% % 35 30 % 0% 25 2 % 0 %1 15 0%

200

Teb disolución = f(Teb agua, %peso) 175 150 125

100

100

75

75

50

50

25

25

0

25

50

75

100

125

• También puede ocurrir por Cabeza Hidrostática o Presión Hidrostática

125

%

% 60 % 55 % 50 % 45

175

ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

Soluciones acuosa de sacarosa

150250

150 0

37

Temperatura de ebullición del H2O, °C

Temperatura de ebullición de la solución (°C)

250

g sacarosa 100 g agua

100

1.000 800 600 400 200

∆Ph = ρ . g . h Esto en la práctica significa que un punto situado a una profundidad “h” tiene una presión adicional ∆Ph además de la Presión del sistema.

75

50 50 75 100 Temperatura de ebullición de agua (°C)

Presión del sistema

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Condensadores

h

La cabeza hidrostática puede llegar a ser muy importante en evaporadores que trabajan con vacío.

Vapor

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EVAPORADORES CLASIFICACIÓN Pueden ser:

Todos los evaporadores, especialmente los que trabajan bajo presión reducida, tienen un condensador. En los de presión reducida, la bomba de vacío va precedida por un condensador que elimina la mayor

• Abiertos • De circulación natural (sin bomba) • De circulación forzada (con bomba)

TIPOS DE EVAPORADORES

parte del vapor

• De simple efecto • De múltiples efectos

La velocidad de condensación determina la Presión en el evaporador.

40

41

Evaporadores abiertos

EVAPORADORES

(Tipo Paila)

CLASIFICACIÓN De circulación natural • Evaporadores de calandria - De tubos cortos verticales - De tubos cortos horizontales • De tubos largos - De film Ascendente - De film Descendente - De film Ascendente-Descendente • De film Agitado

Estos son los evaporadores más simples. Son discontinuos. Consisten principalmente de un contenedor abierto a la atmósfera en el cual el fluido se calienta directamente, o por medio de un serpentín de calentamiento o por una camisa externa. Con frecuencia, estos evaporadores tienen baja velocidad de evaporación, y por ello muestran una pobre economía térmica

De circulación forzada 43

Algunas veces operan bajo vacío, entonces el contenedor debe tener un cierre hermético. 44

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Evaporadores abiertos (Tipo Paila) Ventajas: La principal ventaja de estos evaporadores es que son útiles cuando se requieren unidades de baja capacidad. Son simples y de bajo costo. Desventajas: El calentamiento no es efectivo en unidades de gran capacidad, ya que la relación de superficie de transferencia de calor a volumen de líquido es baja. Son caros en costos de operación porque su aprovechamiento del calor es bajo. 45

Como el área de transferencia de calor por unidad de volumen es pequeño, por lo que el tiempo de residencia del producto es generalmente muy alto, incluso de varias horas. El producto se calienta en un recipiente rodeado de una camisa de vapor. El recipiente de calentamiento puede abrirse a la atmósfera o conectarse a un condensador o a un sistema de vacío. Condensador

Evaporador de circulación natural de tubos cortos verticales También la transferencia de calor es reducida en unidades que tienen serpentines de calentamiento internos, ya que dificultan la circulación del líquido.

El vapor se condensa en el exterior de los tubos verticalmente arreglados dentro de la cámara de evaporación

Vapor

El calentamiento del producto se produce principalmente por convección natural, obteniéndose, bajos coeficientes de convección de calor.

La calandria tiene un gran tubo central de retorno a través del cual un líquido más frío que el líquido que circula en Vapor los tubos de calentamiento ascendente, de agua formando así corrientes de circulación natural

Alimentación

Este tipo de evaporador es usado principalmente en la industria de los alimentos para:

 concentrar pulpa de tomate  sopas preparadas y salsas

Vapor

condensado Circulación de fluido

 dulces y mermeladas Descarga del Producto

Condensado 46

Evaporador de circulación natural de tubos cortos verticales

 productos de confitería.

Evaporador de circulación natural de tubos cortos verticales

El alimento liquido puede precalentarse antes de ser introducido al evaporador mediante un cambiador de calor tubular normal, situado fuera del evaporador principal. Vapor

Pre-calentador

La calandria se localiza en el fondo del recipiente. Vapor condensado

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Evaporador de circulación natural de tubos cortos horizontales Están formados por una cámara, cuya parte inferior está atravesada por un banco de tubos horizontales a través de los cuales circula vapor como fluido de calefacción. Por encima de los tubos está un

Vapor de agua

Alimentación

Disolución concentrada

condensado

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TIPOS DE EVAPORADORES

Usualmente se emplean para la concentración de jugos de azúcar de caña y remolacha, así como también en la concentración de jugos de frutas, extractos de malta, glucosa, sal y otros productos 50 químicos.

