Dise%C3%B1o de Evaporadores

UNCP – FAIIA INGENIERÍA DE ALIMENTOS III

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INTRODUCCIÓN

El crecimiento de las industrias de proceso y el rápido desarrollo de nuevos productos ha proporcionado líquidos con una amplia gama de propiedades físicas y químicas, cuya concentración debe efectuarse mediante técnicas de evaporación. Éste ha sido un estímulo para el continuo perfeccionamiento del equipo de evaporación habitualmente disponible, y para la introducción de nuevas técnicas. El presente trabajo se enfoca en el diseño de evaporadores desde el punto de vista de las características del producto a evaporar y de los cálculos que se deben realizar. Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto El objetivo que se pretende alcanzar en el presente trabajo es dar a conocer ciertos parámetros que hay que tener presente cuando se ha de elegir un evaporador para determinado producto dado sus características. Además de conocer unos modelos matemáticos para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor en el intercambiador de calor que es un componente importante en el sistema de evaporación.

Los alumnos

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INDICE INTRODUCCIÓN INDICE MARCO TEÓRICO EVAPORACIÓN EVAPORADOR COMPONENTES BÁSICOS DE UN EVAPORADOR OPERACIÓN DE SIMPLE Y MULTIPLE EFECTO PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE EVAPORADORES CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDO QUE SE CONCENTRA CONCENTRACIÓN VISCOSIDAD FORMACIÓN DE ESPUMA FORMACIÓN DE COSTRAS SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA CALOR ESPECÍFICO TEMPERATURA DE EBULLICIÓN MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN EQUIPOS AUXILIARES DEL EVAPORADOR CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN DE CALOR COEFICIENTES DE LA PELÍCULA DE VAPOR COEFICIENTES DEL LADO DEL LÍQUIDO COEFICIENTES GLOBALES MODELOS DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EVAPORADORES ECONOMÍA DE UN EVAPORADOR CONSERVACIÓN DEL CALOR EN LOS SISTEMAS DE EVAPORACIÓN EVAPORACIÓN DE EFECTOS MÚLTIPLES ALIMENTACIÓN HACIA DELANTE ALIMENTACIÓN HACIA ATRÁS ALIMENTACIÓN EN PARALELO ALIMENTACIÓN MIXTA PRECALENTAMIENTO DEL LÍQUIDO DE ALIMENTACIÓN RECOMPRENSIÓN DEL VAPOR DISEÑO DE UN SISTEMA DE EVAPORACIÓN – CÁLCULOS DISEÑO DE UN EVAPORADOR DE EFECTO SIMPLE TIPOS Y SELECCIÓN DE EVAPORADORES SEGÚN LAS PROPIEDADES DE LAS DILUCIONES. EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN NATURAL EVAPORADOR ABIERTO EVAPORADORES DE TUBOS CORTOS HORIZONTALES EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN NATURAL CON CALANDRIA EXTERIOR EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS EVAPORADORES DE PELÍCULA ASCENDENTE EVAPORADOR DE PELÍCULA DESCENDENTE EVAPORADOR DE PELÍCULA ASCENDENTE – DESCENDENTE EVAPORADORES DE PLACAS EVAPORADORES DE FLUJO EXPANDIDO EVAPORADORES DE PELÍCULA DELGADA MECÁNICA EVAPORADORES A BAJA TEMPERATURA PROBLEMAS DE APLICACIÓN A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA DISCUSIONES DE LOS RESULTADOS CONCLUSIONES REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

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MARCO TEÓRICO

Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente:

1. EVAPORACIÓN La evaporación es la operación de concentrar una solución mediante la eliminación de disolvente por ebullición. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. Por lo general se detiene antes que el soluto comience a precipitarse de la solución.

2. EVAPORADOR Un evaporador consiste básicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solución y un dispositivo para separar la fase vapor del liquido en ebullición.. En su forma más simple puede ser una charola de líquido colocada sobre una placa caliente. La superficie de la placa caliente es un intercambiador de calor simple y el vapor se desprende en la gran área para flujo de vapor y su consecuente de baja velocidad de flujo. En la operación industrial se construye para una operación continua, la superficie de intercambio de calor se incrementa de un modo notable, la ebullición es sensiblemente mas violenta y la evolución del vapor es rápida.

3. COMPONENTES BÁSICOS DE UN UN EVAPORADOR EVAPORADOR Según Brennan y Butters (1980) menciona lo siguiente: Los sistemas de evaporadores industriales normalmente constan de: •

Un intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente de evaporación del alimento liquido. En la industria de los alimentos normalmente se utiliza como medio de calentamiento vapor saturado.

•

Un separador en el que el vapor se separa de la fase líquida concentrada. En los sistemas que operan a presión atmosférica el separador puede omitirse

•

Un condensador para condensar el vapor y eliminar el condensado del sistema.

4. OPERACIÓN DE SIMPLE Y MULTIPLE MULTIPLE EFECTO EFECTO

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Según Mc Cabe (1 982) menciona lo siguiente: La mayoría de los evaporadores se calienta con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado, de hasta de 0.05 atm absolutas. Al reducir la temperatura entre el vapor condensante y el liquido de ebullición y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisión de calor en el evaporador. Cuando reutiliza un solo evaporador procedente del liquido en ebullición se condensa y desecha. Este método recibe el nombre de evaporación de simple efecto, y aunque es sencillo, utiliza ineficazmente el vapor. Para evaporar un 1kg de agua de la disolución se requiere de 1 a 1.3 kg de vapor de agua. Si el vapor procedente de uno de los evaporadores introduce como alimentación en elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de este se envía al condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo efecto, y la evaporación obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentación al primer efecto es aproximadamente el doble. El método general para aumentar la evaporación por kilogramo de vapor de agua utilizando utili zando una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de Evaporadores Efecto

Múltiple. 5. PARÁMETROS QUE INTERVIENEN INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE EVAPORADORES EVAPORADORES Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente:

5.1. CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDO QUE SE CONCENTRA La solución práctica a un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. Precisamente es la gran variedad de características de dichos líquidos lo que amplia esta operación desde una sencilla transmisión de calor hasta un arte separado. Debido a la gran variedad de propiedades de las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores.

5.1.1. CONCENTRACIÓN

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Aunque la disolución que entra como alimentación de un evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración de la disolución adquiere cada vez un carácter individualista. La densidad y la viscosidad aumenta con el contenido de sólido hasta que la disolución o bien se transforma en saturada o resulta inadecuada para una transmisión de calor adecuada. adecuada. La ebullición continuada continuada de una disolución saturada da lugar a la formación de cristales, que es preciso separa pues de lo contrario obstruyen los tubos. La temperatura de ebullición de la disolución puede también aumentar considerablemente al aumentar el contenido de sólido, de forma que al temperatura de ebullición de una disolución concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presión.

