EQUIPOS DE EVAPORACIÓN
HÉCTOR HERNÁNDEZ CESAR PEÑATE
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
NADYS NISPERUZA PRESENTADO A: ING. JORGE HERNÁNDEZ
OPERACIONES UNITARIAS II
EQUIPOS DE EVAPORACION EVAPORATION EQUIPMENT [Héctor L. HERNANADEZ H1, Cesar D. PEÑATE Q1, Nadys N. NISPERUZA C1]* RESUMEN ANTECEDENTES: El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua, De las características del fluido a evaporar depende la escogencia del tipo de evaporador a utilizar ya que así se puede obtener el mayor rendimiento del mismo, por tanto se hace necesario conocer las diferentes características, ventajas y desventajas de cada evaporador. OBJETIVO: El objetivo de esta revisión fue realizar una recopilación de información sobre los distintos tipos de evaporadores, sus Características, materiales de construcción, formas de operación y las diferentes aplicaciones de los mismos. MÉTODOS: La información recopilada fue obtenida a través de libros especializados en el proceso de evaporación y artículos referentes a dicho proceso, también se obtuvo información en páginas web de procesos nacionales e internacionales de evaporación. RESULTADOS: Dentro de los tipos de evaporadores más utilizados están los de tubos verticales o también llamados evaporadores estándar, los procesos de evaporación son más eficientes si se trabajan en régimen continuo, Existen diferentes materiales de construcción de evaporadores con costos diferentes. CONCLUSION: Es muy importante conocer las Características de la solución a evaporar ya que así se puede
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Curso de Operaciones Unitarias II. Programa de Ingeniería de Alimentos. Universidad de Córdoba sede Berastegui, Km 12 Vía Ciénaga de oro.* Autores a quienes se debe dirigir la correspondencia:
[email protected];;
[email protected] [email protected] [email protected];;
[email protected] [email protected]..
escoger
el evaporador más adecuado para dicha sustancia
y obtener el máximo
rendimiento en el proceso de evaporación.
PALABRAS
CLAVES:
Evaporación,
Evaporador,
Rendimiento,
Solución.
ABSTRAC BACKGROUND: The aim of the evaporation concentrate is a solution consisting of a nonvolatile solute and a volatile solvent. In most of the water is the solvent evaporation, the characteristics of the fluid to be evaporated depends on the choice of the type of evaporator to be used as this can achieve maximum performance thereof, it is necessary therefore to know the different features, advantages and disadvantages of each evaporator.
OBJECTIVE: The objective of this review was to perform a collection of information about the various types of evaporators, features, materials of construction, methods of operation and the various applications thereof. METHODS: The information gathered was obtained through specialized books in the evaporation process and articles to this process; information was also obtained on websites of national and international processes of evaporation. RESULTS: Among the most common types of evaporators are the vertical tubes or also called standard evaporators, evaporation processes are more efficient when working in continuous, different building materials evaporators with different costs.
CONCLUSION: It is important to know the characteristics of the solution to evaporate as well choose the evaporator can be more appropriate for that substance and maximum performance in the evaporation process.
KEYWORDS: Evaporation, Evaporator, Performance, Solution.
1. TIPOS DE EVAPORADORES La evaporación consiste en la adición de calor a una solución para evaporar el disolvente que, por lo general, es agua. Usualmente, el calor es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de agua) en contacto con una superficie metálica, con el líquido del otro lado de dicha superficie. El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido (1). A continuación se analizan los tipos generales de equipo. Los evaporadores suelen clasificarse de la siguiente manera:
Medio de calentamiento separado del líquido que se evapora por las superficies de calefacción tubulares
Medio de calentamiento limitado por las bobinas, chaquetas, paredes dobles, planos, placas, etc
Medio de calentamiento en contacto directo con el líquido evaporado.
calentamiento con radiación solar.
Los evaporadores con superficies de calefacción tubulares dominan el campo. La circulación del líquido que pasa por la superficie puede ser inducida por ebullición (circulación natural) o por métodos mecánicos (circulación forzada). En circulación forzada, la ebullición puede o no ocurrir en la superficie de calentamiento (2). Los evaporadores solares requieren enormes espacios y una materia prima relativamente barata, ya que las fugas del mismo pueden ser apreciables. La evaporación solar es generalmente factible sólo para la evaporación de las salmueras naturales, y sólo cuando el vapor de agua pasa a la atmósfera y no se recupera.
