– 6.1 – 6 Evaporación Frecuentemente en la industria de los alimentos una materia prima o un producto contiene más agua que la necesaria. Cuando dicha materia prima o producto es un líquido, la forma más fácil de eliminar el agua es, en general, evaporándola mediante calor. Los factores principales que afectan la velocidad de evaporación son: la velocidad de transferencia de calor al líquido, la cantidad de calor necesaria para evaporar cada kg de líquido, la temperatura máxima que permite el líquido, cualquier cambio que tenga lugar en el alimento durante el proceso de evaporación. Considerando al evaporador como una parte de la instalación industrial, se puede decir que cumple dos funciones principales: intercambiar calor y separar del líquido el vapor que se ha formado. Las consideraciones prácticas a tener en cuenta en un evaporador son: la temperatura máxima permisible, que puede ser inferior a 100 ºC, el líquido debe circular a través de la superficie de transmisión de calor, a fin de – obtener coeficientes de transmisión de calor razonablemente elevados y – prevenir recalentamientos locales, la viscosidad del líquido, que normalmente aumenta bastante a medida que crece la concentración de las sustancias disueltas, la posible tendencia a formar espuma, que dificulta la separación del líquido y el vapor (con el vapor, puede salir del evaporador una espuma estable que originaría arrastre de líquido). Evaporador de un solo efecto Los evaporadores normales están constituidos por tres secciones principales: el intercambiador de calor, el evaporador, donde el líquido ebulle y se evapora, y el separador, en el que el vapor se separa del líquido, y se dirige hacia el condensador o cualquier otra parte de la instalación. En muchos evaporadores estas tres secciones están contenidas en un solo cilindro vertical, – en cuyo centro existe una sección calentada por vapor de agua, – atravesada por tubos por los que circula el líquido a evaporar; – en la parte superior del cilindro hay unos deflectores (modificadores de la dirección del flujo) que permiten pasar al vapor pero no a las gotas de líquido que puedan acompañarle. En la figura de la página siguiente se representa el diagrama de este tipo común de evaporador. En la sección de intercambio de calor, denominada calandria en este tipo de evaporador, – el vapor de agua se condensa en la camisa, – haciendo que el líquido a evaporar entre en ebullición en el interior de los tubos y en el espacio encima de la placa que fija los tubos. – 6.2 – Evaporador de calandria tipo rosca La resistencia al flujo de calor está determinada por – los coeficientes de transmisión de calor del vapor condensante y del líquido en ebullición, – así como por la conductancias térmicas de las paredes del tubo y de la incrustación (depósito calcáreo que se produce al evaporar el agua). La velocidad de circulación del líquido afecta notablemente a las velocidades de evaporación, aunque es muy difícil predecir cuáles son las velocidades de circulación y la forma de flujo. Los valores de los coeficientes totales de transmisión de calor reseñados para los evaporadores son del orden de 1800 – 5000 J m–2 s–1 ºC–1 para la evaporación de agua destilada en un evaporador de tubo vertical. Sin embargo, – cuando existen sólidos disueltos su concentración va creciendo a medida que progresa la evaporación, – lo que hace que la viscosidad aumente y que la circulación se vea dificultada, por lo que en la práctica los coeficientes de transmisión de calor suelen ser mucho menores que éstos. A medida que progresa la evaporación, el líquido remanente se vuelve más concentrado, – con lo que aumenta su temperatura de ebullición – y se reduce la diferencia de temperatura disponible, suponiendo que no haya cambio en la fuente de calor; – consecuentemente, disminuye la velocidad de transmisión de calor. – También aumenta la viscosidad del líquido, con frecuencia en gran medida, – lo que afecta a la circulación y a los coeficientes de transmisión de calor, – dando de nuevo velocidades de evaporación más pequeñas. Existe todavía otra complicación adicional: como hemos visto en la unidad 3, – los coeficientes aparentes de transmisión de calor por ebullición varían con la diferencia de temperatura, – 6.3 – por lo que el diseño teórico de un evaporador está sometido a amplios márgenes de incertidumbre. Posiblemente sea esta incertidumbre