Vapor

Vapor

Disolución concentrada

Estos evaporadores muestran adecuadas velocidades de evaporación para líquidos no corrosivos con viscosidad moderada.

Alimentación pre-calentada

Concentrado

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La longitud de los tubos usualmente varían entre 0.5 y 2 m, con un diámetro de 2.5 a 7.5 cm, mientras que el tubo central presenta una sección transversal entre 25 y 40 % de la sección total ocupada por los tubos.

Ventajas del Evaporador de tubos cortos horizontales

espacio que permite la separación por gravedad de las gotas arrastradas por el vapor liberado. Bafles de impacto se acomodan para facilitar la separación de las gotas.

Son baratos

Ya que el banco de tubos dificulta la separación del líquido, estos evaporadores presentan pobres coeficientes de transferencia de calor global.

Para líquidos no viscosos

Usualmente se emplean para concentrar líquidos de baja viscosidad. 52

EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS Estos intercambiadores consisten en una cámara vertical hecha de un intercambiador tubular y una cámara de separación.

Requieren poca altura Son de fácil instalación

El líquido diluido se precalienta antes de entrar a los tubos hasta casi la temperatura de ebullición.

Adecuados a líquidos que no cristalicen

Una vez dentro de los tubos, el líquido comienza a hervir y la expansión debido a la vaporización produce la formación de burbujas de vapor que circulan a alta velocidad y arrastran el líquido, que continua concentrándose mientras se mueve hacia adelante.

Buena transmisión de calor Medidas: cuerpo diámetro 0,9 x 3,6 m altura 2,4 x 3,9 m tubos entre 22 y 36 mm

51

53

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EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS

Evaporador de película ascendente

EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS

La mezcla líquido-vapor entra a la cámara de separación donde los bafles facilitan la separación del vapor. El líquido concentrado obtenido puede ser extraído directamente o puede mezclarse con líquido no concentrado y ser recirculado, o puede ir a otro evaporador para aumentar la concentración.

• 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).

Los evaporadores de tubos largos pueden ser: • De película ascendente

• 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. Las burbujas de vapor que ascienden a través del centro del tubo comienzan a formarse, creando una delgada película sobre la pared del tubo que asciende a gran velocidad.

• De película descendente • De película ascendente-descendente

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Evaporadores de película ascendente

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Evaporador de película descendente

El líquido entra por el fondo de los tubos. El producto a tratar debe ser de baja viscosidad debido a que el movimiento ascendente es natural. Al igual que en otros evaporadores, el líquido concentrado puede realimentarse o extraerse como producto final.

El diseño de estos evaporadores es complicado ya que la distribución de liquido en una película uniforme fluyendo hacia abajo en un tubo es difícil de lograr . Para lograrlo se utilizan unos distribuidores especialmente diseñados denominados boquillas de pulverización. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad de los tubos trae aparejado posibles sitios en donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos o, eventualmente, al taponamiento de los mismos.

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TIPOS DE EVAPORADORES

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Evaporadores de película descendente

Evaporadores de película descendente

Los evaporadores de película descendente desarrollan una fina película de liquido dentro de los tubos verticales que desciende por gravedad. Puede procesar líquidos mas viscosos que el de película ascendente, siendo el sistema mas apropiado para el procesado de productos altamente sensibles al calor, como por ejemplo el jugo de naranja. El tiempo de residencia es de 20-30 segundos en comparación con los 3-4 minutos necesarios en un evaporadores de película ascendente. 61

60

62

La alimentación se realiza por la parte superior de los tubos, de manera que el vapor formado desciende a través del centro de los tubos como un jet a gran velocidad Son usados ampliamente para concentrar productos lácteos. 63

EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA

Evaporadores de película ascendente-descendente

Tipos de Evaporadores

Cuando se desean altas velocidades de evaporación, se usan los evaporadores de película ascendente-descendente.

Placa de impacto

La evaporación de película ascendente se usa para obtener un líquido de concentración intermedia con alta viscosidad. Este líquido se evapora posteriormente en los tubos, cuando circula como película descendente. 65

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EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA

En estos evaporadores la circulación se realiza mediante una bomba que impele la solución a través de un intercambiador de calor con calefacción indirecta en el que el liquido circula a elevadas velocidades y luego descarga dentro de la cámara de separación donde el vapor y el concentrado se separan. 66

EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA

EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA

La bomba hace circular al fluido a velocidades entre 2 y 6 m/s; cuando pasa a través del banco de tubos el fluido gana suficiente calor como para recalentarse, pero el líquido está sujeto a una carga estática que evita la ebullición dentro de los tubos. (comparan con las velocidades de 0,3-1 m/s de los evap de circulación natural.