Los Evaporadores pueden ser operados por cargas o continuamente. La mayoría de los sistemas de evaporación están diseñados para un funcionamiento continuo. La operación por Batch es a veces empleada cuando pequeñas cantidades deben ser evaporadas. El funcionamiento por Batch requiere más energía que la operación continua. Los evaporadores por Batch, estrictamente hablando, son operados de manera que el llenado, evaporación, y vaciado son pasos consecutivos. Este método de evaporación requiere que el cuerpo sea suficientemente grande para contener toda la carga de la alimentación y el elemento de calefacción se colocará lo suficientemente bajo como para no ser descubierto cuando el volumen es reducido a del producto final. La operación por lotes puede ser utilizada para sistemas pequeños, para productos que requieren largos tiempos de residencia, o para productos que son difíciles de manejar. Uno de los métodos de
operación más frecuente es el semicontinuo en el que la
alimentación es continuamente añadida para mantener un nivel constante de líquido hasta que la carga entera alcanza la concentración final. Los evaporadores en semicontinuo suelen tener una alimentación continua, y por lo menos en una parte del ciclo, una descarga continua. Los Evaporadores continuos tienen una alimentación y descarga continua. Las concentraciones de la alimentación y de la descarga se mantienen constantes durante el funcionamiento. Los evaporadores se pueden operar ya sea como una vez, a través de unidades o puede que el líquido se recircula a través del elemento de calentamiento. Cuando se opera una vez a través de unidades la evaporación se lleva a cabo en una sola pasada. La proporción de
evaporación para alimentar es limitada en una sola pasada; los evaporadores de una sola pasada están bien adaptados a la operación de múltiple efecto que permite que la concentración total del líquido sea alcanzada durante varios efectos. Los sistemas recirculados requieren que una parte de líquido se recircule en el equipo. La alimentación se mezcla con el líquido recirculado y la mezcla circula a través del elemento de calentamiento. Sólo una parte del líquido se vaporiza en cada pasada a través del elemento de calentamiento; el líquido no evaporado se devuelve, es almacenado y recirculado posteriormente. Los sistemas recirculados, no son muy adecuados para la evaporación de materiales sensibles al calor.
Los evaporadores con recirculado sin
embargo, puede operar en un amplio intervalo de concentración y están bien adaptados a la evaporación de efecto simple. No hay un solo tipo de evaporador que es satisfactorio para todas las condiciones. Es por esta razón que hay muchos tipos y diseños variados. Varios factores determinan la aplicación de un tipo particular para un resultado específico de evaporación.
1.1 Evaporadores de tubos horizontales En la figura 1 se muestra un evaporador de tubos horizontales con circulación natural. El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para líquidos no viscosos
con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos. En casi todos los casos, tanto este evaporador como los que se estudian después operan con régimen continuo, con alimentación a velocidad constante y salida de concentrado a velocidad constante (3).
Figura 1. Evaporador de tubos horizontales Fuente: Handbook of Evaporation Technology Pag. 75 El diseño más simple es un evaporador de carcasa y disposición de tubo horizontal con medio de calentamiento en los tubos sumergidos y la evaporación en el lado de la carcasa (Véase la figura 1). Los tubos son normalmente 7 / 8 de pulgada a 1 -1/2 pulgadas de diámetro y de 4 a 16 pies de largo. La superficie máxima en un diseño factible es
aproximadamente 5.000 pies cuadrados. El haz de tubos no es removible. Los tubos están algunas veces espaciados más de lo normal y son precurvados para facilitar la limpieza. Las tasas de transferencia de calor pueden ser bajas, la unidad puede ser susceptible al vapor producido y los líquidos espumosos que no pueden ser tratados. Sin embargo, las superficies extendidas pueden ser utilizadas para aumentar la transferencia de calor y facilitar la limpieza. La variedad tubo corto se utiliza raramente hoy en día, excepto para la preparación de agua de alimentación de caldera.
1.1.1 Ventajas Las ventajas de los evaporadores de tubos horizontales incluyen:
El costo relativamente bajo en pequeña capacidad
bajos requerimientos de espacio libre
Buena transferencia de calor con el diseño adecuado
Buen potencial para la fácil descalcificación semiautomática.
1.1.2 Desventajas
Posee limitaciones para su uso en salazón o calcificación El diseño de tubos doblados es relativamente caro.
1.2 Evaporadores De Tubos Verticales Cortos Aunque el evaporador de tubo vertical no fue el primero en ser construido, fue el primer tipo a recibir una gran popularidad. El primero fue construido por Robert y el evaporador
de tubos verticales a menudo se llama el tipo Robert. Llegó a ser tan común que este evaporador es a veces conocido como el evaporador estándar. Es también llamado calandria. La figura 2 ilustra este tipo de evaporador. Tubos de 4 a 10 pies de largo, a menudo 2 a 3 pulgadas de diámetro, están situados verticalmente en el interior de una caja de vapor encerrado por una carcasa cilíndrica. Los primeros evaporadores de tubos verticales se construyeron sin un tubo de descenso. Estos nunca fueron satisfactorios, y el tubo de bajada central parecía muy primitivo. Hay muchas alternativas a la del tubo de descenso central; diferentes secciones transversales, tubos de descenso situados excéntricamente, tubos de descenso externos al cuerpo del evaporador (4).
