NIRO A/S Tecnología de la Leche en Polvo Evaporación y Secado por Atomización Vagn Westergaard Niro A/S Copenhague, D
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Tecnología de la Leche en Polvo Evaporación y Secado por Atomización
Vagn Westergaard
Niro A/S Copenhague, Dinamarca
NIRO A/S
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Prólogo a la Quinta Edición El material que constituyó la base para la primera edición de la presente publicación editada en 1980, originalmente se utilizó como textos para un grupo de estudiantes en un seminario organizado por UNIDO en Montevideo, Uruguay, en 1978. El desarrollo de la tecnología de evaporación y secado por atomización y los equipos asociados es un tema que a Niro siempre nos preocupa. La nueva quinta edición ha sido revisada para actualizar a nuestros lectores con el desarrollo y diseño por Niro de separadores tipo "wrap-around" que permiten mejorar los requisitos de espacio y la eficiencia total de los evaporadores. Además se ha incluido un nuevo capítulo que describe como se diseña los evaporadores para evitar el crecimiento de bacterias termófilas y sus esporas. Dentro de la tecnología de secado por atomización Niro también ha prestado desarrollos significantes. La nueva edición describe un filtro de mangas lavado por CIP en reemplazo de los ciclones, un desarrollo que mejora la eficiencia total del secador. Además incluye la descripción de una planta totalmente nueva, favorable al medio ambiente, con filtros finos de aire y lechos fluidos integrados. Deseo expresar mi gratitud a mis colegas por sus valuables comentarios, y su asistencia a la edición e impresión de la presente nueva publicación, y es mi deseo que constituya una herramienta útil en el entrenamiento y educación de tecnólogos lácteos en institutos y universidades, sirviendo como un manual para los operarios de instalaciones de evaporación y de secado por atomización. El libro será publicado en los siguientes idiomas: inglés, alemán, español, italiano, ruso, y en el futuro también en polaco y chino. En la página web de Niro www.niro.com se presenta una versión electrónica de la publicación en inglés.
Niro A/S, Copenhague, Marzo 2004
Vagn Westergaard
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Contenido
Introducción ........................................................................................... 11 Evaporación............................................................................................ 13 Evaporadores de Película Descendente........................................................... 15 Recompresión térmica de los vahos (RTV) ........................................................... 21 Recompresión mecánica de los vahos (RMV) ....................................................... 27 Diseño de evaporadores industriales...................................................................... 33
Equipos Auxiliares para el Evaporador .......................................................... 35 Separadores ........................................................................................................... 37 • •
Separadores con entrada tangencial de los vahos .........................................................37 Separador cilíndrico tipo "Wrap-Around"....................................................................37
Sistema de distribución de producto ...................................................................... 37 • •
Sistema dinámico de distribución.................................................................................39 Sistema estático de distribución ...................................................................................39
Precalentadores...................................................................................................... 39 • •
Precalentadores de tubos en espiral..............................................................................41 Precalentadores de tubos rectos....................................................................................41
Equipo de pasteurización/retención ....................................................................... 41 • • • • •
Requisitos de tipo bacteriológico .................................................................................43 Leche descremada en polvo por clasificación térmica .................................................43 La conservación de la leche entera...............................................................................43 Leche en polvo termoestable a alta temperatura, tipo 'high-heat' .................................43 Leche entera instantánea en polvo................................................................................45
Equipo de precalentamiento para evitar crecimiento de bacterias termófilas......... 47 • • • • •
Limpieza intermedia.....................................................................................................49 Tratamiento UHT .........................................................................................................49 Sistema doble de precalentamiento ..............................................................................49 Precalentamiento de contacto mediante inyección directa de vapor.............................49 Precalentamiento regenerativo de contacto directo ......................................................51
Equipo de condensación ........................................................................................ 51 • •
Condensador de mezcla................................................................................................53 Condensador de superficie ...........................................................................................53
Equipos de vacío ................................................................................................... 53 • •
Bombas de vacío ..........................................................................................................55 Bombas eyectoras de vapor a vacío..............................................................................55
Torres de enfriamiento........................................................................................... 55 Concentradores para alta concentración................................................................. 57 Enfriadores 'flash' .................................................................................................. 57 Equipos de agua de cierre ...................................................................................... 57 Instrumentación y automatización ......................................................................... 57 • • •
Caudal de alimentación ................................................................................................59 Temperatura de pasteurización.....................................................................................59 Presión del vapor para termo-compresor (RTV) ..........................................................59
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• •
Contenido en sólidos ....................................................................................................61 Vacío/Temperatura de ebullición de la última etapa ....................................................63
Propiedades del Concentrado .......................................................................... 63 • • •
Leche descremada ........................................................................................................65 Leche entera .................................................................................................................67 Suero ............................................................................................................................67
Secado por Atomización ........................................................................ 69 Cámara de Secado ........................................................................................... 71 Sistema de Aire Caliente y Distribución del Aire............................................ 73 Filtración del aire................................................................................................... 73 Sistema de calentamiento del aire.......................................................................... 75 • •
Calentamiento indirecto ...............................................................................................75 Calentamiento directo ..................................................................................................77
Distribución del aire .............................................................................................. 79 • •
Corriente rotativa del aire ............................................................................................81 Corriente del aire puntual ("plug-flow") ......................................................................81
Sistema de Alimentación ................................................................................. 81 Tanques de alimentación ....................................................................................... 83 Tanque de agua...................................................................................................... 83 Bomba de concentrado .......................................................................................... 83 Sistema de precalentamiento ................................................................................. 83 • • • • •
Intercambiador de calor a placas ..................................................................................83 Intercambiador de calor de tubo-en-tubo......................................................................85 Intercambiador de calor de superficie raspada .............................................................85 Inyección directa de vapor (DSI)..................................................................................85 Inyección suave de vapor (LSI)....................................................................................85
Filtro...................................................................................................................... 87 Homogeneizador/Bomba de alta presión ............................................................... 87 Línea de alimentación............................................................................................ 87
Atomización ..................................................................................................... 89 Atomización por toberas a presión ........................................................................ 91 Atomización por toberas de dos fluidos o neumática ............................................ 91 Atomización rotativa ............................................................................................. 93 • • •
Velocidad de la alimentación líquida: ..........................................................................93 Velocidad periférica:....................................................................................................95 Viscosidad del líquido:.................................................................................................95
Atomización en Secadores para Productos Lácteos........................................ 97 • •
Toberas a presión .........................................................................................................97 Atomizador rotativo .....................................................................................................99
Sistema de Separación de Polvo ...................................................................... 99 Ciclones............................................................................................................... 101 -6-
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Filtros de mangas................................................................................................. 105 Lavadores vía húmeda "Wet Scrubbers".............................................................. 107 • •
Recirculación con agua ..............................................................................................107 Paso único con leche o suero......................................................................................109
Filtro de mangas lavado por CIP ......................................................................... 109 •
Comparación de Separadores de Polvo ......................................................................115
Sistema de Transporte y Enfriamiento Neumático ....................................... 117 Post-Secado/Enfriamiento en Lecho Fluido ................................................. 119 Instrumentación y Automatización ............................................................... 119
Tecnología de la Leche en Polvo......................................................... 125 Secado en una Etapa ..................................................................................... 125 • • • • •
Contenido de humedad en el polvo final ....................................................................129 Temperatura y humedad del aire de secado................................................................131 Contenido en sólidos en el concentrado .....................................................................131 Atomización ...............................................................................................................131 Viscosidad del concentrado........................................................................................131
Secado en dos Etapas..................................................................................... 133 Secado en dos etapas con Vibro-Fluidizador ("Plug-Flow")................................ 137 Secado en dos etapas con lecho fluido estático (SFB) ("Back-Mix") .................. 145 • • •
Lecho fluido en forma anular (Secadores Compactos) ...............................................147 Lecho fluido en forma circular (Secadores MSD)......................................................151 Planta de secado con filtros y lechos fluidos integrados (IFD) ..................................153
Aglomeración................................................................................................. 157 Aglomeración mediante secado por atomización................................................. 157 • • • • • • • •
La aglomeración primaria espontánea ........................................................................157 La aglomeración primaria forzada..............................................................................159 La aglomeración secundaria espontánea ....................................................................159 La aglomeración secundaria forzada ..........................................................................159 Separación..................................................................................................................161 Atrición ......................................................................................................................161 Clasificación ..............................................................................................................163 Estructura del aglomerado y propiedades del polvo ...................................................163
Aglomeración por rehumectación........................................................................ 165 • • • • •
Humectación ..............................................................................................................167 Aglomeración.............................................................................................................167 Resecado ....................................................................................................................171 Enfriamiento ..............................................................................................................171 Tamizado....................................................................................................................173
La Economía Térmica en la Producción de Leche en Polvo ........... 175 Precalentamiento ........................................................................................... 175 -7-
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Precalentamiento del aire de secado con condensados......................................... 175 Precalentamiento del aire de secado con los vahos del evaporador ..................... 177
Recuperación de Calor .................................................................................. 179 Lavador vía húmeda ("Wet Scrubber") ................................................................ 179 Recuperadores de calor........................................................................................ 181 • •
Recuperador de calor tipo aire-a-aire .........................................................................183 Recuperador de calor, tipo aire-líquido-aire...............................................................183
Otras Formas de Ahorro Energético ............................................................. 185
Métodos de Análisis Calidad de Leche Cruda, Concentrado y Propiedades del Polvo.......................................................................... 189 Calidad de Leche Cruda ................................................................................ 189 Leche descremada................................................................................................ 189 Leche entera......................................................................................................... 191 Suero dulce .......................................................................................................... 191
Análisis para Leche Cruda ............................................................................ 193 Acidez (pH) ......................................................................................................... 193 Acidez titulable ................................................................................................... 193
Análisis para Concentrados de Leche ........................................................... 195 Contenido de aire en concentrados de leche ........................................................ 195 Solubilidad .......................................................................................................... 195 Partículas quemadas ............................................................................................ 197
Análisis para Leche en Polvo ........................................................................ 197 Humedad ............................................................................................................. 197 Densidad ("Bulk Density") .................................................................................. 199 Densidad de partículas/Aire ocluido.................................................................... 201 • • • • • •
Temperatura de pasteurización de la leche antes de la evaporación...........................203 Cantidad de aire en el concentrado.............................................................................205 Capacidad del concentrado de formar espuma ...........................................................205 Tipo de rueda atomizadora o tamaño de tobera usados ..............................................205 Contenido en sólidos en el concentrado .....................................................................205 Condiciones de secado (secado en una o dos etapas) .................................................205
Aire intersticial .................................................................................................... 205 Fluidez................................................................................................................. 207 Solubilidad .......................................................................................................... 209 Partículas quemadas ............................................................................................ 211 Grasa total ........................................................................................................... 213 Grasa libre en la superficie .................................................................................. 215 Humectabilidad ................................................................................................... 217 Dispersibilidad .................................................................................................... 221 Sedimento............................................................................................................ 223 Partículas lentamente dispersibles (PLD) ............................................................ 223 -8-
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Prueba de agua caliente ("Hot Water Test") ........................................................ 223 Prueba de café ("Coffee Test") ............................................................................ 223 Grado de hidratación ........................................................................................... 225
Análisis para Suero en Polvo ........................................................................ 225 Humedad total y humedad libre ........................................................................... 225 Higroscopicidad y propiedades apelmazantes...................................................... 227
Distintos Ingredientes para Alimentos .......................................................... 231 Proteínas .............................................................................................................. 231 Carbohidratos ...................................................................................................... 233 Grasa.................................................................................................................... 233 Almidón ............................................................................................................... 235 Otros ingredientes ................................................................................................. 235
Productos Normales de Leche en Polvo........................................................... 235 Leche en Polvo Instantáneo .......................................................................... 237 Leche descremada en polvo instantáneo................................................................. 241 Leche entera en polvo instantáneo ....................................................................... 243
Suero .............................................................................................................. 247 Vertido del suero ................................................................................................. 247 Aprovechamiento del suero líquido como forraje................................................ 249 Elaboración de suero en polvo procedente de la .................................................. 251 producción tradicional de queso .......................................................................... 251 Evaporación......................................................................................................... 253 • • •
Contenido de ácido láctico .........................................................................................255 Contenido de lactosa amorfa ......................................................................................257 Contenido de humedad...............................................................................................257
Cristalización del concentrado de suero .............................................................. 259 • • •
Tratamiento térmico antes de la evaporación .............................................................263 Contenido en sólidos en el concentrado .....................................................................263 Tamaño de los cristales de lactosa .............................................................................263
Semi-cristalización de concentrado de suero ....................................................... 265 Secado por atomización de concentrados de suero.................................................. 267 • • • •
Secado mediante el proceso de transporte neumático.................................................267 Secado mediante el proceso de lecho fluido...............................................................269 Secado mediante el proceso de cinta transportadora ..................................................269 Secado de concentrados de suero de alta concentración.............................................271
Producción de suero ácido en polvo .................................................................... 273 Suero con grasa..................................................................................................... 273 Aguas madres ...................................................................................................... 277 Proteínas de suero (WPC).................................................................................... 279 Permeado.............................................................................................................. 281 • • •
El Proceso Seco..........................................................................................................283 Proceso Húmedo ........................................................................................................283 El Proceso TIXOTHERM™.......................................................................................285
Lactosa ................................................................................................................ 289 Suero desmineralizado......................................................................................... 291 -9-
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• • •
Filtración por membranas...........................................................................................291 Cambio iónico ............................................................................................................291 Electrodiálisis.............................................................................................................293
Productos Especiales ..................................................................................... 295 Alimentos Infantiles ............................................................................................ 295 • • • • •
Leche entera normal en polvo ....................................................................................297 Leche entera en polvo con adición de carbohidratos ..................................................297 Leche fermentada .......................................................................................................297 Leche maternizada .....................................................................................................297 Productos con almidón ...............................................................................................301
Elaboración de alimentos infantiles en polvo ...................................................... 303 Caseinatos............................................................................................................ 307 • • •
El proceso discontinuo ...............................................................................................307 El proceso continuo....................................................................................................309 Secado por atomización de caseinatos........................................................................311
Productos con bacterias ....................................................................................... 313 Sustituto de leche................................................................................................. 315 • • • •
Mezclado en seco de leche descremada y grasa .........................................................317 Secado de una emulsión de concentrado de leche descremada y grasa ......................317 Proceso discontinuo ...................................................................................................319 Proceso continuo ........................................................................................................319
Leche entera en polvo con alto contenido de grasa libre...................................... 323 Productos en polvo para la elaboración de quesos ............................................... 325 • •
Leche descremada ......................................................................................................325 Retentado ...................................................................................................................331
Queso en polvo .................................................................................................... 331 Mezclas de cacao-leche-azúcar............................................................................ 333 Blanqueadores de café ......................................................................................... 333 Cappuccino en polvo ........................................................................................... 335
Lista de Figuras.................................................................................... 339 Bibliografía........................................................................................... 347
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Introducción La transformación de un producto líquido en un producto seco requiere la eliminación de prácticamente toda el agua, cuya cantidad excede muchas veces el peso del producto final. Durante el proceso de eliminación del agua el producto tratado es sometido a grandes cambios en su estructura y apariencia física; al principio del proceso es un líquido diluido como el agua y al final un polvo seco. Por consiguiente, un único método para eliminar el agua nunca puede ser óptimo a través de todo el proceso, ya que también la composición del producto difiere de un alimento al otro. En la industria alimenticia y láctea se han adoptado los siguientes métodos de deshidratación:
Evaporación: -
La concentración de leche líquida de una viscosidad como la del agua en un concentrado.