5.1.2. VISCOSIDAD Los líquidos muy viscosos tienden a reducir las velocidades de circulación y a reducir los coeficientes de transferencia de calor . Puesto que, en general, la viscosidad de una solución sometida a evaporación aumenta con la concentración, es de esperar que a medida que discurre la evaporación descienda la velocidad de transferencia de calor.

5.1.3. FORMACIÓN DE ESPUMA Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Una espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos toda la masa de líquido puede salir con el vapor y perderse.

5.1.4. FORMACIÓN DE COSTRAS Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefacción. En estos casos el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega un 2005 - I


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momento en que es preciso interrumpir la operación y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difícil y costosa.

5.1.5. SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA TEMPERATURA Muchos productos alimenticios se dañan cuando se calienta a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos productos se necesita técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento.

5.1.6. CALOR ESPECÍFICO Es necesario conocer este parámetro por que nos permitirá calcular la cantidad de energía requerida para incrementar la temperatura del alimento a evaporar.

M. Orozco (1998) presenta unas ecuaciones empíricas para el cálculo de la capacidad calorífica a presión constante para alimentos.

Cp = XwCw + XsCs Donde: Xw es la fracción en peso de agua Cw es la capacidad calorífica del agua (Cw = 4.18 kJ/kgK) Xs es la fracción masa de sólidos Cs = 1.46 kJ/kgK es el calor especifico de los sólidos. la mayor contribución se debe al agua. Otra alternativa para calcular la capacidad calorífica en donde se conozca el contenido grave de los sólidos es:

Cp = (0.5mf + 0.3mSNG + mw )(4.18kJ/kgK) Donde: 2005 - I


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mf, mSNF y mW son las fracciones en masa de grasa, sólidos no graves y agua respectivamente. Si se conoce el análisis del alimento se puede utilizar para calcular las capacidades caloríficas del siguiente modo:

Cp = x w C w + x C C C + x P CP + x F C wC w CC C P C P FC F F + x AC A Donde: xW, xC, xP, xF, xA son las fracciones en peso del agua, los carbohidratos, las proteínas, las grasas y las cenizas.

C W W , C C C , C P P, C F F y C A son los calores específicos de los componentes. 5.1.7. TEMPERATURA DE EBULLICIÓN 5.1.7.1. FACTORES QUE INFLUYEN INFLUYEN EN EL PUNTO DE EBULLICIÓN EBULLICIÓN DE DE LA SOLUCIÓN. Según Brennan y Butters (1980) mencionan lo siguiente:

a. PRESIÓN EXTERNA Un líquido hierve cuando la presión de vapor que ejerce es igual a la presión externa a la que se haya sometido. En el caso de los productos alimenticios el solvente suele ser el agua, sustancia cuyas relaciones de presión de vapor y temperatura son bien conocidas.

Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente:

b. ELEVACIÓN DEL PUNTO PUNTO DE EBULLICIÓN La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto, 2005 - I


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para una presión dada, la temperatura de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura. El aumento del punto de ebullición sobre el del agua se conoce con el nombre de elevación del punto de ebullición de la disolución.

Es pequeño para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides orgánicos pero puede alcanzar un valor de hasta 150 ºF para disoluciones concentradas de sales inorgánicas. La elevación del punto de ebullición tiene que restarse de la caída de temperatura que se predice a partir de las tablas del vapor de agua. La elevación real del punto de ebullición con el cambio de concentración con frecuencia puede conocerse mediante la regla de de Dühring , regla empírica que establece que el punto de ebullición de

una solución es función lineal del punto de ebullición del solvente a la misma presión.

c. EFECTO DE LA CARGA DE LÍQUIDO Y DE LA FRICCIÓN Si la profundidad del líquido en un evaporador es apreciable, el punto de ebullición correspondiente a la presión en el espacio de vapor es el punto de ebullición solamente de las capas superficiales del líquido. Una gota de liquido situada a una distancia de “Z” pies por debajo de la superficie está sometida a la presión del espacio de vapor más una carga de Z pies de liquido y, por consiguiente, tiene un punto de ebullición más elevado. Además, cuando la velocidad del líquido es grande, las pérdidas por fricción en los tubos aumentan todavía más la presión media del líquido. Por tanto, en un evaporador real el punto de ebullición correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor. Este aumento del punto de ebullición disminuye la caída media de temperatura entre el vapor de agua condensante y el líquido y reduce la capacidad de un evaporador. La reducción no puede estimarse cuantitativamente con precisión, pero el efecto cualitativo de la carga de líquido, especialmente con elevadas alturas de líquido y grandes velocidades, no puede ignorarse.

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5.1.8. LIBERACIÓN DE GAS DURANTE DURANTE LA EBULLICIÓN 5.1.9. PELIGROS DE EXPLOSIÓN 5.2. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Siempre que es posible los evaporadores se construyen con algún tipo de acero. Sin embargo, muchas disoluciones atacan a los metales ferrosos y se produce contaminación. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como el cobre, níquel, acero inoxidable, grafito y plomo. Puesto que estos materiales son caros, resulta especialmente deseable obtener elevadas velocidades de transmisión de calor con el fin de minimizar el coste del equipo.

5.2.1. EQUIPOS AUXILIARES DEL EVAPORADOR EVAPORADOR Según Brennan, Butters, Cowell, Lilly (1980) mencionan lo siguiente: Debido a que casi todos los sistemas de evaporación empleados en el procesado de alimentos operan a presión inferior a la atmosférica, se precisan condensadores de vapor y bombas de vacío o inyectores. La atmósfera presente en un evaporador consta de: •

Vapor condensable

•

Gases inconfensables (aires que penetra en el sistema por las fugas y el resultante de la desgasificación de los líquidos lí quidos de alimentación).

En la evaporación a vacío la presión parcial del vapor de agua y la eliminación de los gases inconfensables con una bomba o inyector.

5.2.2. CONDENSADORES Los condensadores de superficie (condensadores tubulares alojados en cámara de enfriamiento) se emplean cuando el vapor condensado no se puede mezclar con el agua de enfriamiento en comparación con los condensadores de aspersión utilizados comúnmente en las industrias de los alimentos.

5.2.3. BOMBAS DE VACÍO 2005 - I


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Para evacuar los evaporadores se usan comúnmente bombas de desplazamiento positivo y inyectores de chorro de vapor. vapor. En el inyector de chorro se hace pasar a través de una boquilla vapor a alta presión, que penetra en una cámara en que arrastra al vapor de agua agua y a los gases presentes. El vapor de agua y los gases pasan, a alta velocidad, a una sección convergente –divergente de la cámara, en la que la energía de velocidad se convierte en energía de presión. Un inyector único es capaz de producir un vacío de unos 16.7 kN/M2, una unidad doble de unos 3.4 kN/m2 y un eyector de tres fases un vacío inferior a 1 kN/m2. es importante tener en consideración que equipo de vacío es responsable de la eliminación del sistema de los gases no condensables. No es responsable en cambio del mantenimiento de la temperatura de ebullición deseada, función que corresponde al condensador. En cualquier tipo de condensador el rendimiento global depende en gran parte de la velocidad de flujo del agua de enfriamiento y de su temperatura. Muchas dificultades de operación en los sistemas evaporadores surgen porque las condiciones del agua de enfriamiento son inadecuadas.