Figura 2. Evaporador de tubos verticales Fuente: Handbook of Evaporation Technology Pag. 78
cortos
La circulación de líquido que pasa a través de la superficie de calentamiento es inducida por ebullición (natural circulación). La velocidad de circulación a través del evaporador es muchas veces la de la alimentación. Los tubos de descenso son entonces necesarios para permitir el flujo de líquido desde la parte superior de la placa de tubos hasta la parte inferior de la misma. El área de flujo del tubo descendente es generalmente aproximadamente igual al área de flujo tubular. Los tubos de descenso deben ser dimensionados para minimizar la fracción volumétrica de líquido por encima de la placa de tubos con el fin de mejorar la transferencia de calor y minimizar la formación de espuma. Por estas razones, varios tubos de descenso pequeños esparcidos por el haz de tubos son a menudo el mejor diseño.
1.2.1 Evaporadores de tipo de cesta En el evaporador tipo cesta (Figura 3), la construcción y operación es la misma que un evaporador estándar, excepto que el tubo de descenso es anular. Esta construcción a menudo es más económica y permite retirar el evaporador para su limpieza y reparación. Una dificultad a veces se asocia con la línea de entrada de vapor y la línea de salida de condensado y el diferencial de expansión térmica asociada con ellos.
Figura 3. Evaporador Tipo Cesta Fuente: Handbook of Evaporation Technology Pag. 79
1.2.2 Aplicaciones El evaporador de tubo corto ofrece varias ventajas: bajo espacio de cabeza, altas tasas de transferencia de calor a grandes diferencias de temperatura, facilidad de limpieza, y baja inversión inicial. Las desventajas incluyen gran espacio en el piso y el peso, y deficiente transferencia de calor a bajas diferencias de temperatura o altas viscosidades. Los Sistemas naturales de circulación no son muy adecuados para la operación en alto vacío. Los Evaporadores de tubos verticales cortos se aplican mejor cuando se evapora líquidos claros, líquidos mineralizados suaves que requieren una limpieza mecánica, productos cristalinos cuando se utilizan hélices, y para algunos productos espumantes cuando se utilizan calandrias inclinadas. Una vez considerados "standar", los evaporadores de tubos verticales cortos han sido reemplazados por unidades de tubos verticales largos.
1.3 Evaporadores De Tubos Verticales Largos Estos tipos de evaporadores son más empleados que cualquier otro, ya que son versátiles y a menudo la capacidad por unidad es más barata. Los Evaporadores de tubos largos normalmente se han diseñado con tubos de 1 a 2 pulgadas de diámetro y de 12 a 30 pies de longitud. Evaporadores de tubos largos se ilustran en la Figura 4. Las Unidades de tubos largos pueden ser operadas como una sola pasada o pueden ser sistemas de recirculado. Si son de una sola pasada, ningún nivel de líquido se mantiene en el cuerpo de vapor, los tubos son de 16 a 30 pies de largo, y el tiempo de residencia es de sólo unos pocos segundos. Con recirculación un nivel debe mantenerse, una placa deflectora se proporciona a menudo en el cuerpo del el vapor y los tubos son de 12 a 20 pies de largo. Los Sistemas de recirculado pueden ser operados por cargas o en continuo. La circulación de fluido a través de la superficie de transferencia de calor depende de la ebullición. La temperatura del líquido en los tubos está lejos de ser uniforme y relativamente difícil de predecir. Estos evaporadores son menos sensibles a los cambios en las condiciones de operación a diferencias de temperatura elevadas que a la diferencia de temperatura más baja. Los efectos de la presión hidrostática sobre el punto de ebullición son bastante pronunciados para unidades de tubo largo.
Figura 4. Evaporador de tubos verticales Fuente: Handbook of Evaporation Technology Pag. 82
largos.
1.3.1 Evaporadores De Película Ascendente Es un evaporador de tubos largos típico, con flujo ascendente del líquido (Ver figura 5). Las partes esenciales son (1) un cambiador de calor tubular con vapor de agua en el lado de la carcasa, y el líquido que se desea concentrar en el interior de los tubos, (2) un separador o espacio de vapor para separar el líquido arrastrado por el vapor, y (3) cuando opera como una unidad de circulación, una recirculación para el líquido desde el separador hasta el fondo del cambiador. Existen entradas para el líquido de alimentación y el vapor de agua, y salidas para el vapor, la disolución concentrada, el vapor condensado y los gases no condensables procedentes del vapor de agua.
Figura 5.