Secado por atomización: -
la transformación del concentrado en gotitas evaporando el agua de éstas para obtener un polvo consistente en partículas secas.
Secado en lechos fluidizados vibrantes: -
se han introducido Vibro-Fluidizadores para el post-secado y enfriamiento, con el fin de mejorar la eficiencia del secado y mejorar la calidad del polvo.
Secado en lechos fluidizados integrados: -
para mejorar aún más la economía del secado, y al mismo tiempo ofrecer la posibilidad de secar productos difíciles.
Secado con cinta integrada: -
en un secador con una cinta de transporte al fondo de la cámara de secado, para productos sumamente difíciles de secar con el método convencional.
Cada método debe ajustarse a las propiedades del material procesado en cada etapa del procesamiento. Cuanto más difícil el producto, tanto más compleja la planta.
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Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Vacío
Vahos Vapor
Condensados
Recirculación Preconcentrado
Entrada Producto
Salida concentrado
Fig. 1 Evaporador de recirculación forzada
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Evaporación La evaporación de la leche se conoce desde hace muchos años, tan temprano como en el año de 1200 cuando Marco Polo describió la producción de una pasta semejante a un concentrado de leche en Mongolia. Pasaron 600 años antes de encontrar de nuevo la leche concentrada en la literatura, pero desde entonces el desarrollo progresó rápidamente y numerosas patentes han sido solicitadas a través de los años. El evaporador más simple es una cuba abierta calentada mediante vapor o gas directo. La evaporación tiene lugar en la superficie mientras que se calienta el líquido hasta el punto de ebullición correspondiente a la presión ambiente; a nivel del mar es de 100°C y en una altura de 5000 m sobre el nivel del mar es de 85°C. La evaporación se realiza en la superficie, que está limitada en función del contenido de la cuba, y es evidente por tanto que la evaporación dura mucho tiempo. La leche es sometida a una alta temperatura, lo cual lleva consigo una deterioración de las proteínas, reacciones químicas como la reacción Maillard, o incluso una coagulación. Al continuar el desarrollo, la concentración se realizaba en evaporadores de recirculación forzada. En este tipo de evaporador la leche circula en sentido ascendente a través de un número de tubos o placas. A su exterior se aplica el medio de calentamiento, normalmente vapor, aumentando así la superficie de calentamiento en este sistema, pero quedando limitada la superficie de evaporación, porque los tubos y las placas están llenos de producto que queda supercalentado en relación a la temperatura existente de ebullición. Los vahos no se liberan y la temperatura del producto no baja hasta que el producto no sale de la parte superior de los tubos. Para separar el líquido y los vahos se usaban separadores centrífugos. Para obtener el deseado grado de evaporación se recirculaba el producto en el sistema. Así se podía controlar la concentración mediante la cantidad de concentrado descargado de la planta. La Fig. 1 muestra un diagrama de un evaporador de recirculación forzada.
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Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Entrada agua enfr.
Gases incondensables
Salida agua enfr Salida concentrado
Fig. 2 Evaporador de película descendente de recirculación Tubo evaporador
Leche Placa superior de tubos
Vapor
Tubo Condensados Placa inferior de tubos
Concentrado de leche
Vahos
Fig. 3
Fig. 3a
Evaporación en un tubo de un evaporador de película descendente
Calandria en un evaporador
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Evaporadores de Película Descendente Durante los últimos 40 años el evaporador de película descendente ha reemplazado prácticamente al evaporador de recirculación forzada. En cuanto a la calidad del producto este tipo de evaporador es preferible, ya que ofrece un tiempo de retención breve. Además se reduce la cantidad de producto en el evaporador y se aumenta la superficie donde se efectúa la evaporación. La Fig. 2 muestra un diagrama de un evaporador de película descendente. El líquido a ser evaporado se distribuye uniformemente sobre la superficie interior del tubo (ver pág. 37) y fluye hacia abajo formando una película delgada, de la cual la ebullición/evaporación tiene lugar, a razón del calor generado por el vapor. Ver Fig. 3. El vapor se condensa y fluye hacia abajo sobre la superficie exterior del tubo. Un número de tubos están construidos lado a lado. Los extremos de los tubos se fijan a placas y todo el grupo de tubos está encerrado en una camisa, ver Fig. 3. El vapor es introducido a través de la camisa, y el espacio entre los tubos forma la sección de calentamiento. El lado interior de los tubos se denomina la sección de ebullición. Juntos forman el cuerpo de calentamiento (llamada la calandria). El líquido concentrado y los vahos salen de la parte inferior de la calandria, de donde se descarga también la mayoría del líquido concentrado. El resto entra tangencialmente en el separador subsiguiente junto con los vahos. El concentrado separado es descargado (normalmente mediante la misma bomba que descarga la mayoría del concentrado de la calandria), y los vahos salen de la parte superior del separador. El vapor condensado es recogido como condensados en el fondo de la sección de calentamiento y descargado mediante una bomba. Para poder comprender la transferencia de calor y de masa, que forma la base de la evaporación, es preciso definir algunas cantidades específicas. De una determinada cantidad de líquido (A) una parte es evaporada (B) dejando el concentrado o el producto evaporado (C). Por lo tanto A=B+C
(1)
La Fig. 4 muestra las cantidades específicas y el correspondiente diagrama de flujo del calor. La relación de evaporación (e) es una medida para la intensidad de evaporación y puede definirse como la relación entre la cantidad de producto a tratar y el concentrado o también como la relación entre el porcentaje de sólidos en el concentrado y en el producto a tratar. e=
A C − Concentrado = C C − Liquido
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(2)
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ua
g 1k
A
Ag
or
1
p Va kg
Q
S
os
1
h Va kg
B
s
do
sa
n de
n
g 1k
Co
D
0 kg Agua
Fig. 4
C
Evaporador de una etapa. Definición de distintas cantidades específicas y el correspondiente diagrama de flujo de calor.
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Si se conocen las concentraciones o la relación de evaporación es posible calcular las cantidades A, B o C, si se conoce una. Cantidad conocida
desconocida
Cantidad a tratar A
B C
Cantidad evaporada B
A C
Concentrado C
Donde
A: B: C: e:
Fórmula e -1 e 1 C=Ax e
(3)
B=A x
(4)
e e -1 1 C=Bx e -1
(5)
A=Bx
(6)
A
A=Cxe
(7)
B
B = C x (e - 1)
(8)
alimentación en kg/h evaporación en kg/h concentrado en kg/h relación de evaporación
Ver fórmula (2)
Debido a su contenido en proteínas la leche es termo-sensible, por lo cual una evaporación (ebullición) a 100°C dará lugar a una desnaturalización de dichas proteínas hasta tal punto, que el producto final será considerado inapto para consumo. Por lo tanto, la sección de ebullición se realiza bajo vacío dando una ebullición/evaporación a una temperatura más baja que la que corresponde a la presión atmosférica normal. Se obtiene el vacío mediante una bomba de vacío antes del arranque del evaporador y se mantiene por medio de una condensación de los vahos con agua de enfriamiento. Para evacuar los gases incondensables de la leche se usa una bomba de vacío o similar. A 100°C la entalpía de evaporación para agua es de 539 Kcal/kg y a 60°C es de 564 Kcal/kg. Debido a que la leche debe calentarse desde p.ej. 6°C hasta el punto de ebullición, y se requiere como energía, aprox. 20 Kcal/kg, para mantener un vacío correspondiente a un punto de ebullición de 60°C, se obtienen las siguientes cifras de consumo energético, estimando una pérdida de calor del 2%:
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1 kg Agua
Entrada agua enfr.
2 kg Agua
Gases incondensables
1 kg Vahos
1 kg Vapor
Salida agua enfr. 1 kg Vahos 0 kg Agua
Fig. 5
Los principios de la evaporación de agua en dos etapas
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Temperatura de ebullición
°C
Calentamiento
100
60
Kcal/kg
94
54
Evaporación
Kcal/kg
539
564
Vacío
Kcal/kg
-
20
Consumo energético neto
Kcal/kg
633
638
Pérdida de calor, aprox.
Kcal/kg
15
15
Consumo total de energía
Kcal/kg
648
653
correspondiente a aprox. 1,1 kg de vapor/kg de agua evaporada. Para simplificar los siguientes ejemplos usaremos 1 kg de vapor/kg de agua evaporada. Los vahos procedentes de la leche evaporada, ver Fig. 4, contienen casi toda la energía aplicada, y por eso es obvio aprovechar estos vahos para evaporar más agua. Esto se realiza añadiendo otra etapa al evaporador. Esta nueva calandria -la segunda etapadonde la temperatura de ebullición es más baja, ahora trabaja como condensador para los vahos de la primera etapa, y así se aprovecha la energía en los vahos a medida que se condensan. Para obtener una diferencia de temperatura en la segunda etapa entre el producto y los vahos procedentes de la primera etapa, se opera la sección de ebullición de la segunda etapa a un vacío superior correspondiente a un temperatura de ebullición más bajo. Punto °C ebullición
Vacío m WG
corresp. a mm HG abs
≈m sobre nivel mar
Volumen de vahos de agua
100
0
760
0
1,7 m3/kg
85
4,5
434
5.200
2,8 m3/kg
70
7,2
233
10.000
4,8 m3/kg
60
8,3
149
14.000
7,7 m3/kg
50
9,1
92
18.000
12,0 m3/kg
40
9,6
55
22.000
19,6 m3/kg
Se puede añadir una tercera etapa, calentada mediante vahos de la segunda etapa, y así sucesivamente. El límite es el mínimo vacío obtenible lo cual es determinado por la cantidad y temperatura del agua de enfriamiento (normalmente 20-30°C) que condensa los vahos de la última etapa, y así se mantiene el vacío. El uso de agua helada o una expansión directa de freón para bajar la temperatura de ebullición de la última etapa
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Vahos
Vapor vivo Mezcla vahos/vapor Difusor (2) Tobera (1)
Fig. 6
Termo-Compresor ua
Producto / Concentrado
kg
Ag
Condensados
1
Vahos Vapor
ua
4
kg
Ag
Entrada agua enfr.