5.2.4. SEPARADORES DE ARRASTRE Cuando las velocidades de evaporación son elevadas el vapor de agua puede arrastrar gotitas del líquido en ebullición. Para reducir esta pérdida de líquido concentrado, que es arrastrado por el vapor, se utilizan separadores de arrastre. Los separadores de arrastre pueden consistir en una simple lámina de choque o en una persiana de láminas inclinadas que se colocan en la proximidad de la salida de vapor. También se esta popularizando en estos separadores el empleo de esponjas metálicas entretejidas de acero inoxidable u otro material.

5.2.5. COLECTOR DE DE CONDENSADO CONDENSADO Y ESPITAS DE PURGA Debe resaltarse que para conseguir la máxima economía térmica y transferencia de calor, todo equipo que utilice vapor como medio de calentamiento del proceso debe estar dotado de sistemas adecuados de eliminación del condensado y de purga de gases inerte. Los cambiadores de calor que no han sido adecuadamente

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purgados y que están parcialmente inundados de agua son causa del bajo rendimiento de las plantas de evaporación.

5.3. CAPACIDAD DE UN EVAPORADOR Según Mc Cabe (1982) menciona lo siguiente: La capacidad de un sistema de evaporación es la cantidad de masa de solvente (agua) evaporado por hora. Esta capacidad esta íntimamente relacionada con la velocidad de transmisión

de calor “q” a través de la superficie de calefacción de un evaporador. El conocimiento de esta velocidad es un requisito importante en el diseño, en la selección y en la operación de evaporadores.

q = UA ΔT

(Ecc. Nº 01)

Si la alimentación que entra en el evaporador está a la temperatura de ebullición correspondiente a la presión existente en el espacio de vapor, todo el calor transmitido a través de la superficie de calefacción es utilizado en la evaporación y la capacidad es proporcional a q. si la alimentación esta fría, el calor que se requiere para calentarla hasta su temperatura de ebullición puede ser bastante grande y, consecuentemente, se reduce la capacidad para un valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para calentar la alimentación no esta disponible para la evaporación. Por lo contrario, si la alimentación está a una temperatura superior a la de ebullición en el espacio de vapor, una parte de la alimentación se evapora espontáneamente mediante equilibrio adiabático con la presión del espacio de vapor y la capacidad es superior a la correspondiente a q. este proceso recibe el nombre de evaporación de flash. La caída de temperatura a través de la superficie de calefacción depende de la disolución que se evapora, de la diferencia de presión entre la cámara de vapor y el espacio de vapor situado encima del liquido liquido en ebullición, ebullición, así como de la altura de liquido en los tubos también influye sobre la caída de temperatura debido a que la

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pérdida por fricción en los tubos aumenta la presión efectiva del liquido. Cuando la disolución tiene las características del agua pura, su temperatura de ebullición puede obtenerse a partir de las tablas de vapor de agua conocida la presión. Sin embargo, en los evaporadores reales la temperatura de ebullición de una disolución está afectada por dos factores: el ascenso del punto de ebullición y la carga del líquido.

5.3.1. COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN TRANSMISIÓN DE CALOR Según la ecuación uno la velocidad de transmisión de calor y la capacidad del evaporador están afectadas tanto por la caída de temperatura como el coeficiente global de transmisión de calor. La caída de temperatura esta fijada por las propiedades del vapor de agua y del líquido que hierve y, excepto por lo que respecta a la carga hidrostática, no depende de la construcción del evaporador. Por otra parte, el coeficiente global está fuertemente influenciado por el diseño y la forma de operación del evaporador. La resistencia global a la transmisión de calor entre el vapor de agua y el líquido en ebullición es la suma de cinco resistencias individuales: la resistencia de

la película de vapor, las dos resistencias de las costras, interior y exterior de los tubos; la resistencia de la pared del tubo; y la resistencia del líquido en ebullición. El coeficiente global es el inverso de la resistencia total. En la mayoría de los evaporadores el factor de ensuciamiento del vapor de agua condensante y la resistencia de la pared del tubo son muy pequeños, y generalmente pueden despreciarse en el cálculo de evaporadores. En un evaporador de película agitada la pared del tubo es bastante gruesa, de forma que su resistencia puede ser una parte importante de la resistencia total.

5.3.1.1. COEFICIENTES DE LA PELÍCULA DE VAPOR El coeficiente de la película de vapor de agua es elevado, aun para la condensación en película. A veces se adicionan promotores al vapor de agua para provocar la condensación en gotas y aumentar todavía más el coeficiente. Puesto que la presencia de gases no condensables reduce sustancialmente el coeficiente de película del vapor, es preciso tomar precauciones para purgar los

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no condensables condensables de a caja de de vapor prevenir la entrada entrada de aire aire cuando el vapor de agua está a una presión inferior a la atmosférica. Se conocen perfectamente los coeficientes de película del vapor condensado tanto en el interior de tubos como sobre bancos de tubos que son del orden de 5 – 15 kW/m 2ºC.

5.3.1.2.

COEFICIENTES DEL LADO DEL LÍQUIDO

El coeficiente del lado del líquido depende en gran medida de la velocidad del líquido sobre la superficie de calefacción . Estos coeficientes suelen ser

mayores en los sistemas de circulación forzada que en los de circulación natural. En la mayoría de los evaporadores, especialmente en los que tratan materiales viscosos, la resistencia del lado del liquido controla la velocidad global de transmisión de calor hacia el líquido en ebullición. En los evaporadores de circulación natural el coeficiente coeficiente del lado del líquido para disoluciones acuosas acuosas diluidas está comprendido entre 200 y 600 Btu/pie 2 h ºF. La circulación forzada conduce a coeficientes elevados del lado del líquido aun cuando la ebullición ebullición dentro de los tubos es suprimida suprimida por la elevada carga estática. La formación de costras sobre los tubos de un evaporador añade una resistencia térmica equivalente a un factor de ensuciamiento.

5.3.1.3.

COEFICIENTES GLOBALES

Debido a la dificultad de medir los elevados coeficientes de película individuales en un evaporador, los resultados experimentales generalmente se expresan en función de coeficientes globales, que están basados en la caída neta de temperatura corregida para tener en cuenta la elevación del punto de ebullición. Los coeficientes globales están, por supuesto, influenciados por los mismos factores que los coeficientes individuales; pero, si una resistencia (tal como la película del líquido) es controlable, variaciones importantes de las demás resistencias apenas tendrían efecto sobre el coeficiente global.