Evaporador de película Fuente: McCabe Pag. 486
ascendente
Los tubos son típicamente de 1 a 2 pulg de diámetro y 12 a 32 pies de longitud. El líquido y el vapor ascienden por el interior de los tubos como consecuencia de la acción de ebullición, y el líquido separado retorna al fondo de los tubos por gravedad. La alimentación diluida, con frecuencia a una temperatura próxima al ambiente, entra en el sistema y se mezcla con el líquido que retorna del separador. La mezcla entra por el fondo de los tubos, sobre la parte exterior de los cuales condensa vapor de agua. Durante una corta distancia la alimentación que entra en los tubos asciende como líquido recibiendo calor desde el vapor de agua. Después se forman burbujas en el líquido al comenzar la ebullición, aumentando la velocidad lineal y la velocidad de transmisión de calor. Cerca de la parte superior de los tubos las burbujas crecen rápidamente. En esta zona las burbujas de vapor alternan con masas de líquido que ascienden rápidamente a través de los tubos y salen a gran velocidad por la parte superior. La mezcla de vapor y líquido que sale de los
tubos entra en el separador. El diámetro del separador es mayor que el del cambiador, de tal forma que la velocidad del vapor disminuye rápidamente. Como una ayuda adicional para la eliminación de las gotitas de líquido, el vapor choca y pasa sobre un conjunto de placas deflectoras después de salir del separador. El evaporador que se muestra en la Figura 16.1 solamente puede operar como una unidad de circulación. Los evaporadores de tubos largos verticales son especialmente eficaces para concentrar líquidos que tienden a formar espuma. La espuma se rompe cuando la mezcla de líquido y vapor de alta velocidad choca contra las placas deflectoras (5).
1.3.2 Evaporadores De Película Descendente La concentración de materiales altamente sensibles al calor, tales como el zumo de naranja, requieren un tiempo mínimo de exposición a una superficie caliente. Esto puede conseguirse con evaporadores de película descendente de un solo paso, en los que el líquido entra por la parte superior, desciende por el interior de los tubos calentados con vapor de agua, y sale por el fondo (Ver figura 6). Los tubos son grandes, de 2 a 10 pulg de diámetro. El vapor procedente del líquido generalmente es arrastrado hacia abajo con el líquido y sale por el fondo de la unidad. Aparentemente estos evaporadores parecen largos cambiadores tubulares verticales con un separador de líquido y vapor en el fondo y un distribuidor de líquido en la parte superior. El principal problema de un evaporador de película descendente es la distribución uniforme del líquido formando una película interior en los tubos. Esto se consigue mediante una serie de placas metálicas perforadas situadas sobre una placa tubular cuidadosamente nivelada, por medio de inserciones en los extremos de los tubos que generen un flujo uniforme en cada tubo, o mediante distribuidores tipo
«araña» con brazos radiales que distribuyen con velocidad constante la alimentación sobre la superficie interior de cada tubo. Otra forma consiste en utilizar una boquilla individual de pulverización dentro de cada tubo. Cuando se puede utilizar recirculación sin dañar al líquido, la distribución del líquido en los tubos se facilita mediante una moderada recirculación del líquido hacia la parte superior de los tubos. Esto da lugar a un mayor flujo de líquido a través de los tubos de lo que es posible en la operación con un solo paso. Para una buena transmisión de calor el número de Reynolds 4r/p de la película descendente ha de ser superior a 2000 en todos los puntos del tubo. Durante la evaporación se reduce continuamente la cantidad de líquido al circular desde la cima hasta el fondo del tubo, de forma que la concentración que se puede alcanzar en un solo paso es limitada. Los evaporadores de película descendente, sin recirculación y con cortos tiempos de residencia, tratan productos sensibles que no pueden concentrarse de otra forma y se adaptan bien a la concentración de líquidos viscosos (6).
Figura
6. Evaporador De Película Fuente: GEA process Engineering S.A de C.V
Descendente
1.3.2 Aplicaciones El evaporador de tubo vertical largo ofrece varias ventajas: bajo costo, las unidades grandes, espacio pequeño, buena transferencia de calor a través de una amplia gama de servicios. Las desventajas incluyen: alto espacio de cabeza, la recirculación se requiere con frecuencia, y generalmente son inadecuados para fluidos severamente salados o mineralizados. Se aplican mejor al manipular líquidos claros, líquidos espumantes, fluidos corrosivos, grandes cargas de evaporación. Los de película descendente son muy adecuados para materiales sensibles al calor o para aplicación de alto vacío, para materiales viscosos, y para diferencia de temperatura baja. Nestlé Suiza para producir productos lácteos en polvo como leche entera, leche descremada usa plantas para polvo que cuentan con dos sistemas principales para remover el agua, uno o más evaporadores de película descendente y un secador por atomización, con equipos de procesamiento aguas arriba y aguas abajo para optimizar el rendimiento de la planta. Alpina en Colombia: Evaporación de jugos de fruta en es una parte fundamental en la producción de jugos concentrados. Se lleva a cabo por evaporadores de película descendente. Fabrica Colcafe: Medellín- Colombia. Evaporación de extractos de café: es realizada por evaporadores de película descendente. Cuando el extracto de café deja el extractor, es pasado por un sistema de recuperación de aroma para separar el aroma del café, ya que sino desparecería en las siguientes etapas de evaporación. Estas fracciones de aroma son luego mezcladas con el concentrado. La evaporación del café es típicamente llevada a cabo en un evaporador de 2 o 3 efectos de película descendente, donde el extracto es evaporado desde 6-7 % de sólidos a 43-47 %
sólidos, si el concentrado será después liofilizado. Si en cambio, el concentrado será después secado en spray, entonces se llevará el concentrado en el evaporador a un nivel de 55% de sólidos antes de mezclarlo nuevamente con el aroma. El alto contenido de sólidos (azúcar) encapsulará el aroma y solamente una pequeña porción se perderá durante el secado en spray.