3 kg Mezcla 2 kg Vahos
1 kg Condensados
3 kg Vahos
1 kg Vahos 1 kg Vahos
1 kg Vapor
3 kg Condensados
Fig. 7
Evaporador de dos etapas con compresión térmica
Condensados
Producto a evaporar Concentrado Pérdida de calor Vapor Vahos
Fig. 8
Diagrama del flujo de calor. Evaporador de dos etapas con termo-compresor
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es posible en teoría, pero otros factores, como p.ej. la viscosidad del producto, el volumen de los vahos, y la cristalización de la lactosa, determinan en la práctica el límite alrededor de 45°C. La Fig. 5 muestra que 1 kg de vapor puede evaporar 2 kg de agua y con una tercera etapa se pueden evaporar 3 kg de agua mediante sólo 1 kg de vapor.
Recompresión térmica de los vahos (RTV) Otro modo de ahorrar energía es utilizar un termo-compresor, el cual aumenta el nivel de temperatura/presión de los vahos, es decir comprime los vahos desde una presión baja a una alta mediante vapor de una presión mayor a la de los vahos. Los termocompresores trabajan a muy altas velocidades de flujo de vapor y no tienen partes móviles. La construcción es sencilla, las dimensiones reducidas y los costos bajos. La Fig. 6 muestra el principio del termo-compresor. En la tobera de vapor vivo (1) la presión del vapor de entrada es convertida en velocidad y se crea un chorro tal que extrae parte de los vahos desde el separador del evaporador. En el difusor (2) se forma un flujo rápido de una mezcla de vapor vivo y vahos, y la velocidad de este flujo es convertida en presión (aumento de temperatura) mediante una retardación. Luego la mezcla puede utilizarse como medio de calentamiento para el evaporador. La Fig. 7 muestra un evaporador de dos etapas con compresión térmica, y la Fig. 8 el correspondiente diagrama del flujo de calor. La mejor eficiencia en el termo-compresor, es decir el mejor grado de aspiración, y así una buena economía, se obtiene cuando la diferencia de temperatura (presión) entre la sección de ebullición y la de calentamiento es baja. Los termo-compresores deben ser ajustados a las condiciones de trabajo. Pero dichas condiciones pueden variar, por ejemplo a causa de un aumento de la resistencia de calor de las superficies de calentamiento durante la operación, debido a depósitos en los tubos de calentamiento. Esto dará como resultado una baja considerable del grado de aspiración. En evaporadores que tienen que trabajar con distintas capacidades se instalan varios compresores con diferentes características. Además, un termo-compresor, construido para una mayor presión de vapor vivo, puede extraer más vahos del separador que uno construido para presiones bajas. Para simplificar utilizaremos a continuación una eficiencia de 1:2, aunque los termo-compresores de diseño nuevo pueden operar con una eficiencia de 1:3, bajo ciertas condiciones. Ahora bien, mediante la instalación de un termo-compresor en un evaporador de dos etapas, por medio de 1 kg de vapor vivo se evaporan 4 kgs de agua, es decir, el ahorro de vapor correspondería al ahorro obtenido mediante dos etapas adicionales en el evaporador de multi-etapas. La división de una dada ∆t total entre la primera y la última
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etapa en evaporadores de multi-etapas requiere una superficie enorme de calentamiento y, por consiguiente, una instalación costosa. Es posible reducir la superficie total de calentamiento aumentando la ∆t mediante un aumento de la temperatura en la sección de calentamiento de la primera etapa, dando lugar a una temperatura de ebullición más alta. Sin embargo, esto da lugar a un ensuciamiento (depósitos micro-delgados de proteínas de leche en los tubos reduciendo el factor K) especialmente si la leche tiene una acidez alta. A altas temperaturas la cristalización de Ca-fosfatos también provocará depósitos. Por este motivo, no es recomendable utilizar temperaturas de ebullición superiores a 68-70°C en la primera etapa (dependiendo del producto y la calidad de la leche), si el fin es un período continuo de producción de 20 horas. La superficie de cada etapa individual del evaporador es calculada aplicando la siguiente fórmula: S=
donde
B x h" Kx∆t
S:
superficie de calentamiento m2
B:
vaho de agua kg/h
h":
calor específico Kcal/kg (entalpía de condensación)
K:
coeficiente de transferencia térmica Kcal x m-2 x h-1 x °C-1
∆t:
diferencia de temperatura o fuerza motriz °C (entre medio de calentamiento y líquido de ebullición)
(9)
El factor más crítico en conexión con la construcción de un evaporador es el factor K siendo una función de las propiedades del producto y el nivel de temperatura. Está influenciado por: Temperatura del evaporador Calor específico Densidad Presión de ebullición Elevación del punto de ebullición Conductividad térmica Viscosidad Tensión de superficie
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kg
Ag ua
1
kg
Ag ua
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ua
3
kg
Ag ua
2
Producto / Concentrado Condensados Vahos
Ag u
a
4
kg
Ag
Vapor
kg
1 kg Vahos
5
0 kg Water
kg
Ag ua
1 kg Vahos
6
1 kg Vahos
a gu
9
kg
A
1 kg Vahos
1 kg Vahos
3 kg Mezcla
1 kg Vahos
2 kg Vahos
Fig. 9
Compresión mono-térmica. Evaporador RTV de 7 efectos
kg
Ag
ua
2
kg
Ag
ua
1
kg
Ag
ua
3 kg Vahos
3
1 kg Vahos
ua
4
kg
Ag
kg
Ag
ua
kg Agua 1 kg Vahos
kg
Ag ua
7
1 kg Vapor
ua
10
1 kg Vahos
13
kg
Ag
os
1
ah gV
1 kg Vahos
k
1 kg Vahos 3 kg Mezcla
3 kg Vahos 3 kg Vahos
Fig. 10 Compresión poli-térmica. Evaporador RTV de 7 efectos
3 kg Vahos
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Otros factores a considerar: Sensibilidad térmica del producto Características químicas Se observa que el factor K difiere de un producto a otro, especialmente debido a la elevación del punto de ebullición, que es una función de la concentración de moléculas y así está influenciado por la composición del producto y el contenido en sólidos. Con un contenido en sólidos del 9%, como en la leche descremada, la elevación del punto de ebullición es inferior a 1°C, mientras que con un contenido en sólidos de 4850% es varios grados. Una conclusión para establecer este factor se obtiene sólo mediante extensos ensayos de laboratorio. La capacidad (C) de un evaporador es C = K x S x ∆t
(9.1)
Así la capacidad de un evaporador puede aumentarse mediante una mayor superficie o una temperatura de ebullición más alta en el primer efecto. No se recomienda aplicar temperaturas superiores a 66-68°C, según discutido en lo anterior. El ∆t total (normalmente desde 66°C a 45°C = 21°C) se divide igualmente entre las etapas. Esto significa que en un evaporador de tres etapas cada etapa tendrá un alto ∆t correspondiente a una superficie bastante reducida y bajos costos de inversión. Es evidente, pues, que mediante un aumento del número de etapas, reduciendo el consumo de vapor, el ∆t disponible se reduce más en cada etapa. Esto requiere una mayor superficie de calentamiento y los costos de inversión aumentarán. El termo-compresor puede incorporarse entre la primera y la segunda etapa (compresión mono-térmica), o bien entre la primera y la tercera (compresión bi-térmica), o entre la primera y cuarta etapa (compresión tri-térmica). La influencia en el ahorro de vapor y en los costos de inversión es grande. Estudiando un evaporador de 7 etapas con compresión mono-térmica (ver la Fig. 9), se comprueba que es posible evaporar 9 kg de agua mediante sólo 1 kg de vapor. Para compresión tri-térmica se coloca el termo-compresor, por ejemplo, entre la primera y la cuarta etapa (ver la Fig. 10). Así es posible evaporar 13 kg de agua usando sólo 1 kg de vapor, ya que se aprovechan todos los vahos de la primera etapa para calentar la segunda etapa y los vahos de ésta son utilizados en la tercera etapa, de donde una parte es comprimida en el termocompresor. Si el termo-compresor significa un aumento de la temperatura de los vahos en 9°C habrá un ∆t de 3°C para cada etapa en un evaporador tri-térmico. Para poder mantener una evaporación de 9 kg en las primeras tres etapas se necesita una superficie mayor en relación al ejemplo con compresión mono-térmica. Conocidos la longitud y el diámetro de los tubos será posible calcular el número de tubos de acuerdo con la fórmula antes mencionada (9). - 25 -
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Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Fig. 11
Evaporador RMV de una etapa
Fig. 12 Diagrama de flujo térmico. Evaporador RMV
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Sin embargo, una desventaja sustancial en evaporadores de multi-efectos es el largo tiempo de residencia, durante el cual se expone el producto a calor. Siendo también a una temperatura baja, tendrá un impacto negativo en la viscosidad del concentrado. Ver pág.95.
Recompresión mecánica de los vahos (RMV) Como una alternativa al termo-compresor, durante los últimos quince años se ha ido extendiendo el uso del compresor mecánico de vahos en los evaporadores en la industria láctea. La energía usada para el compresor es normalmente la electricidad, pero también se utilizan motores diesel. Otros procesos pueden requerir vapor a baja presión, y un compresor puede ser accionado por una turbina de vapor que actúa como válvula reductora. Todo depende de la política local energética. Sin embargo, como regla general una solución con RMV resulta rentable con el precio/Kw < el precio/kg vapor x 3. Sin embargo, hoy en día la calidad del producto final -la leche en polvotiene gran influencia en la decisión de qué tipo de compresor a usar, y como el evaporador tipo RMV cuenta con un muy corto tiempo de residencia, el resultado es una viscosidad baja del concentrado. El compresor mecánico de vahos es un ventilador de alta presión y de altas revoluciones (≈3000 rpm) capaz de operar bajo vacío. A temperaturas bajas el volumen de los vahos es enorme (ver pág. 19). Por consiguiente, hay un límite a las temperaturas en la práctica. La energía aplicada en el compresor se utiliza con la mayor eficiencia en bajos grados de compresión, limitándose así el aumento de temperatura/presión. Por eso se requiere una gran superficie de transferencia térmica y esto podría aumentar los costos de inversión. Como es esencial operar una unidad RMV a una diferencia mínima global de temperatura entre los vahos generados por el producto y el medio de calentamiento como resultado de la compresión, es necesario mantener la elevación del punto de ebullición del producto a un mínimo, ya que en el caso contrario se reduciría aún más la diferencia de temperatura disponible para la evaporación. Este fenómeno limita también las concentraciones máximas que se quieren obtener en este tipo de evaporadores. La Fig. 11 ilustra un evaporador RMV de una etapa, y la Fig. 12 el correspondiente diagrama de flujo térmico. La leche fría entrante es precalentada por el concentrado y luego por los condensados procedentes de la sección de calentamiento de la calandria, seguido de una pasteurización final mediante vapor vivo. Los vahos son comprimidos en la unidad RMV y utilizados como medio de calentamiento, ya que el calor latente es liberado por la condensación. El vacío deseado en el sistema es mantenido por una bomba de vacío junto con una pequeña cantidad de agua de enfriamiento. - 27 -
Isob ar P r Isob ar P a
Temperatura
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tr
B
Sobrecalentamiento Condensación de vapor en el cuerpo de calentamiento a presión (Pr )
tr ta
Evaporación del líquido a presión P and t a a
Area de vapor
Area de vapor líquido
Entropía S
Fig. 13
Ciclo de operación de un compresor mecánico Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
V RT
Tubos de retención
Regenerador Flash
Agua enfriamiento
RMV
Salida concentrado
Entrada leche
Fig. 14 Evaporador combinado RMV/RTV
Agua enfriamiento
V
RM
Tubos de retención
Regenerador Flash
Salida concentrado RMV Entrada leche
Fig. 15 Evaporador combinado RMV/RMV
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Se observa que ninguna energía sale de la planta en forma de condensados calientes, y sólo una menor parte sale con el agua de enfriamiento (dependiendo de la temperatura deseada de pasteurización). El evaporador RMV se usa muy a menudo como precondensador de productos lácteos para transporte, donde el contenido en sólidos deseado es de un 30-35%, limitándose la elevación del punto de ebullición. El concentrado es descargado de la planta a temperatura baja, y por este motivo este tipo de planta es un gran competidor de la hiperfiltración. El ciclo de operación de un compresor mecánico es mostrado en Fig. 13. Los vahos se succionan del separador representado como punto A a un nivel dado de temperatura/presión ta/Pa que lo comprime a punto B':t'r/Pr. Los vahos comprimidos son desupercalentados a B:tr introduciendo agua en la salida del compresor. Los vahos comprimidos son condensados sobre la superficie del intercambiador de calor en la calandria desde punto B a C, de donde son descargados como condensados. Al mismo tiempo el agua es evaporada de la leche que luego es separada en el separador y sale del punto A. El evaporador RMV ofrece una mejor flexibilidad de capacidad / mejor capabilidad de turn-down, ya que se necesita solamente ajustar las RPM del ventilador. Si se desea obtener contenidos en sólidos apropiados para una planta de secado, se combina el evaporador RMV con una unidad RTV, ver Fig. 14. El consumo de vapor por kg de agua evaporada es naturalmente menor que el consumo en un evaporador de múltiples etapas, pero si la unidad RMV es accionada por un motor eléctrico el consumo de electricidad será mucho mayor. Como se requiere sólo una reducida cantidad de agua de enfriamiento, esta combinación ofrece una solución muy atractiva, sin embargo, debe preverse una inversión más alta. Bajo condiciones especiales de precios energéticos sería una ventaja sustituir la unidad RTV por una unidad RMV adicional para comprimir los vahos sobre la última etapa, ver Fig. 15. Se recomienda estudiar detenidamente en cada caso las condiciones locales, como p.ej. los precios de vapor, electricidad y agua de enfriamiento.