la que ha hecho que los diseños de los evaporadores hayan tendido a seguir una línea clásica, de la que es un ejemplo típico el evaporador de calandria tipo rosca de la figura de la página anterior. Evaporación al vacío Para la evaporación de líquidos que puedan alterarse por exposición a temperaturas elevadas, puede ser necesario reducir la temperatura de ebullición trabajando a presión reducida. reducida En la unidad 5, en la figura de abajo de la página 5.2 se muestra la relación existente entre la presión y la temperatura de ebullición del agua. Cuando la presión de vapor del líquido alcanza la presión del medio, el líquido hierve. Las presiones reducidas necesarias para que el líquido hierva a temperaturas más bajas se obtienen – con eyectores de vapor de agua o – con bombas de vacío de desplazamiento positivo, – combinados generalmente con condensadores para el vapor procedente del evaporador. Las bombas de vacío de desplazamiento positivo son en general mucho más caras en costo y mantenimiento que los eyectores. Los eyectores de una etapa producen vacíos de aproximadamente 60 cm de Hg, los de dos etapas de aproximadamente 74 cm de Hg y los de tres etapas de casi 76 cm de Hg. El líquido condensado – se puede bombear fuera del sistema o bien – se descarga por medio de una columna barométrica, en la que una columna estática de fluido equilibra la presión atmosférica y el líquido puede así extraerse sin romper el vacío. Después las bombas de vacío eliminan los incondensables, que naturalmente tienen mucho menos volumen y pueden descargarse a la atmósfera. Transmisión de calor en los evaporadores En los evaporadores, el calor se suministra desde una fuente exterior a temperatura adecuada, que en la mayoría de los casos es vapor de agua, que proviene – bien directamente de una caldera (vapor vivo) o – bien de un estadio previo de evaporación en otro evaporador. Otras fuentes de calor, como la calefacción directa o con resistencias eléctricas, adolecen del inconveniente de proporcionar temperaturas locales mucho mayores de las que pueden soportar sin alterarse las sustancias a evaporar; además, en el caso de la electricidad hay que tener en cuenta su elevado costo. En los casos en los que las temperaturas del vapor condensante sean demasiado elevadas para el producto a tratar se suele utilizar agua caliente. También se puede utilizar vapor de agua a baja presión, aunque los grandes volúmenes requeridos suelen crear problemas de diseño. Las principales características de funcionamiento de los evaporadores son la capacidad de los mismos y la economía de vapor, las que se definen del siguiente modo: capacidad = número de kilogramos de agua vaporizados por hora economía = número de kilogramos de agua vaporizados por kilogramo de vapor vivo suministrado. – 6.4 – En un evaporador de un solo efecto (simple simple efecto) efecto la economía es casi siempre menor que la unidad, pero en los aparatos de dos o más efectos (múltiple múltiple efecto) efecto puede ser considerablemente mayor. Condensadores En los evaporadores que trabajan a presión reducida, la bomba de vacío va precedida por un condensador que elimina la mayor parte del vapor condensándolo a líquido. Para condensar el vapor se pueden utilizar condensadores de superficie, superficie que proporcionan suficiente superficie de transmisión de calor para que los vapores cedan su calor latente de vaporización al agua de refrigeración; o condensadores de chorro, chorro en los que el vapor se mezcla con una corriente de agua de condensación en cantidad suficiente para absorber el calor latente del vapor. Evaporación de múltiple efecto En esencia, un evaporador es un intercambiador de calor en el que se hace hervir un líquido para producir vapor, por lo que también es un generador de vapor de agua a baja presión. Este hecho se puede aprovechar para considerar al evaporador como si fuera un ebullidor de baja presión y utilizar el vapor de agua producido para calentar otro evaporador. Consideremos dos evaporadores conectados entre sí, de forma que el vapor que sale de uno sirva de agente de calefacción del otro, formando un evaporador de dos efectos, según se muestra en la figura siguiente. – Si se evapora el mismo líquido en cada efecto y – si su punto de ebullición no se ve afectado por la concentración del soluto, se obtiene el siguiente balance de calor para el primer evaporador q1 = U1 A1 (ts – t1) = U1 A1 ∆t1 en la que el subíndice 1 se refiere a las condiciones en el primer evaporador y ts es la temperatura de condensación del vapor de agua procedente de la caldera. De forma similar, y recordando que el "vapor de calefacción" en el segundo evaporador es el vapor procedente del primero, y que se condensa aproximadamente a la misma temperatura a la que hierve, puesto que no hay elevación del punto – 6.5 – de ebullición y los cambios de presión son pequeños, se puede escribir para el segundo evaporador q2 = U2 A2 (t1 – t2) = U2 A2 ∆t2 en la que el subíndice 2 se refiere a las condiciones en el segundo evaporador. – Si los evaporadores funcionan en estado estacionario, condensándose en la calandria del segundo efecto todos los vapores procedentes del primero, – si las pérdidas de calor son despreciables y – si la alimentación se introduce a la temperatura de ebullición, se puede escribir, q1 = q2 Además, si los evaporadores se han construido de forma que A1 = A2, se pueden combinar las ecuaciones que preceden, dando ∆t1 U2 = [1] ∆t2 U1 Esta ecuación establece que las diferencias de temperaturas son inversamente proporcionales a los coeficientes totales de transmisión de calor en los dos efectos. Este resultado se puede aplicar a cualquier número de efectos utilizados en serie: U1 ∆t1 = U2 ∆t2 = U3 ∆t3 = ... Alimentación de los evaporadores de múltiple efecto En un evaporador de dos efectos, para que el vapor proveniente de la evaporación del primer efecto haga hervir al líquido del segundo efecto, – la temperatura de ebullición del segundo efecto debe ser menor que la del primero, y para ello – este segundo efecto ha de trabajar a una presión más baja. Corrientemente el primer efecto está a presión atmosférica o superior, por lo que el segundo y los siguientes han de estar a presiones sucesivamente más bajas, a menudo los últimos al vacío. En estas circunstancias – la alimentación del líquido es más sencilla si pasa del efecto 1 al 2, de éste al 3, etc., ya que en estas circunstancias la alimentación fluirá sin necesidad de bombeo; esto es lo que se conoce como alimen alimentación hacia adelante, adelante y significa que – el líquido más concentrado se encuentra siempre en el último efecto de temperatura más baja. De forma alternativa, – el líquido de alimentación puede circular en dirección opuesta, entrando por el último efecto y siguiendo hasta el primero, – aunque en este caso el líquido ha de ser bombeado de un efecto al siguiente, en contra de la caída de presión. Esto se conoce como alimentación hacia atrás. atrás – Como los líquidos más concentrados se manipulan a temperaturas más altas en los primeros efectos, – ofrece una capacidad de evaporación mayor que la de los sistemas alimentados hacia adelante cuando la solución concentrada es muy viscosa, – proporciona una mayor economía de vapor cuando la alimentación entra fría, aunque – plantea algunos inconvenientes desde el punto de vista de la calidad del producto. – 6.6 – El objetivo de la evaporación de múltiple efecto es mejorar la economía del proceso de evaporación y no aumentar la capacidad del mismo. En la alimentación hacia adelante – la viscosidad del líquido aumenta durante su paso a través del equipo, debido tanto al aumento progresivo de la concentración como a la reducción progresiva de la temperatura de un efecto a otro. – El coeficiente total de transmisión de calor es, por lo tanto, bajo en los últimos efectos. – Sin embargo, es menor el riesgo de que el líquido más viscosos sea dañado por el calor debido a la menor temperatura de los últimos efectos. – En la cámara de calefacción del primer efecto se condensa vapor de agua de alta calidad, proveniente de la caldera. Si inicialmente el líquido de alimentación tiene una temperatura inferior a la de su punto de ebullición, parte del calor transferido es utilizado en el precalentameinto del líquido de alimentación. Puesto que entonces el calor disponible para la vaporización es menor, en el segundo efecto se condensa menos vapor, hecho que se repite en los siguientes efectos. El resultado final es una pérdida en la economía de vapor. En la alimentación hacia atrás – el aumento de viscosidad por concentración se compensa con las mayores temperaturas que va adquiriendo el líquido, ya que el líquido crecientemente viscoso encuentra superficies cada vez más calientes al pasar de un efecto