Evaporador de tubos cortos con circulación forzada

Cuando el fluido alcanza la cámara, hay una evaporación súbita y la placa de impacto facilita la separación de la fase líquida del vapor. Estos evaporadores son capaces de concentrar líquidos viscosos donde la bomba impele al líquido a una velocidad adecuada. Para líquidos de baja viscosidad se usan bombas centrífugas. Si el líquido tiene más alta viscosidad, se deberían 67 usar bombas de desplazamiento positivo.

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Evaporador de dos efectos con circulación forzada

Evaporador de simple etapa con circulación forzada

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Evaporador de múltiples efectos de circulación forzada

71

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EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA Los evaporadores de circulación forzada pueden no ser tan económicos operativamente, pero son necesarios cuando los productos involucrados en la evaporación tienen propiedades incrustantes, altas viscosidades, generan precipitaciones, cristalizaciones, etc. o producen ciertas características térmicas que imposibilitan una circulación natural.

EVAPORACIÓN DE MATERIALES SENSIBLES AL CALOR

La diferencia de temperaturas a lo largo de la superficie de calentamiento en el cambiador de calor es generalmente 3-5 ºC Dentro del separador, se mantiene una presión absoluta ligeramente inferior a la existente en el haz de tubos, de tal manera que el liquido que entra al separador se evapora instantáneamente.

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TIPOS DE EVAPORADORES

EVAPORADORES DE PLACA

Los materiales sensibles al calor se pueden deteriorar y disminuir de la calidad del producto. Esta dificultad se supera con evaporadores de velocidades de flujo elevadas, donde el volumen retenido es pequeño y ocurre poco o nada de mezcla Los ejemplos son : evaporadores de tubos largos con películas ascendentes o descendentes evaporadores de placa evaporadores centrífugos evaporadores de baja temperatura

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EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA

Los evaporadores de placa son intercambiadores de placas planas. El líquido caliente hierve sobre la superficie de las placas, ascendiendo y descendiendo como una película. La configuración en placas le proporciona ciertas características que las hacen mas aceptables que la configuración tubular. Estos evaporadores se usan para concentrar productos sensibles al calor, ya que se alcanzan altas velocidades de tratamiento permitiendo buena transferencia de calor y cortos tiempos de residencia del producto en el evaporador. Principales usos: concentrar café, jugos cítricos, caldos (sopas), productos químicos en general. 76

EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA

77

EVAPORADOR DE PELÍCULA AGITADA

Cuando se utilizan alimentos líquidos muy viscosos, la alimentación se dispersa en el interior de la superficie de calentamiento cilíndrica mediante paletas rotatorias. Se obtienen de esta manera altas velocidades de transferencia de calor

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La configuración cilíndrica del sistema produce menores áreas de transferencia de calor por unidad de volumen de producto, siendo necesario utilizar vapor a alta presión como medio de calefacción con el fin de conseguir elevadas temperaturas en la pared y, por tanto, velocidades de vaporización razonables La mayor desventaja de este sistema son los elevados costos de fabricación y mantenimiento, así como la baja capacidad de 80 procesamiento.

78

TIPOS DE EVAPORADORES o Evaporador de Baja Temperatura

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Evaporador tubular de doble efecto

EVAPORACIÓN DE EFECTO MÚLTIPLE Un evaporador es un generador de vapor a baja presión. El vapor producido se puede usar para la calefacción de otro evaporador.

EVAPORADORES DE MÚLTIPLES EFECTOS

Vapor del primer efecto

Vapor del segundo efecto

Consideremos dos evaporadores conectados entre si, de forma que el vapor que sale de uno sirva como agente de calefacción de otro, formando un evaporador de dos efectos 83

Alimentación Vapor

Condensado

Condensado

82

Concentrado

Concentrado del primer efecto

Alimentación de los evaporadores de múltiple efecto

EVAPORADORES DE MULTIPLE EFECTO

EVAPORACIÓN DE EFECTO MÚLTIPLE

En un evaporador de dos efectos, la temperatura de la cámara de calefacción es más alta en el primero que en el segundo efecto

El número óptimo de efectos es una cuestión económica. A favor: -Menor supervisión

Para que el vapor proporcionado por la evaporación en el 1º efecto haga hervir el líquido en el 2º efecto, la Teb en el 2º efecto debe ser más baja que en el 1º , y para ello este 2º efecto a de trabajar a una presión más baja que en el 1º (incluso bajo vacío)

-Menor costo de agua -Menor costo de operación -Mayor economía de vapor.

La alimentación del líquido es más simple si pasa del efecto 1º al efecto 2º, al efecto 3º, etc, pues así la alimentación fluirá sin bombeo

En contra: -Mayor inversión inicial -Mayor costo de mantenimiento.

El número óptimo en algunas industrias está estandarizado.