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2x3 ventiladores de alta presión para 2 evaporadores RMV
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Comparación de consumo energético en distintos evaporadores
EVAPORADOR
5-etapas RTV
7-etapas RTV
1-etapa RMV/ 2-etapa RTV
Leche descremada
Leche descremada
Leche descremada
15.000
15.000
15.000
9/50
9/50
9/50
12.300
12,300
12.300
Temp. pasteurización, °C
90
90
90
Tiempo de retención, sec.
30
30
30
Consumo de vapor, kg/h
1.610
1.190
375
10
10
10
13.400
13.400
12.800
Temp. condensados, °C
54
51
22
Consumo eléctrico - RMV, Kw - Motores, Kw
75
75
150 50
Consumo de agua de enfriamiento, m3/h
32
3.5
2*)
Temp. agua de enfriamiento entrada/salida, °C
28/35
28/35
12/50
Consumo eléctrico, torre de enfriamiento, Kw
10
2.5
-
Tiempo de residencia, min.
12
18
6
PRODUCTO Capacidad, kg/h Sólidos entrada/salida, % Evaporación, kg/h
Presión de vapor, bar Condensados, kg/h
*) a utilizarse sólo cuando la temperatura de la leche cruda excede 5°C.
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Calandrias del evaporador con precalentadores externos
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Diseño de evaporadores industriales La mayor demanda de grandes evaporadores multi-etapas con superficies de calentamiento más grandes para mejorar los consumos específicos puede cumplirse utilizando más tubos. Sin embargo, esto significa que la cantidad de líquido introducida en cada tubo será menor resultando en una película demasiado delgada. Si el contenido en sólidos es alto la viscosidad aumenta, la película no fluye y se presenta el riesgo de depósitos quemados. El resultado es un concentrado con pequeños grumos gelatinosos y a veces descolorados que aparecen en el polvo final como partículas quemadas ("scorched particles") que no se disolverán al reconstituirse el polvo. En casos extremos los tubos quedarán completamente obstruidos, y una limpieza manual será necesaria. Por lo tanto, al diseñar un evaporador se aplica el llamado coeficiente de recubrimiento que se define así: Producto kg/h al extremo inferior de los tubos Periferia de los tubos
(10)
La tendencia es construir la calandria con tubos más largos para obtener una mayor superficie de calentamiento y mantener el coeficiente de recubrimiento al mismo nivel. Hace unos treinta años los evaporadores fueron equipados con tubos de 3-4 m y operados con una diferencia de temperatura de unos 15°C, en tanto que hace 10 años los evaporadores tenían tubos de un largo de hasta 14 m y una diferencia de temperatura tan baja como 2°C. Hoy la mayoría de los nuevos evaporadores tienen tubos de un largo de hasta 18 m. La ventaja es que se necesitan menos pasajes del producto para obtener el recubrimiento suficiente, menos bombas y un tiempo reducido de residencia. La flexibilidad es otra cualidad a pedir en un evaporador moderno, es decir, la posibilidad de tratar varios productos y por consiguiente operar a distintas capacidades. Sin embargo, los diversos contenidos en sólidos de los productos son un problema, y otro es que la capacidad del secador varía al secar distintos productos. Además, la capacidad del evaporador también varía debido al factor K de los distintos productos. Por consiguiente, cuando se diseña una planta de evaporación/secado se selecciona siempre un producto principal, y las calandrias del evaporador se construyen para obtener coeficientes óptimos de recubrimiento, también para otros productos. Como el valor K es un 20% más bajo para leche entera que para leche descremada, la capacidad evaporativa resultará en un 20% más baja para leche entera. Además, el contenido en sólidos difiere en leche descremada y leche entera, por lo que la alimentación al evaporador disminuye al procesar leche entera. Este factor implica una atención especial al diseño de las calandrias, ya que el coeficiente de recubrimiento será demasiado bajo, especialmente en la primera etapa debido a la cantidad más baja de alimentación. Si, por otro lado, el evaporador está construido para leche entera como producto principal, y es necesario también poder evaporar leche descremada, el pro- 33 -
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Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Entrada agua enfr.
Gases incondensables
Salida agua enfr. Salida concentrado
Fig. 16 Evaporador de película
Fig. 17 Calandria de evaporador dividida en dos secciones
descendente de recirculación
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blema de recubrimiento ocurrirá principalmente en la última etapa debido al bajo contenido en sólidos en el producto dando lugar a una cantidad menor de concentrado al 48% de sólidos. Hace algunos años que el problema de recubrimiento fue solucionado recirculando parte del concentrado desde la salida de la etapa hasta la entrada de la misma aumentando así la cantidad de líquido para poder cubrir todos los tubos. Ver Fig. 16. Técnicamente dicha solución es ideal siendo económica y sencilla, pero con respecto a la calidad del producto no es adecuada porque como consecuencia, parte del producto estará sometido a una temperatura alta durante un período de tiempo largo y nocontrolable. Esto quiere decir que la viscosidad del concentrado final aumentará y será posible una desnaturalización de las proteínas, cuyo resultado final será un polvo de una solubilidad inferior. En los actuales evaporadores, los llamados evaporadores de "paso único", se soluciona el problema dividiendo las etapas con bajo coeficiente de recubrimiento en dos cuerpos separados con la misma temperatura de ebullición y muy a menudo con un separador común. Otro método es dividir la etapa en dos o bien en más secciones en un evaporador de "multi-flujo". El producto es bombeado a una sección de cuya salida es bombeado directamente a la próxima sección, y así en adelante. Una vez pasado la última sección es bombeado a la próxima etapa, ver Fig. 17. Este sistema es casi tan económico como la recirculación, pero tiene la ventaja de la calandria dividida y no es necesaria una circulación.
Equipos Auxiliares para el Evaporador Para obtener que el evaporador trabaje como una unidad integrada, se necesitan los siguientes equipos auxiliares: • • • • • • • • • • • •
Separadores Sistema de distribución de producto Precalentadores Equipo de pasteurización/retención Equipo de pre-calentamiento para evitar crecimiento de bacterias termófilas Equipo de condensación Equipo de vacío Torres de enfriamiento Concentradores de alta concentración Enfriadores 'flash' Equipo de agua de cierre Instrumentación y automatización
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Vahos
Calandria
Separador clásico
Concentrado de leche
Fig. 17a Separador con entrada tangencial Calandria
Separador wrap-around tipo nuevo Vahos
Concentrado de leche
Entrada producto
Fig. 17b Separador Wrap-Around
Fig. 18 Sistema dinámico de distribución de producto
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Separadores Separadores con entrada tangencial de los vahos Los vahos generados de la evaporación se usan como medio de calentamiento en la "próxima" calandria, por lo que es necesario separar cualquier producto, para evitar una contaminación de los condensados dando lugar a pérdidas. La mayoría del concentrado se descarga del fondo de la calandria debajo del haz de tubos. Debido a la alta velocidad de los vahos parte del concentrado queda en los vahos como pequeñas gotitas. La separación tiene lugar en un separador con entrada tangencial de los vahos, ver Fig. 17a, conectada a la calandria debajo del tubo. Se diseña un separador con cuidado especial para evitar que se lleve producto a la caída de presión más baja posible, ya que una caída de la presión corresponde a una caída de la entalpía térmica en la siguiente calandria dando lugar a una baja general de la eficiencia. Separador cilíndrico tipo "Wrap-Around" Para reducir los requisitos de espacio se ha desarrollado el diseño de un separador cilíndrico alrededor de la calandria, ver Fig. 17b. Está integrado en el fondo de la calandria y tiene la misma alta eficiencia como el separador clásico con una caída de presión reducida. Se usa típicamente en calandrias grandes con compresores mecánicos RMV conectados al separador cilíndrico con un conducto de vahos muy corto para minimizar la caída de presión. El ahorro de espacio constituye típicamente un 30%.
Sistema de distribución de producto Según explicado anteriormente es imprescindible distribuir el producto uniformemente en todos los tubos en la calandria, para obtener un buen recubrimiento de los mismos. Por eso el sistema de distribución es muy importante cuando se diseña un evaporador. En la práctica hay dos sistemas distintos: • •
Sistema dinámico de distribución Sistema estático de distribución
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Entrada producto
Entrada producto
Salida leche precalentada
Entrada leche fría
Fig. 20 Precalentadores de tubos en espiral
Fig. 19 Sistema estático de distribución de producto
Parte superior (sistema distribuidor de entrada) de las calandrias del evaporador
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Sistema dinámico de distribución En el sistema dinámico de distribución, Fig. 18, se obtiene la energía cinética necesaria mediante una pérdida de presión del producto a través de una tobera de cono completo. El producto es supercalentado en relación a la presión dentro de los tubos formándose en seguida vahos rápidos 'flash'. La mezcla de producto y vahos es atomizada por la entrada de los tubos que luego son recubiertos de producto. La capacidad de una tobera de atomizar al máximo depende de la caída de presión que se determina por la cantidad del líquido a tratar y su grado de ebullición ('flashing') al ser introducido en el espacio encima de los tubos. Por eso, dicho sistema de distribución no se recomienda para evaporadores modernos que deben ser flexibles y con diferencias en la cantidad alimentada. Además, en evaporadores de múltiples etapas la ebullición ('flashing'), y por consiguiente la distribución, son mínimas debido a un ∆t bajo.
Sistema estático de distribución En el sistema estático de distribución el producto supercalentado que entra es dividido primero en vahos 'flash' y producto. Al entrar en la calandria, el producto es introducido en una placa distribuidora colocada dentro de un cono abierto. El cono está colocado sobre un distribuidor provisto de un número de orificios, en el cual se mantiene cierto nivel de producto. El producto fluye por gravedad a través de los orificios. Cada orificio se encuentra en el centro del espacio entre los tubos. Así el producto fluye sobre la placa de tubos y luego por el borde bajando sobre la superficie de cada tubo. Al mismo tiempo los vahos 'flash' entran en los tubos y empujan el producto contra la superficie interior de los tubos dándole su velocidad inicial. Ver Fig. 19. Este sistema de distribución es mucho más flexible con respecto a capacidad, ya que un aumento de nivel en el distribuidor -resultado de una mayor capacidad- hará posible el flujo del producto a través de los orificios a mayor velocidad, manteniéndose así el nivel.