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Según Perry (2001) menciona lo siguiente: Una pequeña acumulación de costras reduce el coeficiente a una pequeña fracción de los valores para tubos limpios. Un evaporador de película agitada produce un coeficiente aparentemente bajo con un líquido de una viscosidad de 100 Pa pero este coeficiente es mucho mayor que el que podría obtenerse con cualquier otro tipo de evaporador que tratase un material tan viscoso. En lo evaporadores de circulación natural el coeficiente global es sensible a la caída de temperatura y a la temperatura de ebullición de la disolución. Con líquidos de baja viscosidad los coeficientes de transmisión de calor son elevados, del orden de 1000 a 2000 Btu/pie 2 h ºF para agua.

5.3.1.3.1. MODELOS DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA EVAPORADORES a) EVAPORACIÓN POR CIRCULACIÓN FORZADA. La carga hidrostática evita la ebullición en la superficie de calentamiento, pueden predecirse coeficientes de transmisión de calor a partir de las correlaciones habituales para el vapor de condensación. El coeficiente de película se mejora cuando no se suprime por completo la ebullición. Cuando solo la película cercana a la pared está por encima del punto de ebullición, BOATS, BADGER Y MEISENBERG (1937) descubrieron que

los resultados pueden correlacionarse mediante la ecuación (Ecc. N° 02), empleando una constante 0.0278 en lugar de 0.023. En estos casos el uso de la temperatura del líquido todavía puede calcularse a partir de la velocidad conocida de circulación y la entrada de calor. Cuando la masa del líquido hierve, a lo largo de la longitud del tubo, el coeficiente de película es aun más elevado; sin embargo la temperatura del líquido comienza a caer a medida que desarrolla la ebullición completa y es difícil estimar la transmisión de calor suponiendo que no existe una ebullición 2005 - I


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masiva. Frangen y Badger (1936) obtuvieron una correlación empírica de coeficientes globales de transmisión de calor para este tipo de evaporadores, basándose en el valor de

ΔT

a la

entrada del calentador. En unidades comunes de Estados Unidos:

U = 2.020D0.57 (VS)3.6/L / u0.25 . ΔT 0.1 .................(Ecc. N° 02) Donde: D = diámetro medio del tubo. Vs = velocidad de entrada. Ч =

viscosidad liquido.

Esta ecuación se basa principalmente, en experimentos con tubos de cobre de 0.002m de diámetro externo, espesor de 0.00165m. (Calibre 16), longitud de 2.44m. (8ft), aunque también incluye datos con tubos de 0.0127 m. (1/2 in) y longitud de 2.44 m. (8 ft), y tubos de 0.00254 m (1 in) y longitud de 3.66 m (12 ft).

b) EVAPORADORES VERTICALES DE DE TUBO CORTO El comportamiento es, fundamentalmente, del nivel térmico, la diferencia de temperatura y viscosidad. Aunque el nivel del líquido puede tener, una influencia también importante, este se encuentra normalmente solo a niveles bajos de los que se consideran seguros para operaciones industriales. Los

coeficientes globales de transferencia de calor se muestran en la figura N° 01 para un evaporador tipo cesta, al hacer hervir el agua en tubos de acero de 0.051 m (2 in) de diámetro externo. 0.0028 m (calibre 12) de espesor de pared, y 1.22 m (4 ft) de longitud ( Badger y Shepard – 1920), manteniendo un 2005 - I


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nivel de líquido superior en el haz de tubos. Foust , Baker y Badger (1939), midieron las velocidades de recirculación y os

coeficientes de transmisión de calor en el mismo evaporador, con la excepción de que emplearon tubos de 0.064 m ( 2.5 in) , 0.0034 m de espesor de pared ( calibre 10), y 1.22 m ( 4 ft) de longitud; con diferencias de temperaturas de 7 a 26°C ( 12 a 46°F). En el intervalo normal de niveles de líquido, sus resultados pueden expresarse de la siguiente manera:

0.4

Uc =

0.22 b(ΔTc N pr

(V g

− V t )

0.37

.................(Ecc. N° 03)

Donde: b = 153(SI) o 375 (unidades U. S.) y el subíndice c se refiere a la temperatura real de líquido, que en esas condiciones fue de aproximadamente 0.56°C (1 ° F ) por encima de la temperatura de la carga de vapor. Este trabajo se lleva a cabo con agua.

Figura Nº 01

Fuente: Perry (2001).

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c) RANGO GENERAL GENERAL DE COEFICIENTES GLOBALES DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EVAPORADORES VERTICALES DE TUBOS LARGOS (LTV) Estos se encuentran habitualmente e la práctica comercial. Loa coeficientes más elevados corresponden a la evaporación de soluciones diluidas, mientras que el intervalo mas bajo corresponden los líquidos viscosos. En la figura N° 02, la curva de guiones representa el límite inferior aproximado, para líquidos con viscosidades del orden de 0.1Pa.s (100 centipoises). El evaporador LTV no funciona adecuadamente con diferencias de temperaturas bajas, como lo indican los resultados que se muestran en la figura N° 03, por ejemplo para el agua del del mar, en tubos de latón de 0.051 m (2 in), de 0.028 m (calibre 12), con 7.32 m (24 ft) de longitud . El alimento se introduce a la temperatura de ebullición y a la presión de carga del vapor variando las velocidades de alimento desde 0.025 a 0.050 kg/(s.tubo), a la temperatura mas alta, hasta 0.038 a 0.125 kg/(s.tubo), a la temperatura mas baja. Los evaporadores de película descendente encuentran su más amplio uso a las bajas diferencias de temperaturas y también a bajas temperaturas. En la mayoría de las condiciones de evaporación encontradas, la transmisión de calor tiene lugar casi completamente por convección pura, con una contribución despreciable de la ebullición nucleada. Existe una correlación grafica donde muestra curvas que cubren la transmisión de calor en películas descendentes hacia líquidos que no están en ebullición, que son aplicados al evaporador de película descendente. ( Kunz y Yerazunis – 1939) han publicado el intervalo cubierto de propiedades físicas como se muestra en la figura N° 04. El punto de ebullición en los tubos de un evaporador de este tipo es mayor que en la cara del vapor, debido a la caída de 2005 - I


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presión por fricción y la carga necesaria para acelerar el vapor hasta la velocidad de salida del tubo. Estos factores, que pueden predecirse fácilmente, hacen que los coeficientes globales sean

algo menores que los correspondientes

condiciones de no ebullición. En la figura N° 03 se muestra los coeficientes de agua de mar, de película descendente, que utiliza los mismos tubos y las mismas velocidades de flujo que en los ensayos de película ascendentes.