al siguiente; – sin embargo, es preciso tener cuidado para evitar el recalentamiento localizado. – Con este sistema se consigue cierta economía de vapor puesto que el líquido de alimentación se calienta con el vapor más agotado. Ventajas de los evaporadores de múltiple efecto A primera vista puede parecer que el evaporador de múltiple efecto tiene todas las ventajas, ya que el calor se utiliza repetidamente, y da la impresión de que la evaporación en el segundo y siguientes efectos se obtiene gratuitamente. Un estudio cuidadoso muestra sin embargo, que hay que pagar un cierto precio por la economía de vapor obtenida. En el primer efecto q1 = U1 A1 ∆t1, y en el segundo efecto q2 = U2 A2 ∆t2. Si consideramos un evaporador de simple efecto trabajando a la misma presión que el segundo efecto del evaporador anterior, resulta qs = Us As ∆ts, en la que el subíndice s se refiere al evaporador de simple efecto. Si utilizamos las simplificaciones hechas anteriormente, la temperatura de condensación en el segundo efecto es igual a la de evaporación en el primer efecto y ∆ts = ∆t1 + ∆t2. Consideremos ahora el caso en que U1 = U2 = Us = U y A1 = A2, y determinemos cuál es el área As del evaporador de simple efecto que evapora la misma cantidad que los dos efectos. Para estas condiciones, se puede escribir a partir de la ecuación [1], ∆ t1 = ∆ t2 y ∴ y ∆ ts = ∆ t1 + ∆ t2 = 2 ∆ t1 ∆t s 2 q1 + q2 = U1 A1 ∆t1 + U2 A2 ∆t2 ∆ t1 = ∆ t2 = = U (A1 + A2) ∆t s 2 – 6.7 – por otra parte, qs = U As ∆ts pero q1 + q2 = qs por tener el simple y el doble efecto capacidades iguales, entonces ∆t U As ∆ts = U (A1 + A2) s 2 2 A1 A1 + A2 As = = = A1 y 2 2 Es decir A1 = A2 = As. Este análisis muestra que si se va a evaporar la misma cantidad total, la superficie de transmisión de calor de cada uno de los dos efectos ha de ser la misma que la de un evaporador de un solo efecto operando en las mismas condiciones globales. Esta demostración se puede hacer respecto a un número cualquiera de efectos y conduce a las mismas conclusiones. En los evaporadores de múltiple efecto la economía de vapor se ha de pagar con un costo mayor de inmovilizado de evaporadores. Como las áreas de transmisión de calor son en general idénticas en los distintos efectos, los n efectos costarán aproximadamente n veces más que un evaporador de un sólo efecto. Los costos equivalentes de las instalaciones auxiliares no siguen, en general, la misma tendencia. En los evaporadores de múltiple efecto es necesaria una capacidad menor de condensación, ya que está distribuida entre las zonas de calefacción de los distintos efectos, excepto en el primero, por lo que las necesidades de agua de condensación son menores. El diseño óptimo de una instalación de evaporación se ha de basar en un balance económico entre – los costos de operación que son más bajos para evaporadores de múltiple efecto debido al menor consumo de vapor, y – los capitales inmovilizados, que serán menores cuantos menos evaporadores haya instalados. Los costos de operación relativos se ilustran en la tabla siguiente. EJEMPLO 6.1 Calcular el vapor de agua necesario, la superficie de transmisión de calor y las temperaturas de evaporación en cada efecto de un evaporador de triple efecto en el que se evaporan 500 kg por hora de una disolución al 10 %, para producir una disolución al 30 %. Se dispone de vapor de agua a 200 kPa de presión manométrica y la presión absoluta en el espacio de evaporación del efecto final es de 60 kPa. Suponer que los – 6.8 – coeficientes globales de transmisión de calor son 2270, 2000 y 1420 J m–2 s–1 ºC–1 en el primero, segundo y tercer efecto respectivamente. Despreciar los efectos del calor sensible y suponer que no hay elevación del punto de ebullición, y que el calor transferido en cada efecto es el mismo. –1 Balance de materia (kg h ) Alimentación Producto Evaporación Sólidos 50 50 Líquido 450 50 (70/30) = 117 Total 500 167 333 Balance de energía Las tablas de vapor de agua, como las del "Apéndice 8" del Earle, dan 134 ºC como temperatura de condensación del vapor de agua a 200 kPa de presión manométrica –1 (300 kPa abs), siendo su calor latente de 2164 kJ kg . La temperatura de evaporación en el último efecto a una presión de 60 kPa abs, es de 86 ºC porque no hay elevación del punto de ebullición y el calor latente es de 2294 kJ kg–1. Igualando las transmisiones de calor en cada efecto: q1 = q2 = q3 ∴ U1 A1 ∆t1 = U2 A2 ∆t2 = U3 A3 ∆t3 ∆t1 + ∆t2 + ∆t3 = (134 – 86) = 48 ºC y ahora, si A1 = A2 = A3, por la ecuación [1] U U ∆t2 = 1 ∆t1 y ∆t3 = 1 ∆t1 U2 U3 así que ∆t1 + ∆t2 + ∆t3 = ∆t1 (1 + U1 U2 + U1 U3 ) = 48 ∆t1 [1 + (2270/2000) + (2270/1420)] = 3,73 ∆t1 = 48 ∆t1 = 12,9 º C ∴ ∆t2 = ∆t1 (2270/2000) = 12,9 · 1,135 = 14,6 ºC ∆t3 = ∆t1 (2270/1420) = 12,9 · 1,599 = 20,6 ºC por lo que la temperatura de evaporación en el primer efecto es (134 – 13) = 121 ºC, y –1 el calor latente (desde las tablas de vapor de agua) 2200 kJ kg ; en el segundo efecto –1 es (121 – 14,5) = 106,5 ºC y el calor latente 2240 kJ kg ; en el tercer efecto es (106,5 –1 – 20,5) = 86 ºC y el calor latente 2294 kJ kg . Despreciando los cambios en calor sensible y llamando w1, w2 y w3 a las cantidades evaporadas en los efectos 1, 2 y 3, respectivamente, y ws a la cantidad de vapor de agua condensada por hora en el efecto 1, resulta: w1· 2200 × 103 = w 2 · 2240 × 103 = w 3 · 2294 × 103 = w s · 2164 × 103 w2 = 0,982 w1 w3 = 0,959 w1 y ws = 1,017 w1 Como la suma de las cantidades evaporadas en cada efecto ha de ser igual a la cantidad total evaporada en los tres efectos, resulta: w1 + w2 + w3 = 333 y resolviendo como antes w1 (1 + 0,982 + 0,961) = 333 o w1 · 2,941 = 333 – 6.9 – w1 = 113 w2 = 111 w3 = 108 ws = 115 Consumo de vapor de agua Se precisan 115 kg de vapor (ws) para evaporar un total de 333 kg de agua, es decir, 0,35 kg de vapor vivo / kg de agua evaporada o 2,9 kg de agua evaporada / kg de vapor vivo. Superficie de transmisión de calor Escribiendo el balance de calor del primer efecto, resulta: (113 2200 1000) / 3600 = 2270 A1 12,9 2 A1 = 2,4 m = A2 = A3 2 área total = A1 + A2 + A3 = 7,2 m (Ver el diagrama correspondiente a este ejemplo en la última página de esta unidad.) En el EJEMPLO 6.1 las condiciones se han simplificado considerablemente al suponer que la alimentación se introduce a la temperatura de ebullición, que los efectos del calor sensible son despreciables y que no hay elevación del punto de ebullición. El método general es el mismo en casos más complicados, sólo que es conveniente en tales circunstancias resolver las ecuaciones del balance de calor por tanteos en lugar de por métodos analíticos, refinando los tanteos tanto como sea necesario. Recompresión del vapor Aparte de la posibilidad de tomar el vapor procedente de un efecto y utilizarlo en la cámara de calefacción de otro, existe otra forma de economizar vapor de agua que consiste en recomprimirlo y devolverlo a la zona de calefacción del evaporador del que procede; la compresión puede levarse a cabo – por medio de vapor de agua fresco a una presión suficientemente elevada en un eyector o – con compresores mecánicos, prefiriéndose generalmente los eyectores. En este caso, se reutiliza una parte del agua evaporada junto con vapor fresco, consiguiéndose con ello un ahorro considerable en la cantidad total de vapor. – La ganancia obtenida con la recompresión es a costa de una pérdida de presión del vapor fresco. – La recompresión de vapor es semejante en muchos aspectos a la utilización de múltiples efectos. – Debido a la baja eficiencia del eyector se hace necesaria la eliminación del exceso de calor generado y la temperatura del vapor de agua recomprimido se reduce antes de que se lo utilice para la evaporación, – por lo que se ha de colocar una superficie de intercambio de calor adicional: en números redondos, esta etapa es igual a un efecto extra. La economía de vapor de agua en un evaporador también se ve afectada por la temperatura de la alimentación. Si su temperatura es inferior a la de ebullición, es conveniente suministrarle calor para que llegue a dicho valor. Para esta precalefacción de la alimentación se pueden utilizar los vapores procedentes de un evaporador de simple efecto o también se puede usar un precalentador separado. – 6.10 – Elevación del punto de ebullición A medida que progresa la evaporación, el líquido que va quedando se hace cada vez más concentrado y por lo tanto su punto de ebullición aumenta; la magnitud de esta elevación depende – de la naturaleza de la sustancia que se está evaporando y – de los cambios de concentración que se produzcan. El valor de este aumento puede predecirse, para soluciones diluidas, mediante la ley de Raoult, Raoult que se expresa mediante ∆T = k x donde ∆T es la elevación del punto de ebullición, x es la fracción molar del soluto