Precalentadores Como la leche a ser evaporada tiene una temperatura de 5-10°C debe ser calentada hasta la temperatura de ebullición de la primera etapa, con el fin de ahorrar vapor para la evaporación. Por este motivo la leche es conducida primero a través de un enfriador/precalentador de vahos situado entre el separador de la última etapa y el condensador, ahorrando así agua de enfriamiento. Desde el enfriador de vahos la leche pasa a través de la sección de precalentamiento de la última etapa y luego regresa a la primera etapa antes de entrar en la sección de ebullición de la primera etapa.
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Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Fig. 21 Precalentadores de tubos rectos
Precalentadores externos
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Técnicamente el sistema de precalentamiento puede llevarse a cabo de dos maneras distintas: • •
Precalentadores de tubos en espiral Precalentadores de tubos rectos
Precalentadores de tubos en espiral Los tubos en espiral están situados dentro de las zonas de calentamiento en la calandria alrededor de los tubos de película descendente siendo así calentados mediante vahos, ver Fig. 20. El sistema es sencillo, pero no permite la posibilidad de una inspección para detectar depósitos o fugas. Precalentadores de tubos rectos Los precalentadores de tubos rectos están colocados verticalmente fuera del evaporador y como es el caso de los tubos en espiral, son calentados mediante vahos de la calandria correspondiente. Ver Fig. 21. La conexión de vahos está en la parte superior de la calandria para extraer fácilmente los gases incondensables, asegurando así una aprovechamiento óptimo de la superficie de calentamiento de los tubos de evaporación. Este sistema permite inspección y limpieza manual en el caso (poco habitual) de que fuera necesario. La superficie de transferencia térmica en el precalentador está distribuida en grupos de tubos paralelos de diámetro pequeño dando lugar a una superficie grande. Cada grupo de tubos está conectado en su extremo mediante conexiones standard para productos lácteos. Debido al flujo paralelo el tiempo de retención resulta mucho más corto que el del precalentador de tubos en espiral. La viscosidad del concentrado final, por consiguiente, resulta más baja en evaporadores provistos de precalentadores de tubos rectos. La extensa superficie de los precalentadores y el nivel de temperatura existente durante operación (40-65°C) son factores que ofrecen las condiciones óptimas para el crecimiento de bacterias termófilas. Después de 14-16 h de operación se forma en la superficie interior de los precalentadores una bio-película, donde las bacterias puedan formar esporas. Sin cuidado especial, ver pág. 47 acerca de crecimiento de bacterias termófilas, no se puede esperar una producción de 20 horas sin un aumento de las bacterias termófilas y sus esporas durante las últimas 4-5 horas del período de producción.
Equipo de pasteurización/retención La temperatura obtenida del último precalentador en evaporadores de múltiples etapas es inferior a la temperatura de ebullición del primer efecto. Por eso, un precalentamiento adicional es necesario para obtener los 2-3°C requeridos sobre la temperatura de ebullición de la primera etapa. En tal caso se usa un precalentador separado, calentado mediante vapor vivo, normalmente vía un termo-compresor. Sin embargo, algu- 41 -
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Segundo
Guías para el precalentamiento durante producción de leche descremada en polvo
Minuto
Leche descremada en polvo típico para pan
HIGH HEAT WPNI < 1,5mg
Medium Heat Low Heat
WPNI 1,51-5,99mg
WPNI > 6,0mg
Fig. 22 mg WPNI/g de polvo como una función de la intensidad de pasteurización, una relación entre temperatura y tiempo % Desnaturalización de ß-Lactoglobulina en Leche DANNENBERG, 1986
Tiempo retención (seg.)
10000
1000
100 90%
10 60% 5%
1
Grupos -SH
60
80
100
10%
30%
120
140
Temperatura (°C)
Fig. 22a % desnaturalización de ß-lactoglobulina
90
Temp. past.
(C )
Fig. 23 Desarrollo de grupos libre de -SH, como una función de la temperatura de pasteurización
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nos productos pueden necesitar temperaturas más altas, pero el propósito primario de un tratamiento térmico en un evaporador, aparte de los requisitos bacteriológicos, no es una "pasteurización", sino el de obtener una herramienta para obtener propiedades funcionales en el producto final. Razones por un tratamiento térmico son: • • • • •
Requisitos de tipo bacteriológico Leche descremada en polvo por clasificación térmica La conservación de la leche entera Leche en polvo termoestable a alta temperatura, tipo 'high-heat' Leche entera instantánea en polvo
Requisitos de tipo bacteriológico Una pasteurización inmediatamente antes de la evaporación, lógicamente influye en el recuento de bacterias en el polvo final, y cuanto más alta la temperatura y mayor el tiempo de retención, mayor eficiencia en la eliminación de las bacterias. Leche descremada en polvo por clasificación térmica A menudo la leche descremada en polvo es producida de acuerdo con un grado fijo de desnaturalización de las proteínas de suero y es clasificada de acuerdo con el índice de nitrógeno proteínico del suero (mg WPNI/g de polvo), lo cual expresa el contenido de proteínas de suero no desnaturalizadas. Combinaciones diferentes de temperatura y tiempo pueden influir en el índice indicado en Fig. 22, así como una desnaturalización en % de la β-lactoglobulina en leche en Fig. 22a. La conservación de la leche entera En la producción de leche entera en polvo existe el problema de tiempo de conservación, ya que la grasa se oxida con facilidad si el polvo no es envasado aplicando gas inerte. Como muchos productos en polvo son envasados en bolsas es imposible proteger el polvo con efectividad total, y en la mayoría de los casos los antioxidantes no son permitidos. Mediante una pasteurización directa de la leche a 90-95°C previa a la evaporación, y manteniendo la temperatura durante ½-1 minuto, se forman antioxidantes naturales, ya que son liberados grupos -SH que originan de los aminoácidos cistina, cisteína y metionina, y estos grupos actuarán como antioxidantes. Temperaturas más altas de pasteurización formarán más grupos -SH, pero estos reaccionarán con la caseína y no se encontrarán en forma libre. Ver Fig. 23. Los grupos -SH libres darán a la leche un gusto "cocido", apreciado, no obstante, por muchos consumidores. Leche en polvo termoestable a alta temperatura, tipo 'high-heat' Este tipo de polvo se usa para la reconstitución para elaborar leche evaporada y esterilizada, especialmente en el Extremo Oriente. Después de una reconstitución a 25-27% TS (sólidos totales) el producto tiene que ser esterilizado aplicando temperaturas de 120°C o más altas durante 20 minutos. - 43 -
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Entrada producto
Sa
l. C
IP
En
tr.
C
IP
Vapor
Salida producto pasteurizado
Fig. 24 Intercambiadores de calor tipo indirecto, cambiables.
Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Fig. 25 Intercambiador de calor de tubos en espiral, indirecto, trabajando en serie, calentado por vapor y vahos 'flash'
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La estabilidad del producto recombinado es controlada mediante la combinación de temperatura de pasteurización/tiempo previa la evaporación y secado. Un sistema de calentamiento de contacto directo dará un mejor resultado. Pasteurización indirecto °C directo °C directo °C retención min. *)
Intervalo temperatura °C desde 60 a 80 desde 80 a 110 *) desde 110 a 125 2-4
En el intervalo desde 80 a 110°C es importante un calentamiento muy rápido para evitar una interacción entre las proteínas de suero, con el fin de producir productos de baja viscosidad con una buena termo-estabilidad.
Leche entera instantánea en polvo Para obtener leche entera instantánea en polvo con buenas propiedades de reconstitución en agua fría y al mismo tiempo con una buena "coffee stability", i.e. no tiene lugar ninguna coagulación al verter el polvo a café caliente como un blanqueador, se recomienda usar una combinación de temperatura/tiempo que da un WPNI de > 3,5 mg/g, lo que corresponde a aprox. una desnaturalización del 45% de β-lactoglobulina, ver Fig. 22a. La pasteurización puede llevarse a cabo en diferentes modos, o sea: • •
Indirectamente en intercambiadores de calor a placas, de tubos en espiral o rectos Inyección directa de vapor en la leche o bien de leche en una atmósfera de vapor
Pasteurización indirecta Los calentadores indirectos trabajan como intercambiadores de calor normales, del tipo a placas, o bien de tubos en espiral. Si se requieren temperaturas hasta 110°Cҏse recomienda tener dos calentadores, uno en operación mientras el otro es limpiado, ver Fig. 24. La ventaja del calentamiento indirecto es que el producto no se mezcla con el vapor condensador, ni se diluye el producto. La desventaja es que el producto tarda en calentarse desde 80°C a 110°C, dando lugar a un concentrado de alta viscosidad, ya que las proteínas de suero, al extenderse, reaccionarán/se desnaturalizarán, una con la otra, antes de formarse la caseína-Kappa. Para eficiencias mejoradas se puede incorporar uno o más sistemas de regeneración, ver Fig. 25. Pasteurización directa La pasteurización directa se efectúa según dos diferentes métodos, uno es mediante inyección directa de vapor, donde el vapor vivo es mezclado con la leche en un calentador de remolino tangencial (TSH), ver Fig. 26. Este ofrece un tiempo de residencia controlado y breve sin ningún impacto mecánico, aún a temperaturas >120°C. - 45 -
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Entrada leche Leche Leche caliente Vahos Flash
Leche pasteurizada
Leche fría Flash
Fig. 26 Sistema de pasteurización directa con sistema regenerativo 'flash' de contacto directo
Calentador de remolino tangencial
Temperaturas de crecimiento (qC)
Bacterias formadoras de esporas
Inactivación normal en leche por calor
Minimum
Optimum
Maximum
Vegetative cell
Spore
B. Stearothermophilus
30-45
55-60
60-70
12 s 85qC
8-15 m 121qC
B. Cereus
5-20
30-37
45-48
10 s 72qC
0.5 m 121qC
B. Coagulans
15-25
35-50
55-60
20 s 72qC
3-5 m 121qC
15
30-45
50-55
20 s 72qC
3-5 m 121qC
6-20
30-40
45-55
20 s 72qC
3-5 m 121qC
3
25-40
48
20 s 72qC
3-4 m 121qC
8-20
45
50
20 s 72qC
1-4 m 121qC
20 s 72qC
1-4 m 121qC
B. Licheniformis
B. Subtilis
C. Botulinum C. Perfringens C. Tyrobutiricum
Fig. 26a
Condiciones óptimas para el crecimiento de bacterias
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Puede operar 20 horas o más sin limpieza intermedia. Alternativamente, la leche es atomizada en una atmósfera de vapor (infusión) a una presión suficiente. La calidad del vapor debe ser buena, es decir apta para uso en productos de consumo humano. Puede usarse calderas de vapor culinario, donde el condensado de leche es calentado en un calentador indirecto de serpentín mediante vapor vivo. La ventaja de la pasteurización directa es el corto tiempo que tarda en alcanzarse la temperatura deseada. Esto significa que están disponibles proteínas extendidas de suero y caseína-Kappa, que pueden reaccionar/desnaturalizarse entre sí dando una baja viscosidad. El calentamiento directo además tiene una influencia reducida en la desnaturalización de las proteínas de suero a la misma temperatura/tiempo de pasteurización. Desnaturalización de proteínas suero Sistema directo Sistema indirecto
35% 65%
Pérdida de Tiamina 0,5 - 0,8% 1,4 - 4,4%
Como es el caso de la pasteurización indirecta, se usan cámaras 'flash' regenerativas, si se desean altas temperaturas de pasteurización. La temperatura de la leche bajará debido a la evaporación, y los vahos se usan para precalentamiento previo a la pasteurización. La cámara 'flash' regenerativa puede ser del tipo indirecto, ver Fig. 25, o de contacto directo, ver Fig. 26. Se prefiere el sistema regenerativo de contacto directo, sin la superficie de contacto térmico donde pueden formarse depósitos (bio-film). La retención se realiza casi siempre en tubos de retención, de longitud y diámetro específicos, para dar el tiempo de retención deseado. Se utilizan cubas de retención ('hot well'), si se requiere un tiempo de retención de hasta 30 minutos, especialmente para suero o permeado. Sin embargo, es difícil controlar el tiempo con exactitud y parte del producto podría pasar en 5 minutos, mientras que otra parte permanecería durante mucho tiempo. La temperatura de pasteurización tiene naturalmente una influencia directa en el consumo total de vapor, el cual aumentará si se aumenta la temperatura. Con una misma temperatura de pasteurización, el sistema directo dará como resultado un mayor consumo de vapor que en el sistema indirecto, debido a la evaporación necesaria del agua adicional formada por la condensación. Sin embargo, después de su uso el vapor adicional se usa como medio de calentamiento en los calandrias subsiguientes, y así se reutiliza la energía aplicada.