Figura Nº 02

Fuente: Perry (2001). Figura Nº 03

Fuente: Perry 2001

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Figura Nº 04

Fuente: Perry 2001 Los coeficientes de transmisión de calor en evaporadores de película agitada dependen, principalmente, de la viscosidad del líquido, este tipo de evaporadores normalmente, solo se justifica para materiales muy viscosos viscosos como son algunos algunos alimentos. En la figura figura N° 05 se muestran rangos generales de los coeficientes muy elevados ( Hauschild – 1953). Cuando se emplea con fluidos no viscosos un evaporador de película enjugada con superficies externas estriadas pueden obtenerse coeficientes muy elevados. elevados.

Figura Nº 05

Fuente: Perry 2001

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5.4. ECONOMÍA DE UN EVAPORADOR La economía de un sistema de evaporación es la masa total de solvente evaporada por cada masa de vapor de agua alimentado al sistema de evaporación. El principal factor que influye sobre la economía de de un evaporador es el número número de efectos. Mediante un diseño adecuado, la entalpía de vaporización del vapor de agua que entra en el primer efecto puede utilizarse una o más veces dependiendo del número de efectos. La economía también está influenciada por la temperatura de la alimentación. Si la temperatura es inferior a la de ebullición en el primer efecto, para el calentamiento de la carga se utiliza una parte de la entalpía de vaporización del vapor de agua y solamente una parte queda disponible para la ocupación. Si la temperatura esta a una temperatura superior a la de ebullición, la vaporización súbita que se produce contribuye a generar una evaporación adicional a la producida por la condensación del vapor de agua. Desde el punto cuantitativo la economía de un evaporador es totalmente una cuestión de balance de entalpía.

5.5. CONSERVACIÓN DEL CALOR EN LOS SISTEMAS DE EVAPORACIÓN Según Brennan, Butters, Cowell, Lilly (1980) mencionan lo siguiente: El vapor que sale de un evaporador contiene calor que se pierde si el vapor de deja escapar. La reutilización de este calor reduce los costos de operación de la planta.

5.5.1. EVAPORACIÓN DE EFECTOS EFECTOS MÚLTIPLES

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El vapor que sale de un evaporador puede utilizarse como medio de calentamiento de la calandria de un segundo evaporador siempre que la temperatura de ebullición de este evaporador sea lo suficientemente baja para mantener una diferencia de temperatura apropiada. Esto se consigue mediante la operación de efectos sucesivos a presiones cada vez más reducidas. La reutilización del calor por este método puede extenderse a varios efectos y se denomina evaporación de efectos múltiples. Debe entenderse que la evaporación de efectos múltiples no proporciona mayores rendimientos que los que se obtienen con los sistemas de efecto único de igual superficie cambiadora de calor. El objeto de la operación de efectos múltiples consiste en mejorar la economía térmica global del proceso y no en aumentar la capacidad de la planta. Como regla aproximada se puede decirse que una simple unidad requiere alrededor de 1.3 Kg. de vapor para evaporar 1 Kg. de agua, una unidad de doble efecto alrededor de 0.6 Kg. de vapor por Kg. de agua y una unidad de triple efecto 0.4 Kg. Kg. de vapor por Kg. de agua. En general, cuanto mayor sea el número de efectos, tanto mayor es la economía de vapor. El precio de la economía de vapor y el capital que cuestan la instalación aumentan con el número de efectos. Puede demostrarse que el área de cada uno de los efectos en un sistema múltiple tiene que ser la misma que la de un efecto único si las condiciones de evaporación global son las mismas. El costo de “n” efectos es aproximadamente “n” veces el costo de un efecto simple y, por tanto, el costo de capital de una planta se eleva rápidamente al aumentar el numero de efectos. El número óptimo de efectos es aquel en que se equilibran los costos de operación reducidos y los mayores costos de capital invertido. Normalmente no se encuentran plantas que que tengan evaporadores más de cinco o seis efectos. 2005 - I


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5.5.2. OPERACIONES DE LOS SISTEMAS DE EVAPORACIÓN DE EFECTOS EFECTOS MÚLTIPLES 5.5.2.1. ALIMENTACIÓN HACIA DELANTE Es el sistema de alimentación más simple y común. El liquido de alimentación va hacia delante en la misma dirección que los evaporadores, es decir, del primer efecto al segundo, de este al tercero, etc. Solo se requiere una bomba de extracción y el efecto final opera a baja presión. En este sistema de alimentación la viscosidad del liquido que se procesa aumenta durante su paso a través de la planta debido tanto al aumento progresivo de concentración como la reducción progresiva de la temperatura de un efecto a otro. El coeficiente global de transferencia de calor es por tanto bajo en los últimos efectos. Sin embargo, es menor el riesgo de que el líquido más viscoso sea dañado por el calor debido a la menor temperatura de los últimos efectos. En la calandria del primer efecto se condensa vapor de agua de alta calidad. Si inicialmente el líquido de alimentación tiene una temperatura inferior a su punto de ebullición, parte del calor transferido es utilizado en el precalentamiento del líquido de alimentación. Puesto que entonces el calor disponible para la vaporización es menor, en el segundo efecto se condensa menor vapor, hecho que se repite en los siguientes efectos. El resultado final es una perdida en la economía de vapor.

5.5.2.2. ALIMENTACIÓN HACIA ATRÁS En este sistema de alimentación es preciso intercalar bombas entre los diferentes efectos. El liquido de alimentación mas frió y diluido se calienta con el vapor mas agotado, fluyendo liquido y vapor a contracorriente. Con este sistema se consigue cierta economía de vapor. El aumento de la viscosidad por concentración se compensa por las mayores temperaturas que va adquiriendo el líquido, ya que el líquido creciente viscoso encuentra superficies cada vez mas calientes al pasar de un efecto al siguiente. En el sistema es preciso sin embargo tener cuidado para evitar el “chamuscado” localizado. 2005 - I


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5.5.2.3. ALIMENTACIÓN EN PARALELO Se usa normalmente en los evaporadores de cristalización. Este modo de operación permite mejor control de la operación de cristalización y evita la necesidad de bombear mezclas densas entre diferentes efectos, con los consiguientes problemas de flujo.

5.5.2.4. ALIMENTACIÓN MIXTA Es un método que se usa comúnmente en las plantas de un alto número de efectos. Es el resultado del compromiso entre la mayor simplicidad de la “alimentación hacia delante” y la mayor economía de la alimentación hacia atrás”. El método es útil cuando se manipulan líquidos muy viscosos y se recomienda cuando los aumentos de viscosidad con la concentración son grandes.

5.5.3. PRECALENTAMIENTO DEL LÍQUIDO DE ALIMENTACIÓN ALIMENTACIÓN Un segundo método empleado en la conservación del calor consiste en usar el vapor caliente de un evaporador de efecto único para precalentar el liquido de alimentación frió. Puesto que la temperatura del vapor es baja, el área de la superficie de calentamiento debe ser grande.