1.4 Evaporadores De Circulación Forzada En un evaporador de circulación natural el líquido entra en los tubos con una velocidad de 1 a 4 pies/s. La velocidad final aumenta rápidamente al formarse vapor en los tubos, de forma que generalmente las velocidades de transmisión de calor son satisfactorias. Sin embargo, con líquidos viscosos el coeficiente global en una unidad de circulación natural puede ser demasiado bajo desde el punto de vista económico. Coeficientes más elevados se obtienen en evaporadores de circulación forzada, un ejemplo de los cuales se muestra en la Figura 6. En este caso una bomba centrífuga impulsa el líquido a través de los tubos entrando con velocidad de 6 a 18 pies. Los tubos están sometidos a una carga estática suficiente para asegurar que no se produce ebullición en los mismos; el líquido comienza a sobrecalentarse a medida que se reduce la carga hidrostática con el flujo desde el calentador hasta el espacio de vapor, y se genera una mezcla de vapor y líquido a la salida del cambiador, justamente antes de entrar en el cuerpo del evaporador. La mezcla de vapor y líquido choca contra una placa deflectora en el espacio de vapor. El líquido retorna a la entrada de la bomba, donde se mezcla con la alimentación fresca; el vapor sale por la parte superior del cuerpo del evaporador hacia el condensador, o bien pasa al siguiente efecto. La parte de líquido que abandona el separador se retira de forma continua como concentrado. En el diseño que se muestra en la Figura 7 el cambiador tiene tubos horizontales y es de dos
pasos, tanto del lado de los tubos como del de la carcasa. En otros diseños se utilizan cambiadores verticales de un solo paso. En ambos casos los coeficientes de transmisión de calor son elevados, especialmente con líquidos poco viscosos, pero la gran mejora con respecto a la evaporación de circulación natural se produce con líquidos viscosos. En el caso de líquidos poco viscosos la mejora que se obtiene con circulación forzada no compensa los costes adicionales de bombeo con respecto a la circulación natural, pero en cambio sí compensa con líquidos viscosos, especialmente cuando hay que utilizar como materiales de construcción metales costosos. Un ejemplo es la sosa cáustica donde el equipo es de níquel. En el caso de evaporadores de múltiple efecto que dan lugar a un concentrado final viscoso, los primeros efectos pueden ser unidades de circulación natural, mientras que los demás, que operan con líquidos viscosos, son unidades de circulación forzada. Debido a las altas velocidades con las que opera un evaporador de circulación forzada, el tiempo de residencia del líquido en los tubos es corto (del orden de 1 a 3 s) de forma que se pueden concentrar líquidos moderadamente sensibles al calor. También son efectivos para concentrar disoluciones salinas o que tienden a formar espumas (7).
Figura 7.
Evaporador de Circulación Fuente: Mccabe Pag. 488
Forzada
1.4.1 Bombas de Circulación Los factores que deben tenerse en cuenta al establecer las tasas de bombeo son:
la temperatura máxima permitida del fluido
la presión de vapor del fluido
Equipo de diseño
geometría del tubo
la velocidad en los tubos
la diferencia de temperatura entre el fluido bombeado y el fluido de utilidad
características de bombas disponibles para el servicio.
1.4.2 Aplicaciones Los evaporadores de circulación forzada ofrecen las siguientes ventajas: alta tasa de transferencia de calor, circulación positiva, la facilidad de limpieza, y una amplia gama de aplicaciones. Las desventajas incluyen: alto costo, el tiempo de residencia es relativamente alto, y las bombas necesarias con el mantenimiento asociado y los costos de operación. Los evaporadores de circulación forzada se aplican mejor en el tratamiento de productos cristalinos, productos corrosivos o fluidos viscosos. Están también bien adaptados para aplicaciones de vacío y para servicios que requieren un alto grado de concentración y un control de la concentración de producto.