Equipo de precalentamiento para evitar crecimiento de bacterias termófilas Durante los últimos años se ha enfocado mucha importancia en el contenido de bacterias termófilas esporulantes de leche en polvo. Se ha observado que no hasta después - 47 -
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Salida producto
Entrada producto Precalentador Duplex
Fig. 26 b Precalentador Duplex
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de 12-16 horas de operación de una planta empieza un aumento del número de esas bacterias, y el aumento es exponencial. Bacterias esporulantes son bacterias que bajo condiciones desfavorables de crecimiento, como por ejemplo temperaturas demasiado altas o bajas, o bien falta de nutrición, se transforman en un estado durmiente - forman esporas y se transforman extremadamente termo-resistentes. Con condiciones otra vez favorables se transforman vegetativas y se reproducen. Las células vegetativas pueden matarse por un tratamiento térmico. Bacterias termófilas normalmente crecen entre 45 y 70°C, ver la tabla en Fig. 26a. Se ha comprobado que el desarrollo de bacterias termófilas en los evaporadores tiene lugar en los precalentadores, siendo el único lugar donde se forman bio-películas. Para asegurar una producción de polvo durante un período de 20 horas sin problemas, las siguientes medidas aplican: • • • • •
Limpieza intermedia Tratamiento UHT Sistema doble de precalentamiento Precalentamiento de contacto mediante inyección directa de vapor Precalentamiento regenerativo de contacto directo
Limpieza intermedia Se puede solucionar el problema mediante una limpieza del evaporador después de 10 horas, pero se pierde un 10% de la producción eficaz, y se producen costos de medios de limpieza y eliminación de residuos. Tratamiento UHT Se puede solucionar el problema mediante un calentamiento de la leche a 140°C en 23 seg. después de los precalentadores, sin embargo las células muertas quedan trazables, y no será posible obtener polvos con propiedades funcionales a medida. Además el consumo de vapor aumenta y el tiempo máximo de operación depende de la calidad de leche. Sistema doble de precalentamiento Instalando precalentadores dobles, ver Fig. 26b, es posible lograr una operación continua de 20 horas, ya que los precalentadores son limpiados antes de alcanzar al nivel crítico. Gastos adicionales de limpieza y evacuación de residuos deben tomarse en cuenta. Los gastos de inversión resultan más altos, pero no se afectan los costos directos y tiempo de producción. Precalentamiento de contacto mediante inyección directa de vapor Como queda mencionado las bacterias termófilas desarrollan bio-películas sólo en los precalentadores. Por eso, la solución más obvia del problema sería un desvío de los - 49 -
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Entrada producto 45 o
Condensación
Mezcla vapor/vahos
70 o Salida producto
Vapor
Vahos
Fig. 26 c Precalentamiento de contacto directo con cámara flash
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precalentadores, donde las temperaturas son entre 45 y 70°C. Sin embargo, el resultado sería un aumento del consumo total de vapor, ya que se necesita inyección directa de vapor para llevar la temperatura de 45°C hasta la temperatura de pasteurización, y por lo demás se tiene que evaporar otra vez el agua procedente de la dilución del vapor condensante. Si el problema también es bacterias mesófilas y sus esporas, se necesita un precalentamiento de ≈6°C. Precalentamiento regenerativo de contacto directo Aplicando un precalentador regenerativo de contacto directo de un diseño similar al de las cámaras 'flash' (ver pág. 47), el calentamiento de 45°C hasta 70°C puede realizarse en fracciones de un segundo sin superficies térmicas, donde pueden formarse bio-películas. La leche -una vez precalentada a 45°C en el último efecto del condensador de plantas RTV, o en un intercambiador de calor a placas en una planta RMV- es bombeada a la entrada del precalentador de contacto directo, en el cual se introduce vahos de uno de los separadores mediante vapor vivo a través de un pequeño termo-compresor, ver Fig. 6. El calentamiento subsiguiente a la temperatura de pasteurización seguido de un enfriamiento regenerativo se realiza según descrito en lo anterior, ver Fig. 26c. Si hay un problema de bacterias mesófilas y sus esporas se omite el último efecto del precalentador y el calentamiento regenerativo se realiza ya desde ≈6°C en equipos similares según arriba descritos. Esa nueva tecnología permite una operación de la planta de 20 horas o más sin el crecimiento de bacterias mesófilas y/o termófilas y sus esporas, a un consumo de vapor reducido en comparación con la solución de UHT o inyección directa de vapor.
Equipo de condensación Todos los evaporadores en la industria láctea operan con vacío, y por eso están equipados con una instalación de condensación y evacuación de aire para condensar los vahos que ya no pueden ser utilizados y para crear y mantener el vacío en la planta. La cantidad de calor a descargar del condensador depende de la cantidad de vahos residuales de la última etapa y la temperatura de los mismos. Con el fin de ahorrar agua de enfriamiento y energía, la leche a evaporar (a una temperatura de 5-10°C) es utilizada para preenfriar y condensar los vahos al mismo tiempo que se está precalentando la leche. Sin embargo, el grado final de la condensación es determinada por la cantidad y temperatura del agua de enfriamiento. Como siempre habrá aire y gases incondensables en la leche a ser evaporada, y posiblemente pequeñas fugas en la planta, es necesario tener equipos para aspirar este aire/gas para mantener el vacío. Los mismos equipos son usados para crear el vacío durante el arranque.
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Entrada agua enfriamiento
Gases incondensables
Vahos
Salida agua enfriamiento
Fig. 27 Condensador de mezcla
Gases incondensables
Vahos
Condensados Salida agua enfriamiento Entrada agua enfriamiento
Fig. 28 Condensador de superficie
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Para la condensación de los vahos (y así mantener el vacío) se utilizan dos tipos: • •
Condensador de mezcla Condensador de superficie
Condensador de mezcla En un condensador de mezcla hay instaladas numerosas toberas y placas para obtener una buena mezcla de los vahos con el agua de enfriamiento, ver Fig. 27, (en la práctica es el mismo principio como en el lavador vía húmeda, ver más adelante). El agua y los vahos condensados se descargan del fondo. Habrá el mismo vacío en el condensador de mezcla como en la última etapa, y por eso la bomba para eliminar el agua y condensados debe ser capaz de descargar de este vacío. Otra solución es colocar el condensador de mezcla en una posición barométricamente alta, es decir unos 11 metros sobre la bomba. El agua entra en un pozo y es bombeada a una torre de enfriamiento, o bien a un depósito natural. La ventaja de un condensador de mezcla es el bajo costo de inversión y bajo consumo de agua de enfriamiento. Una desventaja es que los condensados se mezclan con el agua de enfriamiento y esto puede contaminar la torre de enfriamiento. Condensador de superficie El condensador de superficie trabaja y es construido según el principio del intercambiador de calor de tubos rectos, ver Fig. 28. La ventaja de un condensador de superficie es que el agua de enfriamiento y los condensados de vahos permanecen separados. Hay que bombear solamente los condensados de vahos del vacío, y por eso no es necesario colocarlo barométricamente, como es el caso del condensador de mezcla. Siempre se debe utilizar condensadores de superficie en plantas que evaporan productos ácidos, como p.ej. suero ácido, para poder separar los condensados ácidos de vahos del agua de enfriamiento.
Equipos de vacío Como se ha visto, el vacío en la última etapa del evaporador es una función de la cantidad de agua de enfriamiento y la temperatura. El vacío en la primera y las intermedias etapas es creado por el grado de evaporación en la calandria siguiente actuando como un condensador para los vahos de la etapa anterior. Cualquier cambio en el grado de evaporación en una etapa, debido p.ej. a ensuciamiento (menor factor K) significaría una menor condensación de los vahos. Esto lleva consigo un aumento de la temperatura de ebullición en la etapa previa, el ∆t se reduce y asimismo la capacidad total de evaporación. Cada etapa es conectada al condensador para asegurar la desaireación de aire no condensable y gas.
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Fig. 29 Torres de enfriamiento
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Para la creación y mantenimiento (debido a los gases no condensables y las fugas) del vacío en el evaporador se usan dos tipos de bombas: • •
Bombas de vacío Bombas eyectoras de vapor a vacío
Bombas de vacío Se usan bombas de vacío como p.ej. la bomba de anillo de agua. Normalmente se instalan dos unidades y se usan ambas para un rápido arranque de la planta, mientras se usa sólo una durante la producción. Como material se debe solamente considerar el acero inoxidable, ya que el bronce -aún siendo más barato- tiene una vida muy breve debido a corrosión, especialmente en el procesamiento de productos de suero. Bombas eyectoras de vapor a vacío El principio es similar al termo-compresor antes mencionado. Este sistema tiene un bajo costo de mantenimiento, pero debe considerarse el consumo adicional de vapor.
Torres de enfriamiento Muchas fábricas están situadas cerca de lagos, ríos u otras fuentes naturales de agua, y la cantidad y temperatura del agua de enfriamiento no presenta problemas, siempre y cuando que la alta temperatura del agua de retorno no cause problemas medioambientales. No obstante, no todas las fábricas tienen acceso a suministros ilimitados de agua, y se presenta la situación en que las necesidades de agua de enfriamiento no son cubiertas. Sería posible solucionar este problema reciclando el agua, pero como la temperatura aumenta unos 10-15°C para cada ciclo, el vacío en el evaporador pronto desaparecería. Instalando una torre de enfriamiento, ver Fig. 29, se puede eliminar este problema. En dicha torre el agua es enfriada (cuánto depende de las condiciones locales de temperatura ambiente y de bulbo húmedo) por evaporación, puesto que el agua es distribuida sobre una gran superficie, y un ventilador asegura la turbulencia de aire necesaria. El flujo de agua va desde la torre hasta el condensador desde donde es retornado a la torre de enfriamiento. A causa de la evaporación, hay que agregar agua en la torre de enfriamiento, pero la cantidad es pequeña. Utilizando un condensador de mezcla la necesidad de agua adicional es prácticamente nula, ya que los vahos condensados son mezclados con el agua. Se recomienda renovar el agua reciclada a intervalos con el fin de evitar el crecimiento de bacterias.
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Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Bomba de vacío
Agua enfriamiento
Entrada producto
Fig. 30 Concentrador alto y sistema de alimentación
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Concentradores para alta concentración En la industria de los alimentos infantiles, donde los productos están basados en una recombinación de varios ingredientes antes del secado, se utiliza un concentrador alto para aumentar el contenido en sólidos desde, típicamente, un 40-42% a un 50-55%, todo dependiendo de la composición. Durante la evaporación todo el aire, incorporado durante la recombinación, es evacuado dando lugar a un producto con el contenido más bajo posible de aire ocluido. El concentrador alto está equipado con un tanque intermedio con control del nivel debajo de la calandria, y así actúa como "esclava" para la planta de secado, ver Fig. 30.
Enfriadores 'flash' Frecuentemente se desea una temperatura del concentrado más baja que la obtenida en la última etapa. Para enfriar el concentrado puede naturalmente utilizarse un intercambiador de calor a placas, pero no se recomienda, ya que la viscosidad en este punto es alta. En lugar de intercambiadores se usan enfriadores 'flash'. El sistema es simple y consiste solamente en una cámara de vacío (vacío creado por eyectores de vapor a vacío) dentro de la cual el concentrado es atomizado. Dependiendo del vacío, el concentrado es enfriado rápidamente y además tendrá lugar una evaporación que dará como resultado un pequeño aumento en el contenido de sólidos. El enfriador 'flash' se usa principalmente para suero, en cuyo caso es especialmente ventajoso, ya que el enfriamiento es instantáneo con lo que se eliminan los problemas de una cristalización no deseada de la lactosa, fenómeno que crearía bloqueos entre las placas.
Equipos de agua de cierre Todos los evaporadores de película descendente tienen bombas de transporte para pasar el concentrado de leche de una etapa a la otra. El número de bombas depende del número de etapas, y de si las etapas están divididas o no. Las bombas trabajan bajo vacío y por este motivo se necesita un cierre eficaz para evitar cualquier fuga de aire que haría difícil mantener el vacío. Este cierre se hace con agua. Cada bomba requiere unos 50-100 l/h de agua de cierre de la cual normalmente ½-1 l/h entra en el caudal de leche. El sistema de cierre por agua puede tener un diseño que permita la instalación de un pequeño embudo para cada bomba con el fin de controlar si hay una pérdida excesiva de agua o -aún más importante- un incremento súbito del consumo de agua, lo que significaría un desgaste del anillo de cierre.