5.5.4. RECOMPRENSIÓN DEL VAPOR Otro método de conservación de calor es la recomprensión de vapor. Este método el vapor de un evaporador se comprime y retorna a la calandria. Al aumentar la presión aumenta la temperatura de condensación del vapor. Existen dos métodos de recomprensión: •

La recomprensión mecánica del vapor utilizando una bomba mecánica.

•

La recomprensión térmica del vapor empleando un comprensor de chorro de vapor.

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El uso de los sistemas de recomprensión de vapor puede, en algunos casos, producir considerablemente economía en la necesidad total de energía en comparación con la evaporación de efectos múltiples. La recomprensión mecánica del vapor es preferible cuando se trata de concentrar soluciones diluidas, ya que este método es económicamente ventajoso cuando son aceptables pequeñas diferencias de temperatura entre el medio de calentamiento y el líquido en ebullición, como ocurre cuando se concentran soluciones diluidas de baja viscosidad. Los sistemas de evaporación de efectos múltiples que incorporan la recomprensión del vapor en uno o mas efectos se usan crecientemente por su economía térmica

6. DISEÑO DE UN SISTEMA DE EVAPORACIÓN EVAPORACIÓN - CÁLCULOS CÁLCULOS Según C.H. Holland (1981) menciona lo siguiente: El diseño de un evaporador se toma generalmente como la determinación del área de transferencia de calor y el consumo de vapor requerido para efectuar una separación especifica a unas condiciones determinadas de operación en estado estacionario. Además es optimizar la capacidad de evaporación y la economía de vapor para reducir costos de operación. Por otro lado para el diseño de sistemas de evaporación es necesario tener presente las características del producto a evaporar para decidir el tipo de materiales en la construcción del evaporador. Además, y debido a los problemas de crecimiento microbianos, el equipo debe diseñarse de tal manera que pueda limpiarse con facilidad. Por último dado el grado de degradación de los materiales biológicos (productos farmacéuticos, la leche, los jugos cítricos y los extractos vegetales) durante la evaporación por temperaturas altas, es necesario mantener la temperatura baja durante la evaporación por lo que la evaporación debe hacerse al vacío para reducir el punto de ebullición de la solución; todo esto implica también probar y calcular la resistencia del evaporador para que resista presiones inferiores a la atmosférica.

6.1. DISEÑO DE UN EVAPORADOR DE EFECTO SIMPLE 2005 - I


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Según C.H. Holland (1981) menciona lo siguiente: Las ecuaciones que describen un evaporador de efecto simple se derivan de la siguiente manera. Los balances de materia por componente para el soluto y el solvente son:

BALANCE DE MATERIA Balance del soluto: FX = Lx

V = flujo de vapor

Balance del solvente: F(1 – X ) = V + (1 – x)

X = fracción en masa del soluto en el alimento

Balance de materia total: F = V + L

x = fracción en masa del soluto en el licor concentrado

Donde: F = flujo de alimentación L = flujo de liquido concentrado

Donde: BALANCE ENTÁLPICO

hf = entalpía del alimentación

ALREDEDOR DEL PROCESO

hL = entalpía del licor concentrado H V V = entalpía del vapor secundario a

F hf + Q – V H V V – L hL = 0

la temperatura

Pero como como V = F - L

Q = velocidad del calor transferido a

F ( hf - hL ) + Q – ( F – L ) (H – h ) = 0

través de los tubos (desde el vapor de agua hacia el licor concentrado)

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Balance de la entalpía en el vapor de agua VoHo – Q – VohO = 0 Q = Vo(Ho – ho) = Vo hfg

Donde: hfg = es el calor latente de vaporización del vapor de agua que entra.

Donde: U = coeficiente de transferencia de calor, A = área superficial de lo tubos

Velocidad de transferencia de calor Q

disponibles para la transferencia de calor To = temperatura de saturación del vapor

Q = UA(To – T)

de agua que entra al primer efecto T = temperatura de ebullición del licor concentrado a la presión del espacio con vapor

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b

7. TIPOS Y SELECCIÓN SELECCIÓN DE EVAPORADORES EVAPORADORES SEGÚN LAS PROPIEDADES PROPIEDADES DE LAS DILUCIONES. Según Brennan, Butters, Cowell, Lilly (1980) mencionan lo siguiente:

7.1. EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN NATURAL 7.1.1. EVAPORADOR ABIERTO Son los evaporadores comerciales más simples que existen y son muy populares por su baratura. Aunque el depósito de estos evaporadores puede calentarse directamente, lo más frecuente frecuente es que estén estén provistos, bien de una camisa de calentamiento externa o de un serpentín interno a través del cual pasa el medio transferidor de calor. En estas unidades las velocidades de evaporación son son bajas y la economías de térmica es pobre. pobre. Los depósitos 2005 - I


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pueden cerrarse para permitir la operación a vacío. La agitación favorece la transferencia de calor, aumentando su velocidad, y reduce el riesgo de chamuscado del producto que contacta con las superficies de calentamiento. Estos evaporadores evaporadores simples se usan para para concentrar la pulpa de tomate, en la preparación de sopas y salsas y en la ebullición de mermelada y productos de confitería. Los evaporadotes evaporadotes de camisa pequeños son son muy útiles, pero pero en los de mayor capacidad la relación superficie transferente de calor a volumen de líquido se reduce considerablemente y el calentamiento se hace menos efectivo. Los serpentines de calentamiento internos que se instalan en las unidades mayores pueden dificultar la circulación del líquido y reducir por tanto la velocidad de transferencia de calor. Generalmente cuando se requieren unidades de gran capacidad son preferibles otros tipos de evaporadores que ofrecen mayores ventajas.

7.1.2. EVAPORADORES DE TUBOS CORTOS HORIZONTALES HORIZONTALES

En este tipo de evaporador la parte inferior de la cámara esta atravesada por un

banco de de tubos horizontales calentados internamente por vapor. vapor. Por

encima del calentador existe un amplio espacio para permitir la separación por gravedad de las gotitas liquidas que son arrastradas con el vapor desprendido 2005 - I


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del liquido de la base. Para reducir aun más el arrastre y facilitar la separación pueden disponerse en el interior de este espacio láminas de choque separadoras. El banco de tubos horizontales dificulta la circulación y en consecuencia los coeficientes globales de transmisión de calor de este tipo de evaporadores son bajos. Este tipo de unidad se destinaba originalmente a la evaporación de líquidos de escasa viscosidad que no formaban espumas ni costras.

7.1.3. EVAPORADORES DE TUBOS TUBOS CORTOS VERTICALES Este tipo de unidad se usa mucho en procesos industriales, llegándose a conocer como el “evaporador normal.” En él se condensa sobres la superficie exterior de tubos dispuestos verticalmente. La calandria o conjunto de tubos que atraviesan la cámara de vapor frecuentemente posee un tubo de retorno central que normalmente ocupa al menos el 40 % del área de flujo de los tubos de ascensión. Puesto que el líquido situado en el tubo de retorno está mas frío que el de los tubos calentadores de ascenso se crea corrientes de circulación natural la longitud de los tubos oscila entre 0.5 y 2 m y el diámetro entre 12 y 75 mm.