1.5 Evaporador de película agitada. La principal resistencia a la transmisión de calor desde el vapor de agua que condensa hasta el líquido que hierve en un evaporador reside del lado del líquido. Por tanto, cualquier
método para disminuir esta resistencia produce un considerable aumento del coeficiente global de transmisión de calor. En evaporadores de tubos largos, especialmente con circulación forzada, la velocidad del líquido a través de los tubos es elevada. El flujo del líquido es altamente turbulento y la velocidad de transmisión de calor es elevada. Otra forma de aumentar la turbulencia es mediante agitación mecánica de la película de líquido, tal como se muestra en el evaporador de la Figura 8 , que es un evaporador de película descendente modificado, con un solo tubo encamisado que contiene un agitador interno. La alimentación entra por la parte superior de la sección encamisada y se dispersa en forma de una película altamente turbulenta mediante las placas verticales del agitador. El concentrado sale por la parte inferior de la sección encamisada, mientras que el vapor asciende desde la zona de vaporización hasta un separador no encamisado cuyo diámetro es algo mayor que el tubo de evaporación. En el separador las palas del agitador proyectan hacia fuera el líquido arrastrado que choca contra unas placas verticales estacionarias. Las gotas caen sobre estas placas y retornan a la sección de vaporación. El vapor exento de líquido sale a través de los orificios situados en la parte superior de la unidad. La principal ventaja de un evaporador de película agitada es su capacidad para conseguir elevadas velocidades de transmisión de calor con líquidos viscosos. El producto puede tener una viscosidad tan elevada como 1000 P a la temperatura de evaporación. Como en otros evaporadores, el coeficiente global disminuye a medida que aumenta la viscosidad, pero en este diseño la disminución es suave. Con materiales altamente viscosos el coeficiente es considerablemente mayor que en los evaporadores de circulación forzada y mucho mayor que en las unidades de circulación natural. El evaporador de película agitada es particularmente eficaz con materiales viscosos sensibles al calor tales como gelatina,
látex de caucho, antibióticos y zumos de frutas. Sus desventajas son el elevado coste, las partes internas móviles que pueden requerir un importante mantenimiento, así como la baja capacidad de cada unidad que es muy inferior a la de los evaporadores multitubulares (8).
. Figura 8.
Evaporador De película Fuente: McCabe Pag. 489
Agitada
1.6 Evaporadores De Placas Los evaporadores de placas pueden estar construidos de placas planas o placas en espiral. En algunos evaporadores de placas, las superficies planas se utilizan, cada sitio de las cuales pueden servir alternativamente como el lado de líquido y el lado del vapor. Las incrustaciones depositadas en el lado del líquido pueden ser disueltas por el vapor condensado, sin embrago las incrustaciones formadas en las válvulas necesarias para la reversión de los fluidos no son disueltas por el condensado. Las placas se utilizan a menudo como un diseño alternativo para el equipo tubular.
1.6.1 Evaporadores de Placa en espiral Los evaporadores de placa espiral se pueden usar en lugar de evaporadores tubulares. Ellos ofrecen una serie de ventajas respecto a los equipos tubulares convencionales: las fuerzas centrífugas aumentan la transferencia de calor; limpieza relativamente fácil, resistencia al ensuciamiento (Ver figura 9), El diferencial de expansión térmica es aceptado por la disposición en espiral. Estas unidades de flujo curvado son particularmente útiles para el manejo de Fluidos que contienen sólidos o Fluidos viscosos. El conjunto espiral se puede equipar con tapas para proporcionar tres patrones de flujo:
ambos fluidos en flujo en espiral
un fluido en flujo en espiral y el otro en el flujo axial a través de la espiral
un fluido en flujo en espiral y el otro en una combinación de flujo axial y espiral.
Las unidades de Placa de espiral también son eficaces para condensadores y para aplicaciones de recuperación de calor.
Figura 9. Evaporadores de Placa en Espiral Fuente: Handbook of Evaporation Technology Pag.
88
1.6.2 Modelado de Evaporadores De Placas Las Placas estampadas están disponibles en una variedad de diseños, configuraciones y materiales de construcción. Los Evaporadores se pueden fabricar a partir de placas estampadas para servir como alternativa a los elementos tubulares. Placas modeladas a menudo son menos costosas que los elementos tubulares. Las Placas estampadas también pueden ser utilizadas dentro de los tanques en lugar de bobinas.
1.7 Marmita abierta o artesa. La forma más simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido (Figura 10). En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el líquido (9).
2. MATERIALES DE CONSTRUCCION
Siempre que es posible, los evaporadores se construyen con algún tipo de acero. Sin embargo, muchas disoluciones atacan a los metales férreos y se produce contaminación. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como cobre, níquel, acero inoxidable, grafito y plomo. Puesto que estos materiales son caros, resulta especialmente deseable obtener elevadas velocidades de transmisión de calor con el fin de minimizar el coste del equipo. Algunas soluciones depositan materiales solidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de
descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión.