85

86

La dirección de la corriente del vapor de calefacción y del líquido a concentrar es la misma, circulando el líquido en el sentido de presiones decrecientes. El vapor y el concentrado en cada efecto son flujos paralelos. Se usa para soluciones térmicamente sensibles pues la solución mas concentrada está en contacto con el vapor de menor temperatura

Tres cuerpos de un evaporador de 6 efectos

84

Esto se llama alimentación hacia adelante : Significa que los líquidos más concentrados se encuentran siempre en 87 el último efecto

ALIMENTACIÓ ALIMENTACIÓN HACIA ADELANTE

ALIMENTACIÓN HACIA ADELANTE I

II

III

IV Al Condensador

Vapor vivo

Alimentación

88

89

90

La dirección de la corriente del vapor de calefacción y del líquido a concentrar son contrarias, entrando el líquido por el último efecto

El líquido de alimentación puede circular en dirección contraria, entrando en el último efecto y siguiendo hasta al primero, pero en este caso el líquido tiene que ser bombeado de un efecto al siguiente efecto en contra de la caída de presión. Esto se llama alimentación hacia atrás.

En una parte del sistema la dirección de las corrientes es directa y en otra es en contracorriente. ALIMENTACIÓN MIXTA

ALIMENTACIÓN HACIA ATRÁS I Vapor vivo

Los líquidos más concentrados se manejan a temperaturas más altas en los primeros efectos. Ofrece generalmente una capacidad de evaporación más grande que sistemas de alimentación directa, pero puede ser desventajoso para la calidad del producto.

II

III

IV Al Condensador Alimentación

II

Producto

92

DISEÑO DE EVAPORADORES DE MULTIPLE EFECTO

93

DISEÑO DE EVAPORADORES DE MULTIPLE EFECTO Todas las ecuaciones [de la (1) a la (8)] son necesarias para el diseño. Para calcular la Economía de Vapor necesitamos conocer ws y este se calcula a partir del BM y del BE: 1) Del BM se despeja: V1 + V2 + V3 = F – P

IV Al Condensador

III

IV Al Condensador

III

Alimentación

ALIMENTACIÓN EN PARALELO I

II

Producto

91

Cuando la alimentación entra simultáneamente en todos los efectos y el líquido concentrado procedente de cada efecto se une en una sola corriente.

I Vapor vivo

2) Con esta, se plantean cuatro ecuaciones con (3), (4) y (5), conociendo T1, T2 y T3 para lo cual debemos suponer una caída de presión igual para cada efecto.

Vapor vivo

3) Resolver el sistema y de allí salen ws, V1, V2 y V3. 4) Para calcular el Área se obtienen A1, A2 y A3 de las ecuaciones (6) (7) y (8). Luego se aproximan al mayor valor para hacerlas a todas iguales.

Alimentación

Es un cálculo iterativo jugando con los valores de ∆P y ∆T. Product o

94

95

96

CAPACIDAD Vs. ECONOMÍA En el primer efecto

q1 = U1 A1 ∆T1

En el segundo efecto

q 2 = U2 A2 ∆ T 2

En el tercer efecto

q 3 = U3 A3 ∆ T 3

La economía en el vapor tiene que ser pagada por un costo mayor de capital inmovilizado del evaporador.

El calor total es: q = q1+q2+q3= U1 A1 ∆T1+ U2 A2 ∆T2+ U3 A3∆T3

Alimentación hacia adelante Alimentación en paralelo Alimentación hacia atrás

Si el U fuese el mismo en todos los efectos: A = A1 + A2 + A3 q = U . A . (∆T1 + ∆T2 + ∆T3) = U . A . ∆T Esto es lo mismo que para un solo evaporador de un solo efecto con el mismo ∆T y la misma área. En LA PRÁCTICA la CAPACIDAD (Kg/h de alimentación) de un múltiple efecto es menor que la de un sólo efecto. 97 Solamente es mayor la ECONOMÍA DE VAPOR.

Los “n” efectos costarán aproximadamente n veces más que un evaporador de un solo efecto. 98

99

Métodos de operación

ALTERNATIVAS PARA MEJORAR LA ECONOMÍA DE VAPOR

• EVAPORACIÓN DE MULTIPLE EFECTO • TERMOCOMPRESIÓN

C o n d e n s a d o

W (baja presión)

V F

Q

Compresor

L V

Condensado a caldera

Recomprensión mecánica del vapor

Tanques Flash

• COMPRESIÓN MECÁNICA

V2

V1

V

• TANQUES FLASH

W+V2

Q

W Eyector 100

TERMOCOMPRESIÓN

F L

W+V2 Recomprensión térmica del vapor

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105

RECOMPRESIÓN MECÁNICA Evaporador de film descendente de múltiples efectos con recompresión mecánica

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