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Cuando se concentran por evaporación líquidos formadores de costras los tubos deberán estar cubiertos por el líquido para que la deposición de material sea mínima. Las unidades pueden equiparse con calandrias de cesta que se pueden desmontar fácilmente para limpiarlas. Este tipo de evaporador alcanza buenas velocidades de evaporación con líquidos de viscosidad moderada, no corrosivos y poco tendentes a la formación de costras. Entre sus aplicaciones típicas se hallan la concentración de soluciones de azúcar de caña, de azúcar de remolacha, glucosa, extracto de malta, sal y zumos de frutas.

7.1.4. EVAPORADOR DE CIRCULACIÓN NATURAL CON CALANDRIA EXTERIOR

En esta unidad la calandria esta fuera del espacio separador de vapor. La construcción es simple y permite fácil acceso al haz de tubos. La calandria frecuentemente se distribuye por un cambiador de calor de ‘placas, que resulta particularmente útil cuando es previsible la deposición de costras o la degradación del producto. A pesar de que se mantiene en recirculación grandes volúmenes de líquido los evaporadores de este tipo que operan a presiones reducidas se usan profusamente para la concentración de productos

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alimenticios sensibles al calor como la leche, los extractos carnicol y los jugos de frutas.

7.2. EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA Los evaporadores con calandrias externas con frecuencia operan como unidades de circulación forzada. Tales unidades son capaces de concentrar líquidos viscosos con lo que se consigue mantener velocidades de circulación adecuadas mediante centrifugas y cuando son más más viscosos se usan bombas centrifugas centrifugas y cuando son más viscosos se usan bombas de desplazamiento positivo.

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En algunos evaporadores de cristalización se monta una hélice impulsora en el tubo central de retorno al objeto de aumentar la circulación del líquido.

7.3. EVAPORADORES DE TUBOS LARGOS Estos evaporadores constan de una cámara vertical provistas de cambiadores de calor tubulares. Como medio de calentamiento suele utilizarse vapor que se condensa en el interior de la cámara.

7.3.1. EVAPORADORES DE PELÍCULA PELÍCULA ASCENDENTE

Los evaporadores típicos de este tipo poseen tubos de 3 – 12m de longitud y 25 – 50 mm de diámetro. E líquido penetra por la parte inferior de los tubos, 2005 - I


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precalentando casi a ebullición, y comienza a hervir al ascender una corta distancia. La expansión debida a la vaporización hace que se formen burbujas de vapor que ascienden a alta velocidad por los tubos arrastrando líquido hacia la parte superior. A medida que el liquido asciende se va concentrando y, en condicione óptimas, el vapor arrastra hacia arriba la pared de los tubos una fina película de liquido que se concentra rápidamente. La mezcla de vapor liquido que emerge por la parte superior de lo tubos pasa seguidamente a un separador en el que se elimina el vapor. El liquido liquido concentrado concentrado para ser recirculado o se puede pasar un segundo evaporador para proseguir su concentración. Este tipo de evaporadores el tiempo de residencia en la zona de calentamiento es corto y los valores U son elevados, razón por la cual los evaporadores de película ascendente son útiles para concentrar productos sensibles al calor.

7.3.2. EVAPORADOR DE PELÍCULA PELÍCULA DESCENDENTE

Es similar al anterior pro el liquido de alimentación precalentado entra por la parte superior del haz de tubo. a medida que tiene lugar la evaporación, el vapor que se forma desciende por la parte central de los tubos formando un chorro de alta velocidad que arrastra el liquido. Puesto que en los tubos no existe cabeza hidrostática de, líquido es posible mantener una baja temperatura de ebullición uniforme. Los tiempos de residencia son cortos y por tanto la unidad es excelente para la concentración de productos sensibles al calor. Se usa con profusión para concentrar jugos cítricos con los que se obtienen altas velocidades de evaporación a temperaturas tan bajas como 10 16 ºC operando a vacío. vacío. 2005 - I


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Los evaporadores de película descendente están adquiriendo importancia creciente en la industria de los alimentos, especialmente en el sector lácteo.

7.3.3. EVAPORADOR DE PELÍCULA ASCENDENTE ASCENDENTE – DESCENDENTE Frecuentemente se utiliza una combinación de la evaporación en película ascendente y en película descendente. En este tipo de evaporador el líquido de alimentación diluido se concentra parcialmente en la sección de película ascendente y a continuación el producto más viscoso pasa a la región de película descendente. Con estas combinaciones se consiguen altas velocidades de evaporación.

7.3.4. EVAPORADORES DE PLACAS PLACAS

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Aunque el moderno evaporador de placas, tan popular en los procesos industriales, se introdujo comercialmente comercialmente en la década de 1950, el primer evaporador basado en el mismo principio se instalo ya en 1928 para la concentración de mermelada ligera. El evaporador de placas utiliza el principio de la película ascendente – descendente dentro de un cambiador de calor de placas. Normalmente las placas están dispuestas en unidades de cuatro. El vapor se condensa en los espacios formados por las placas 4-1 y 2 -3 y el liquido precalentado precalentado hierve hierve sobre la superficies de las placas, ascendiendo en forma de película por el espacio entre las placas 3 – 4. El número de de unidades unidades de 4 puede variarse para adaptar la capacidad de la planta alas necesidades. La mezcla vapor líquido que sale sale del conjunto de placas pasa pasa a un separador separador centrifugo. Este evaporador es útil para concentrar productos sensibles al calor ya que las altas velocidades del líquido que se consiguen permiten una buena transferencia térmica y cortos tiempos de residencia. Esto unido a la rapidez y facilidad con que se desmonta la unidad y a la poca superficie de suelo que ocupa, ha hecho que el evaporador sea muy popular. En un nuevo tipo de evaporador de placas introducido recientemente por APV Co. Ltd. Se han suprimido las secciones de película ascendente. El líquido fluye exclusivamente en forma de película descendente sobre las placas mayores que las del evaporador de lacas convencionales. En esta nueva unidad, usada en la concentración de jugos cítricos, se evita la recirculación interna y se consiguen consiguen tiempos de residencia muy muy cortos.