3. COEFICIENTES TOTALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EVAPORADORES
El coeficiente total de transferencia de calor U un evaporador está constituido por el coeficiente del lado del vapor que se condensa, cuyo valor aproximado es de 5700 W/m2*K - (1000 Btu/h * pie2 *“F); por la pared metálica, que tiene una conductividad térmica alta y casi siempre una resistencia despreciable; por la resistencia de las incrustaciones en el lado del líquido, y por el coeficiente de la película líquida, que por lo general se forma en el interior de los tubos. El coeficiente del vapor de agua que se condensa en el exterior de los tubos puede estimarse usando la siguiente ecuación (1).
( )
La resistencia debida a la formación de incrustaciones es difícil de predecir. Al aumentar la velocidad de circulación del líquido en los tubos, la formación de incrustaciones se reduce
notablemente. Ésta es una de las mayores ventajas de bs evaporadores de circulación forzada. La incrustación puede estar formada por sales, tales como sulfato de calcio o sulfato de sodio, cuya solubilidad disminuye al aumentar la temperatura y, por tanto, tienden a depositarse en los tubos calientes. En el caso de evaporadores de circulación forzada es posible predecir el coeficiente h en el interior de los tubos cuando ahí hay poca o ninguna evaporación. La carga hidrostática del líquido en los tubos evita la ebullición casi por completo. Pueden usarse entonces las ecuaciones estudiadas para predecir el valor de h para líquidos en el interior de los tubos. Las velocidades empleadas suelen variar entre 2 y 5 m/s (7 y 15 pies/s). El coeficiente de transferencia de calor puede determinarse con la ecuación (2). Si hay algo de ebullición en alguno de los tubos o en todos ellos, el uso de la ecuación que supone que no hay ebullición dará resultados conservadoramente seguros.
[ ] En el caso de evaporadores de tubos verticales largos con circulación natural, es más difícil predecir el coeficiente de transferencia de calor, pues hay una zona sin ebullición en el fundo de los tubos y una zona de ebullición en la parte superior. La longitud de la zona sin ebullición depende de la transferencia de calor en ambas zonas y de la caída de presión en la región de ebullición de dos fases. El coeficiente de transferencia de calor en la película de la zona sin ebullición puede estimarse por medio de la ecuación (2).
En evaporadores de tubos verticales cortos, los coeficientes de transferencia de calor pueden estimarse con los mismos métodos de las unidades de tubos verticales Largos con circulación natural. Los evaporadores de tubos horizontales tienen coeficientes de transferencia de calor del mismo orden de magnitud de los evaporadores de tubos verticales cortos.
En el caso de evaporadores de película con agitación, el coeficiente de transferencia de calor puede Estimarse con la ecuación (3), correspondiente a un intercambiador de calor con raspadores de superficie.
( )( ) ( ) ( ) ( ) La resistencia global a la transmisión de calor entre el vapor de agua y el líquido en ebullición es la suma de cinco resistencias individuales: la resistencia de la película de vapor; las dos resistencias de las costras, interior y exterior de los tubos; la resistencia de la pared del tubo; y la resistencia del líquido en ebullición. El coeficiente global es el inverso de la resistencia total.
Estos métodos son útiles para el diseño de evaporadores en práctica o para evaluar los efectos de los cambios de condiciones de operación sobre los coeficientes. Al llevar a cabo diseños preliminares o estimaciones de costos, resulta conveniente contar con información
relativa a los coeficientes totales de transferencia de calor de los equipos comerciales. La tabla 1 da algunos valores y límites preliminares para diversos tipos de evaporadores.
Tabla 1. Coeficientes Globales de transferencia de calor por evaporador
Fuente: Geankoplis Pag. 532
4. FACTORES DE PROCESO QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE EVAPORACION
Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso. A continuación se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento.
4.1 Concentración en el líquido. Por lo general, la alimentación líquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de
transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.
4.2 Solubilidad. A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución. En la Mayoría de los casos, la solubilidad de la sal aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solución concentrada caliente que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalización.
4.3 Sensibilidad térmica de los materiales. Muchos productos, en especial los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado. Entre ellos están los materiales farmacéuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y del tiempo.
4.4 Formación de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma
durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material.
4.5 Presión y temperatura. El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación. Este fenómeno se llama elevación del punto de ebullición. Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termosensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vacío.
4.6 Formación de incrustaciones Algunas soluciones depositan materiales solidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador.