Instrumentación y automatización Es absolutamente vital para un óptimo funcionamiento del evaporador que la instrumentación esté bien establecida, y que todos los parámetros críticos sean indicados en instrumentos para poder intervenir y evitar un mal funcionamiento. - 57 -
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Bombas de descarga de concentrado
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La siguiente instrumentación es importante: • • • • • • • • • • • •
Indicador de flujo para la leche cruda Temperatura de la leche cruda Temperatura de precalentamiento Temperatura de pasteurización Temperatura de calentamiento y ebullición y presiones de cada etapa La presión de vapor disponible La presión del vapor al termo-compresor La temperatura del agua de enfriamiento La temperatura del agua caliente Vacío La conductividad de los condensados La densidad (contenido en sólidos)
Estos instrumentos deben estar en un panel de control ubicado en un punto central y preferiblemente en una sala de control, para facilitar la operación. Sobre la automatización y el grado de la misma existen varias opiniones. Sin embargo, con el fin de obtener una operación continua sin fluctuaciones se recomiendan los siguientes controles: • • • • •
Caudal de alimentación Temperatura de pasteurización Presión del vapor para termo-compresor Contenido en sólidos Vacío/temperatura de ebullición en la última etapa
Caudal de alimentación El caudal de alimentación, es decir la leche cruda, es controlado automáticamente mediante un medidor de flujo, o del tipo convencional, ó mejor basado en una medida magnética inductiva. Temperatura de pasteurización Para asegurar que el polvo final haya sido siempre sometido a la temperatura de pasteurización deseada, la temperatura es casi siempre controlada automáticamente. El sistema es simple y bien conocido de los intercambiadores de calor a placas, en los que la presión del vapor controla la temperatura de la leche mediante una simple válvula reductora de la presión de vapor. Presión del vapor para termo-compresor (RTV) Para evitar fluctuaciones en la presión de vapor, ésta debe mantenerse constante. Un cambio en la presión de vapor al termo-compresor (RTV) dará lugar a un cambio en la
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DIC
FIC
Concentrado
Temp. de condensación
(Co)
Producto
Flujo Masa (kg/h)
Fig. 31 Control de la densidad mediante el flujo de concentrado
Producto / Concentrado Condensados Vahos Vapor
Leche líquida pasteurizada Concentrado
do
tra
n ce
n
Co
Fig. 32 Control de densidad mediante presión/caudal de vapor
Fig. 33 Control de densidad mediante retromezclado de leche líquida pasteurizada o condensados
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cantidad y presión/temperatura de los "vahos mixtos". Por consiguiente, cambiará la capacidad evaporativa de la primera etapa, y por consiguiente del evaporador entero. Contenido en sólidos Para elaborar un producto de primera calidad debe mantenerse constante el contenido en sólidos. También debe ser constante con el fin de evitar una sobreconcentración, la cual daría lugar a un aumento en la viscosidad con el riesgo de depósitos quemados en los tubos, o bien la obstrucción de éstos. El contenido en sólidos puede ser regulado de distintas formas, pero primero debe considerarse cómo medir el contenido en sólidos. Esto se realiza mediante la medición del índice de refracción o la densidad. El índice de refracción en la leche concentrada es determinado por el índice de refracción de la lactosa, minerales, grasa e incluso las proteínas, y es una función de la concentración de cada uno de los componentes mencionados. Esto quiere decir, sin embargo, que la suma medida cambia de acuerdo con las variaciones estacionales en la composición de la leche. Por eso el factor (índice de refracción x F = % sólidos) no es constante, y se deben llevar a cabo frecuentes cambios del factor, basándose en pruebas de secado en un horno de laboratorio. El índice de refracción es convertido en una señal electrónica o neumática, dependiendo del equipo de control. Otro método consiste en la medición de la densidad del líquido, ya que ésta cambiará directamente en proporción con el contenido en sólidos. La densidad del concentrado es medida pasándolo a través de un tubo de U de altas vibraciones. Las vibraciones se reducirán proporcionalmente a la masa pasada. Así es posible obtener un resultado que puede usarse en el equipo de control. Ahora podemos comentar qué hacer con el resultado del control, es decir qué parámetros se deben cambiar para obtener un contenido constante en sólidos: Caudal de leche: Una variación en el caudal de leche significa un cambio en la cantidad final de concentrado. Con altas capacidades de evaporación (por ejemplo, al tratar suero) un pequeño cambio en el caudal significaría un tremendo cambio en el contenido en sólidos y cantidad de concentrado final, ver Fig. 31. Este método, aún siendo simple, no se recomienda, ya que podría fácilmente provocar depósitos debido a problemas de recubrimiento. Presión de vapor al termo-compresor: Como consecuencia de lo anterior es más usual regular la presión de vapor al termocompresor, ver Fig. 32. Sin embargo, como el tiempo de retención en un evaporador es de 8-20 minutos, se tardará mucho tiempo en obtener una reacción después de una regulación. Por eso, en grandes evaporadores se coloca muy a menudo un circuito adicional de control después de la segunda o tercera etapa. - 61 -
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Entrada agua enfriamiento
Vahos
PIC
Salida agua enfriamiento
Fig. 34 Control de vacío, regulando la cantidad de agua enfriamiento en un condensador de mezcla
Entrada agua enfriamiento
PIC Vahos
Aire
Salida agua enfriamiento
Fig. 35 Control de vacío, 'sistema de sangrado' en un condensador de mezcla
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Remezclado de leche líquida pasteurizada al concentrado: El tercer método es trabajar con el evaporador a un contenido en sólidos algo mayor (1-2%) que lo necesario en la penúltima etapa, y luego diluir con leche pasteurizada antes de la entrada en la última etapa. Así no habrá ninguna fluctuación en el contenido en sólidos siendo rápida la reacción, y se elimina la posibilidad de una sobreconcentración en la última etapa, ver Fig. 33. Vacío/Temperatura de ebullición de la última etapa El vacío en el condensador y por consiguiente en la última etapa es controlado por la cantidad de agua de enfriamiento, o en algunos casos por el llamado 'sistema de sangrado' donde se introduce más o menos aire en el condensador mediante una válvula; esto quiere decir que el sistema trabaja con agua sobrante. Las Fig. 34 y Fig. 35 muestran los dos sistemas.
Propiedades del Concentrado El concentrado al abandonar la última etapa del evaporador es líquido, pero su viscosidad puede diferir dependiendo de la composición, la termosensibilidad de las proteínas, pre-tratamiento, temperatura y contenido en sólidos. Los concentrados de leche entera son en general menos viscosos que los de leche descremada, y como regla general se puede decir que la viscosidad no debería exceder a los 60 y 100 cP, respectivamente, si se quiere una atomización óptima. Por supuesto, es posible tratar viscosidades mayores en el secador, pero no sin una reducción de la capacidad (mala atomización - grandes gotas) y el resultado será siempre un producto inferior. La composición tendrá una influencia en la viscosidad, especialmente sobre el contenido proteínico (P) en relación al contenido de lactosa (L). Cuando la relación P:L es alta, el concentrado tendrá una alta viscosidad. Esto es un problema, especialmente con las vacas Jersey durante todo el año, pero otras razas tienden a dar problemas en los principios del período de lactación. La relación P:L puede ajustarse añadiendo lactosa. En general se puede decir que con un contenido más elevado de grasa y lactosa la viscosidad será menor, y con mayor contenido proteínico la viscosidad será mayor. Si la leche está sometida a un tratamiento térmico elevado antes de la evaporación, se obtendrá una viscosidad más alta del concentrado. La temperatura del concentrado tendrá, por supuesto, una influencia directa en la viscosidad, y una temperatura más alta significa menor viscosidad.
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log Viscosidad
t (h)
Fig. 36 Envejecimiento como una función de la temperatura (leche descremada 48,5% de sólidos)
log
Viscosidad
t (h)
Fig. 37 Envejecimiento como una función del contenido de sólidos o (leche descremada 55 C)
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NIRO A/S
Sin embargo, lo anterior establece solamente la influencia directa de algunos parámetros en la viscosidad. Una de las principales influencias es el tiempo, es decir la viscosidad es una función del tiempo, también llamado espesamiento por envejecimiento ("age-thickening"). Esto quiere decir que la viscosidad aumentará si se deja reposar el concentrado durante algún tiempo. El aumento depende de la composición -principalmente proteínas que se liguen-, temperatura y concentración. El espesamiento es solamente en parte reversible mediante una agitación. Un aumento de la temperatura dará, por supuesto, como resultado una disminución de la viscosidad; pero como el espesamiento por envejecimiento es más pronunciado a altas temperaturas, la viscosidad pronto aumentará al mismo nivel, y así en adelante al transcurrir el tiempo. Ver Fig. 36. El envejecimiento se verá influido también por el contenido en sólidos y será más pronunciado cuanto mayor sea éste en el concentrado. Ver Fig. 37. La composición tendrá la misma influencia tanto en el espesamiento por envejecimiento como en la viscosidad. Si se desea mantener el concentrado durante algún tiempo se deben mantener bajas la concentración y la temperatura. Al mismo tiempo la temperatura baja evitará el crecimiento de bacterias. La calidad del concentrado para el secado por atomización debe seguir las siguientes líneas de guía: Leche descremada T
Contenido en sólidos: 48-50% ST
T
Viscosidad: máx. 100cP a 40°C, medida en el concentrado a atomizarse. Mediciones a concentrados con menos de 15 min. de edad, y mantenidos bajo vacío entre el evaporador y el muestreo para mediciones de viscosidad. Método: Viscosímetro Brookfield tipo LVT, equipado con eje 2 a 60 r.p.m., medición a 40°C.
T
Desnaturalización de proteínas: Para productos instantáneos el WPNI debe ser de 2,5-3,5 mg. Para productos de alta densidad el WPNI debe ser de 1,0 mg, como máximo.
T
Indice de solubilidad: ninguna cantidad apreciable.
T
Prueba de tamizado: ninguna partícula insoluble visible (trozos de proteínas) en una malla de 250 micras después de pasar un litro de concentrado por la malla y lavar con agua.
T
Partículas quemadas: ninguna cantidad apreciable.
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NIRO A/S
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NIRO A/S
Leche entera TG
Contenido en sólidos: 48-50% TS
TG
Viscosidad: máx. 60 cP a 40°C, medida en el concentrado a atomizarse. Mediciones a concentrados con menos de 15 min. de edad, y mantenidos bajo vacío entre el evaporador y el muestreo para mediciones de viscosidad. Método: Viscosímetro Brookfield tipo LVT, equipado con eje 2 a 60 r.p.m., medición a 40°C.
TG
Desnaturalización de proteínas: Para productos instantáneos el WPNI debe ser de 2,5-3,5 mg. Para productos de alta densidad el WPNI debe ser de 1,0 mg, como máximo, basado en SNF.
TG
Indice de solubilidad: ninguna cantidad apreciable.
TG
Prueba de tamizado: ninguna partícula insoluble visible (trozos de proteína) en una malla de 250 micras después de pasar un litro de concentrado por la malla y lavar con agua.
TG
Partículas quemadas: ninguna cantidad apreciable
Suero TG
Contenido en sólidos: 52% TS, como mínimo.
TG
Grado de cristalización: > 75% de la lactosa a ser cristalizada, tamaño medio de cristal: 30 micras tamaño mayor de cristal: 50 micras
TG
Viscosidad: máx. 1000 cP a 40°C, medida en el concentrado a atomizarse. Método: Viscosímetro Brookfield tipo LVT, equipado con eje 2 a 60 r.p.m., medición a 40°C.
TG
Desnaturalización de proteínas: Las proteínas de suero deben ser desnaturalizadas a máx. 25% (aprox. 80°C, 15 seg., pasteurización en evaporador)
TG
Indice de solubilidad: ninguna cantidad apreciable.
TG
Prueba de tamizado: ninguna partícula insoluble visible (trozos de proteína) en una malla de 250 micras después de pasar un litro de concentrado por la malla y lavar con agua.