7.3.5. EVAPORADORES DE FLUJO FLUJO EXPANDIDO En este aparto diseñado para la concentración de productos lácteos zumos de frutas, etc., el liquido y el vapor fluyen por espacios alternados de forma similar a como ocurre en el evaporador de placas. Las placas, sin embargo, se sustituyen por delgados conos invertidos de acero inoxidable, provistos de juntas de cierre para evitar fugas. El líquido de alimentación penetra por el eje de giro central situado en la base de la pila de conos y entra a través de boquillas de alimentación en los espacios de los conos calentados, fluyendo hacia arriba y fuera sobre las superficies calentadas por el vapor. Puesto que 2005 - I


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se opera a vacío, el líquido alcanza rápidamente el punto de ebullición. Del sistema de conos sale tangencialmente, pasando el vapor separado hacia la parte superior por donde sale de la cámara interna a la externa. La alta velocidad que adquiere el líquido en los espacios entre los conos determina la formación de delgadas películas turbulentas turbulentas del líquido en evaporación evaporación que permiten elevadas velocidades de transferencia de calor y cortos tiempos de

). residencia. La unidad se ha diseñado para su limpieza in situ (en el lugar ). 7.3.6. EVAPORADORES DE PELÍCULA DELGADA DELGADA MECÁNICA Estos evaporadores normalmente constan de una cámara recubierta de camisa de calentamiento, en cuyo interior se aloja un rotor con múltiples láminas que puede estar montado vertical u horizontalmente. El área de la sección transversal de las cámaras dispuestas horizontalmente suele decrecer en la dirección del flujo, lo que permite mojar las paredes aunque la velocidad de flujo sea baja y reducir el “chamuscado” del producto. Las unidades de película delgada tienen una separación entre los bordes de las láminas del rotor y la superficie de transferencia de calor del orden de 0.5 – 1.25 mm. Los evaporadores de película barrida tienen menor separación y producen espesores de película tan pequeños como 0.25 mm. Estos tipos de evaporadores se están empleando cada vez más en la concentración de productos sensibles al calor como pastas de tomate, café, leche, suero, malta y productos azucarados. La principal ventaja de los evaporadores de película delgada mecánica es su capacidad para manipular líquidos altamente viscosos (50 -100 kg/ms) con altas velocidades de transferencia de calor. Los principales inconvenientes son el relativamente elevado coste y la limitada capacidad de la mayor parte de las unidades existentes. Por esta razón dichos evaporadores suelen utilizarse como “aparatos de acabado” en, los que se opera con menores capacidades y mayores viscosidades. Existe otro tipo de evaporador de película delgada mecánica desarrolla para concentrar productos sensibles al calor, similar a la unidad de flujo expandid, en el que la pila de conos gira a gran velocidad lanzando gotitas de liquido y de la fuerza centrifuga. Se ha señalado que el evaporador “Centritherm”

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permite lograr buenas separaciones a elevadas velocidades de transferencia de calor y tiempos de residencia sumamente cortos.

7.3.7. EVAPORADORES A BAJA TEMPERATURA TEMPERATURA Para la concentración a vacío de productos altamente sensibles al calor a bajas presiones se requieren para la condensación del vapor temperaturas correspondientemente bajas y por ello se han desarrollado evaporadores que utilizan “bombas de calor ”. ”. En estas unidades un gas refrigerante se condensa sobre los tubos de la calandria para aportar calor y se evapora en el condensador para condensar el vapor producido. En los evaporadores de este tipo se usan temperaturas de ebullición tan bajas como 20 ºC para evitar el daño térmico, siendo los correspondientes tiempos de residencia de 20 – 35 minutos. Investigaciones recientes han demostrado la gran importancia que tiene la combinación de temperatura y tiempo de contacto (integral temperatura – tiempo). Se ha demostrado que algunos productos muy sensibles al calor, como jugos de frutas cítricas, pueden resistir temperaturas mucho más elevadas de las que previamente se consideraban posibles siempre que los tiempos de contacto sean lo suficientemente cortos. Puesto que la temperaturas de ebullición más elevadas son económicamente mas favorables, en los últimos años esta declinando el empleo de evaporadores a baja temperatura para procesar alimentos sensibles al calor.

II.

PROBLEMAS DE APLICACIÓN A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

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Problema de aplicación Se debe diseñar un evaporador de efecto simple para concentrar una solución de jugo de naranja al 20% (por peso) hasta una solución al 50%. La solución diluida (el alimento) a 200 ºF debe alimentarse al evaporador a un flujo de 40.000lb/h. para fines de calentamiento, se utiliza vapor de agua saturado a 350 ºF. Se dispone de suficiente área en el condensador para mantener una presión de 0.9492 lb/pulg 2 (absoluta) en el espacio de vapor del evaporador. En base a un coeficiente total de transferencia de calor de 300 Btu/(h pie 2 ºF), calcular: 1. El área área de calentamiento requerida 2. El consumo consumo y economía economía del del vapor de agua

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Solución del problema usando Microsoft Excel Datos del Alimento F Tf Xf hf xL hL

Resultados

40000 200 20% 262.8 50% 99.45

flujo del alimento a concentrar Tº al cual ingresa el alimento fracción de masa del soluto en el aliemto entalpía del alimento fracción de masa del soluto en el lico r

V L Q A Vo EV

24000 16000 1.8E+07 340.107 340.107 21093.1 21093.1 1.137 1.13781 81

velocidad de evaporación flujo al caul el licor concentrado sale velocidad de transferencia de calor área de de transfere transferenc ncia ia de calor calor consumo onsumo de vapor vapor de de agua agua econo economí mía a de vapor vapor

Datos del Vapor Vivo To Po hfg

350 134.63 870.7

Datos del vapor secundario Tv 170 Pv 0.9492 hv 1136.94 Datos del serpentin de tran sferencia de calor U

III.

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DISCUSIONES DE LOS RESULTADOS

Durante el diseño de evaporadores no solo hay que tener en cuenta los parámetros mencionados anteriormente, también se debe considerar factores como la región geográfica donde se instalara el evaporador. Además J. G. Brennan, J. R. Butters, N. D. Cowell, A. E. V. Lilly (1982) mencionan que el cálculo para el diseño de un evaporador solo son aproximaciones y se deben considerar márgenes de error. Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto

IV.

CONCLUSIONES

En el diseño de evaporadores los principales parámetros para su construcción son la economía de vapor, vapor, el área de transferencia transferencia de calor y las características químicas químicas y físicas del fluido a concentrar.

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V.

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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

LIBROS: •

M. Orozco Flores (1998) “Operaciones Unitarias” Editorial Limusa – México.

•

Charles D. Holland (1981) “Fundamentos y Modelos de Procesos de Separación” Editorial Pretince – México.

•

J. G. Brennan, J. R. Butters, N. D. Cowell, A. E. V. Lilly “Las Operaciones de la Ingeniería de los Alimentos” Editorial Acribia – España.

•

R. H. Perry – D. W. Green (2001) “Manual del Ingeniero Quimico Vol II” Editorial Mc Graw – Hill. PÁGINAS WEB:

•

www.incauca.com/ncauca

•

www.fmcitalia/it/cgi/bin/images/photo/area_1

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Dise%C3%B1o de Evaporadores

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