5. RENDIMIENTO DE LA EVAPORACION 5.1 Relación Tiempo-Temperatura Para evitar la degradación de los materiales sensibles al calor durante el procesamiento por mucho tiempo se ha reconocido que una temperatura de operación baja y un tiempo de residencia corto son esenciales. Normalmente, esto excluiría a los evaporadores tipo recirculación de dichos servicios, salvo cuando las altas concentraciones deben ser
alcanzadas. Un tiempo de residencia promedio expresado como volumen de tenencia dividido por la tasa de descarga se utilizó con frecuencia en el pasado para los evaporadores de un solo paso y los de recirculación. Sin embargo, el análisis estadístico de varios tipos de evaporadores, ha revelado que el tiempo real de sustitución del 97% de la alimentación en un evaporador de recirculación es de aproximadamente 3,2 veces el tiempo de residencia medio como se ha definido anteriormente. Se necesita más tiempo para reemplazar una fracción más grande de alimentación. El tiempo de residencia real alcanzado en cualquier evaporador puede calcularse a partir de la ecuación (4):
Donde
= Fracción de alimentación eliminada = Tiempo = razón del volumen de tenencia a velocidad de descarga (tiempo) La experiencia ha demostrado que el factor tiempo es más importante que el nivel de temperatura en la relación de tiempo / temperatura, y así el énfasis anterior en el mantenimiento de bajas temperaturas de funcionamiento en los evaporadores se ha desplazado hacia un control preciso de los tiempos de residencia bajos y temperaturas de funcionamiento relativamente más altas. Esto se ha traducido no sólo en mejores productos, sino también una menor inversión y costos de operación.
5.2 Presión Contra La Operación De Vacío La fuerza motriz de la evaporación es la diferencia de temperatura entre el medio de calentamiento y el líquido que se evapora. Por lo tanto no hay ninguna ventaja en mantener un vacío en el líquido si la diferencia de temperatura puede ser proporcionada por el aumento de la temperatura del medio de calentamiento. Una ventaja de la presión de operación es que las tasas de transferencia de calor de ebullición son más altas. El agua de refrigeración puede no ser necesaria si el vapor desde el último efecto puede ser utilizado para la energía térmica. También los problemas y costos asociados con los equipos de producción de vacío pueden ser eliminados. Los sistemas mecánicos de compresión son generalmente más económicos si las presiones de operación son superiores a la atmosférica. La operación a altas presiones (altas temperaturas) en muchos casos es aceptable si se presta la debida atención a el tiempo de residencia
5.3 Ahorro De Energía El costo más grande de la evaporación es el coste de la energía. Los evaporadores de simple efecto tienen limitada aplicación: sistemas por lotes, unidades de tamaño pequeño; aquellos que deben operar a bajas temperaturas para evitar la degradación del producto; aquellos que requieren la construcción de un evaporador caro. La eficiencia energética se puede mejorar mediante el uso de múltiples efectos, mediante el uso de bombas de calor, mediante intercambio de calor, y mediante el uso de condensadores de energía eficientes. La energía nunca puede ser utilizada-la primera ley de la termodinámica garantiza su conservación. Cuando se habla normalmente de “consumo de energía”, lo que realmente
queremos decir es bajar el nivel en el que la energía está disponible. La energía tiene un valor que cae bruscamente con el nivel. Los sistemas de contabilidad deben reconocer este hecho con el fin de asignar correctamente el uso de los niveles de energía. La mejor manera de conservar la energía es no “utilizarla” en el primer lugar. Por supuesto, esta es la meta de todos los ingenieros de proceso cuando se evalúa un proceso. Pero una vez que el mejor sistema, desde un punto de vista energético, se ha seleccionado, entonces la energía necesaria se debe utilizar de la mejor manera. El uso más eficiente del calor es por la transferencia de calor a través de un intercambiador de calor con la utilización de calor de proceso orientado o por generación de vapor de agua a niveles suficientes para permitir que sea utilizada en la planta de proceso directamente en forma de calor. Cuando el calor está disponible sólo a niveles demasiado bajos para permitir la recuperación en el proceso directamente, los ciclos térmicos de máquinas pueden ser utilizados para la recuperación de energía. Las bombas de calor también se pueden utilizar para “bombear” energía de un nivel bajo a un nivel más alto.
6. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES BIOLÓGICOS
La evaporación de varios materiales biológicos suele diferir de la de materiales inorgánicos como NaCl y NaOH, así como de los materiales orgánicos como el etanol y el ácido acético. Los materiales biológicos como los productos farmacéuticos, la leche, los jugos cítricos y los extractos vegetales, suelen ser muy sensibles al calor y con frecuencia contienen partículas muy finas suspendidas en solución. Además, y debido a los problemas de crecimiento bacteriano, el equipo debe diseñarse de tal manera que pueda limpiarse con facilidad. Muchos materiales biológicos en disolución presentan elevación del punto de
ebullición muy baja al concentrarse. Esto se debe a que los sólidos suspendidos en forma de partículas muy finas y los solutos disueltos de alto peso molecular, contribuyen muy poco a esta elevación. El grado de degradación de los materiales biológicos durante la evaporación está en función de la temperatura y del tiempo de procesamiento. Para mantener la temperatura baja, la evaporación debe hacerse al vacío, lo que reduce el punto de ebullición de la disolución. Para que el tiempo de contacto sea corto, el equipo debe tener un tiempo bajo de retención (tiempo de contacto) del material que se está evaporando.