TG
Partículas quemadas: ninguna cantidad apreciable. - 67 -
NIRO A/S
4
3 1
2 5
8
6
7
1. Cámara de secado 2. Sistema de aire caliente y distribución del aire 3. Sistema de alimentación 4. Atomizador 5. Sistema de separación de polvo 6. Transportador neumático y sistema de enfriamiento 7. Lecho fluido de post-secado/enfriamiento 8. Instrumentación y automatización
Fig. 38 Planta de secado por atomización
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Secado por Atomización
La definición del proceso de secado por atomización es la transformación de una materia en forma líquida en forma seca atomizándola en un medio de secado caliente. Se realiza en una sola operación continua. La materia puede tener la forma de una solución, una suspensión o una pasta. El producto seco es un polvo que está compuesto de partículas o aglomerados, dependiendo todo de las propiedades físicas y químicas del producto de entrada y del diseño y operación del secador. Durante las tres últimas décadas el proceso ha sido el objeto de investigaciones intensivas, y éstas han dado como resultado modernos equipos que cumplen con los requerimientos de producir un polvo con las características deseadas por los consumidores. El secado por atomización en la industria láctea se inició alrededor del año 1800, pero no fue posible hasta 1850 secar la leche en mayor escala. Pero todos los procesos necesitaron la adición de azúcar, ácido sulfúrico o álcali, por lo que el producto final no podía considerarse puro. Una de las primeras patentes fue solicitada en 1901 por el alemán Sr. Stauf quien, por medio de toberas, pulverizó la leche en una cámara con aire caliente. Sin embargo, el comienzo definitivo tuvo lugar en los Estados Unidos en 1913 cuando el americano Sr. Grey y el danés Sr. Jensen desarrollaron un secador por toberas e iniciaron la comercialización de instalaciones de secado. El primer atomizador rotativo fue desarrollado por el alemán Sr. Kraus en 1912, pero la comercialización de este método de atomización no se manifestó hasta en 1933 cuando el ingeniero danés Sr. Nyrop solicitó su patente mundial. Estos pioneros formaron la base para la industria moderna de leche en polvo, y el desarrollo has sido rápido. Los equipos instalados hoy son en su mayoría muy sofisticados e implican un avanzado diseño técnico y tecnológico. La operación de un secador convencional es la siguiente, ver Fig. 38: El concentrado es bombeado desde el tanque de alimentación de producto al dispositivo atomizador colocado en el dispersor de aire sobre la cámara de secado. El aire de secado es aspirado de la atmósfera a través de un filtro por un ventilador pasando luego al dispersor a través del calentador de aire. Las gotas atomizadas encuentran el aire caliente y la evaporación tiene lugar al mismo tiempo que se enfría el aire. A continuación del secado en la cámara, la mayor parte del producto seco cae al fondo de la misma y pasa a un sistema de transporte neumático y de enfriamiento. Los finos, es decir las partículas con un diámetro pequeño, son arrastrados por el aire, y es necesario por tanto pasar el aire a través de ciclones para separarlos. Los finos abandonan el ciclón por la base mediante un dispositivo de cierre y entran asimismo en el sistema neumático. El aire de salida sale a la atmósfera por medio del ventilador de aspiración. Las dos fracciones de polvo son recogidas en - 69 -
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Aire secado Aire enfriamiento Concentrado/Producto Finos
Fig. 39 Distintos tipos de cámaras de secado
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el sistema neumático de transporte y enfriamiento y luego pasadas a través de un ciclón para separación y ensacado. La instrumentación comprende la medida de la temperatura del aire de entrada y salida, así como el control automático de la temperatura de entrada mediante la variación de la presión del vapor o la cantidad de fuel o aire al calentador, y el control automático de la temperatura de salida mediante la variación de la cantidad de alimentación bombeada al dispositivo atomizador. Una instalación convencional de secado por atomización consta de los componentes principales siguientes: • • • • • • • •
Cámara de secado (1) Sistema de aire caliente y distribución del aire (2) Sistema de alimentación (3) Atomizador (4) Sistema de separación de polvo (5) Transportador neumático y sistema de enfriamiento (6) Lecho fluido de post-secado/enfriamiento (7) Instrumentación y automatización (8)
Cámara de Secado Existen en el mercado varios diseños de cámaras de secado. El tipo más común es la cámara cilíndrica con un cono de 40-60° para que el polvo pueda salir de la cámara por gravedad. También se ven cámaras con el fondo plano, en cuyo caso se necesita un raspador o un dispositivo aspirador para retirar el polvo de la cámara. Existen además cámaras horizontales tipo caja, que también operan con un sistema forzado (p.ej. raspador o tornillo) para retirar el polvo. Los distintos tipos de cámaras de secado se muestran en Fig. 39. En resumen se puede decir que las cámaras con un cono para la descarga del polvo por gravedad ofrecen la mejor flexibilidad para adaptar varios procesos de secado a la planta, como por ejemplo lechos fluidos integrados o cintas, y así permiten las mayores posibilidades para el secado de distintos productos. La tendencia hoy es un diseño de la cámara de secado que no incluye componentes dentro de la misma que puedan obstruir el flujo de aire con los consiguientes depósitos de polvo. En la cámara tipo alto, se ha puesto énfasis en diseñar una planta con un flujo laminar del aire y un sistema especial para salida del aire, donde el diámetro del cono es mayor que el diámetro de la parte cilíndrica, formando así un conducto anular, denominado un "bustle", en el que van montados los conductos de salida del aire. De este modo se minimiza la fracción del ciclón por la baja velocidad del aire de salida. Esta
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Fig. 40 Paneles desmontables de aislamiento para cámaras de secado
Aire
Filtración del aire de proceso
Fig.40a Estándares de filtros
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cámara es especialmente apta para productos de alimentos infantiles o de proteína secados desde un bajo contenido en sólidos en el concentrado de alimentación. El desarrollo de filtros de mangas lavados por CIP ha permitido el diseño de cámaras de secado con filtros de mangas incorporados, ver pág. 153. La cámara de secado debe siempre tener puertas de inspección, iluminación, aperturas de sobre-presión, así como otros equipos de emergencia como por ejemplo extintores de incendio en forma de toberas de agua o de vapor. Normalmente, las cámaras de secado tienen un aislamiento, o de paneles dobles desmontables con un espacio de aire, ver Fig. 40, ó de 80-100 mm de lana mineral, recubierta de placas de acero inoxidable o de aluminio con PVC. La ventaja de los paneles desmontables es que se permite una inspección de la cámara para detectar grietas en las paredes o un aislamiento húmedo que provoque un crecimiento de bacterias, o áreas frías en las paredes, dando lugar a la formación de depósitos.
Sistema de Aire Caliente y Distribución del Aire Filtración del aire Hasta hace pocos años no existían requerimientos especiales para la filtración del aire de proceso en el secado por atomización. Sin embargo, actualmente las autoridades locales imponen requerimientos muy estrictos, con el fin de asegurar una operación más limpia. Referencias a los estándares de filtros se ven en Fig. 40a, y es de importancia referir al método de prueba al especificar la eficiencia en % del filtro. En común las distintas normas especifican: •
El aire debe ser prefiltrado y suministrado por un ventilador separado a la sala de ventiladores/filtros/calentadores. La sala debe estar bajo presión para prevenir la entrada de aire no filtrado.
•
El grado de filtración y la posición del filtro dependen de la temperatura final del aire de proceso, como sigue: -
Para el aire principal a calentarse por encima de 120°C se necesita solamente una filtración gruesa al 90%. El filtro debe estar ubicado al lado de presión del ventilador.
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Para el aire secundario a calentarse por debajo de 120°C, o sin calentar, la filtración debe ser al 90-95%, y el filtro debe estar ubicado después del calentador/enfriador. Algunos países tienen normas aún más estrictas estipulando una filtración hasta el 99,995% del aire, correspondiente a EU13/14 (ó H13/14) - 73 -
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Calentador indirecto de aire a base de vapor
Entrada aire frío Salida aire caliente
Fuel Aire de combustión
Fig. 41 Calentador de aire tipo indirecto a base de fuel-oil
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•
La práctica corriente es: -
Productos como lácteos, igual o mejor a 3A: -Prefiltración EU4 (ó G4) ≈35% -Filtración aire principal EU7 (ó F7) ≈90% -Filtración aire secundario EU7 (ó F7) ≈90%
Método de prueba: Dust-spot efficiency Dust-spot efficiency Dust-spot efficiency
-
Productos infantiles, igual o mejor a IDF: -Prefiltración EU6 (ó F6) ≈70% -Filtración aire principal EU7 (ó F7) ≈90% -Filtración aire secundario EU9 (ó F9) >95%
Dust-spot efficiency Dust-spot efficiency Dust-spot efficiency
Sistema de calentamiento del aire El aire de secado puede ser calentado de diferentes formas: • •
Indirecto:GGGGGVapor / Fuel / Gas / Fluido térmicoG Directo:G Gas / ElectricidadG
Calentamiento indirecto Un calentador a vapor es un simple radiador. La temperatura que se puede obtener depende de la presión de vapor disponible. En condiciones normales es posible obtener una temperatura del aire 10°C más baja que la correspondiente entalpía de saturación del vapor. Los calentadores a vapor modernos están divididos en secciones para que el aire frío encuentre primero la sección de condensados, luego una sección con baja presión de vapor (esta sección es normalmente la más grande para aprovechar al máximo posible el vapor de baja presión), y finalmente el aire es introducido en la sección de vapor a alta presión. El calentador de aire consta de filas de tubos con aletas colocadas en una carcasa de metal aislado. La carga de calor es calculada a base de la cantidad y calor específico del aire. El tamaño del calentador depende de las propiedades para transferir el calor de los tubos y las aletas y están normalmente alrededor de 50 Kcal/°C x altura x m2 para una velocidad del aire de 5 m/seg. La eficiencia de los calentadores de aire a base de vapor es normalmente de 98-99%. Como la caldera a vapor está casi siempre colocada a cierta distancia del calentador de aire, se debe calcular con 2-3 bar g de presión extra en la caldera debido a la caída de presión en el tubo de vapor y por la válvula reguladora. Para prevenir una corrosión de los tubos en el calentador se recomienda utilizar acero inoxidable. Los calentadores indirectos a fuel o gas tienen flujos separados de aire de secado y gases de combustión. Los gases de combustión pasan sobre o a través de tubos que actúan como una superficie de transferencia de calor para el aire de secado. La cámara de - 75 -
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Calentador directo de aire a base de gas
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combustión está construida de acero resistente al calor. La tapa final del calentador debe ser desmontable para limpiar los tubos. Los calentadores de este tipo tendrán una eficiencia de un 85% en la zona de 175-250°C. Ver Fig. 41. Los calentadores de aire a fluido térmico se usan solos, o cuando se requieren altas temperaturas de entrada del aire y la presión de vapor no es suficientemente alta. El sistema consiste en un calentador, a gas o fuel, y un intercambiador de calor. Entre estos dos componentes circula a alta velocidad un aceite especial o un fluido de transferencia térmica que no se descomponga a altas temperaturas. La mayor ventaja de este tipo de calentador es su sistema abierto sin presión.
Calentamiento directo Los calentadores directos a base de gas se utilizan solamente si se puede permitir que el gas de combustión esté en contacto con el producto. Por esta razón no se usan mucho en la industria láctea y alimenticia. El calentador directo a gas es barato, tiene una alta eficiencia y la temperatura que se puede obtener es de unos 2000°C. Si se diseña una planta con un calentador de aire con combustión directa se debe calcular la cantidad de vahos procedentes de la combustión (44 mg/kg de aire seco/°C), ya que esto aumentará la humedad del aire de secado. Se debe, por lo tanto, aumentar la temperatura de salida para así compensar este aumento de la humedad y mantener la humedad relativa. La combustión de gas natural (metano) tiene lugar de acuerdo con la siguiente fórmula de la reacción estequiométrica: CH4 + 2 O2 → 2 H2O + CO2 + Calor El oxígeno para la combustión origina del aire atmosférico con 21% de O2 y 79% de N2 . La combustión siempre da pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno como resultado de la reacción de nitrógeno y oxígeno a temperaturas elevadas. Se produce la formación subsiguiente de óxido de nitrógeno NO y dióxido nítrico NO2, a la que se refiere como la suma (NOx) de los dos. Debe notarse que temperaturas altas de combustión, altos grados de transferencia de calor, cantidad alta de aire excesivo, y tiempo bajo de residencia en la cámara de combustión constituyen todos factores que aumentarán la formación de NOx. Para una comparación, prevalecen las siguientes concentraciones de NOx: Humo de cigarrillos: Gases de combustión de automóvil: Intersección tráfico fuerte: De caldera de gas natural: Límite de WHO para niños: - 77 -
4000 ppm 2000 ppm 900 ppm 75 ppm 45 ppm
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Concentrado
Aire caliente
Fig. 42 Dispersor del aire, secador tipo horizontal
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Cámara de secado: Leche fresca normal: Suministro de agua normal:
2-5 ppm