y k es una constante de proporcionalidad que vale k= R T02 ∆H vap donde R es la constante de los gases, T0 la temperatura de ebullición del disolvente puro y ∆Hvap su entalpía molar de vaporización. En los evaporadores de múltiple efecto en los que los efectos se alimentan en serie la elevación del punto de ebullición aumenta de un efecto al siguiente, a medida que crece la concentración; por lo tanto, para la transmisión de calor se dispone cada vez de menos cantidad de la diferencia de temperatura aparente, ya que la temperatura de condensación del vapor en la cámara de calefacción del efecto siguiente es la del vapor del solvente puro. La elevación del punto de ebullición complica el cálculo de los evaporadores, aunque en general se pueden hacer los balances de calor de la forma en que se lo ha hecho hasta ahora. Frecuentemente muchos alimentos están formados por grandes moléculas en solución, por lo que puede ignorarse la elevación del punto de ebullición. A medida que se eleva la concentración, también crece la viscosidad del líquido; este aumento afecta a la transmisión de calor, imponiendo casi siempre un límite al grado de evaporación que se puede lograr. No se conoce ningún método directo para predecir la magnitud de la elevación del punto de ebullición en las soluciones concentradas que suelen encontrarse en los evaporadores. Los puntos de ebullición de muchas soluciones a diferentes concentraciones se encuentran tabulados en la bibliografía, valores que se pueden extender por medio de la relación conocida por regla de Dühring que dice que la diferencia entre las temperaturas a las cuales dos soluciones ejercen la misma presión de vapor es constante. Es decir, – si se toma la relación temperatura / presión de vapor de un líquido de referencia como el agua y – si se conoce un punto de la curva de temperatura / presión de vapor de la solución que se está evaporando, – se puede construir un diagrama de los puntos de ebullición de la solución a evaporar a diferentes presiones. Según la regla de Dühring, ∆T = T – T0, donde T es la temperatura de ebullición de la solución y T0 la del solvente puro, – depende de los constituyentes de la solución y de la concentración, pero – es independiente de la presión. – 6.11 – Si esto fuera así, – bastaría el conocimiento de un solo punto de la curva de temperatura / presión de vapor de cada solución particular para la construcción de la gráfica de Dühring (T vs. T0), puesto que ésta estaría constituida por una familia de líneas rectas paralelas. Pero – se ha observado que las líneas de Dühring, aunque rectas, no son siempre paralelas, por lo que – es aconsejable conocer dos puntos de la curva de temperatura / presión de vapor a presiones ampliamente separadas para cada concentración particular. En la figura siguiente se representa una gráfica de Dühring para los puntos de ebullición de soluciones de cloruro de sodio. Evaporación de sustancias sensibles al calor El tiempo de residencia de una partícula dada de alimento puede ser considerable en los evaporadores de gran volumen, en los que se mezcla el producto a la entrada. – El tiempo de residencia medio se obtiene dividiendo el volumen del evaporador por la velocidad de flujo de volumen de la alimentación, aunque, sin embargo, – una proporción notable del líquido permanece en el evaporador un tiempo mayor que éste. – Por ello, cuando se utilizan sustancias sensibles al calor, una parte de las mismas se puede deteriorar, lo que hace que disminuya la calidad del producto. Esta dificultad se evita con los modernos evaporadores de veloci velocidades de flujo elevadas, elevadas en los que – el volumen retenido es pequeño y – no hay prácticamente mezcla. Ejemplos de estos aparatos son los – evaporadores de tubo largo, – los evaporadores de placas y – los diferentes evaporadores de superficie barrida y de película delgada. – 6.12 – Aparatos utilizados en la evaporación Bandejas abiertas El tipo más elemental de evaporador consiste en una bandeja en la que se hace que el líquido hierva. – El calor se suministra por medio de camisas de vapor o serpentines y – la agitación por medio de rascadores o de aletas. Tales evaporadores – son sencillos y de precio bajo, aunque – son caros en costo de operación porque su aprovechamiento del calor es bajo. Evaporadores de tubo horizontal El evaporador de tubo horizontal es un refinamiento del de bandeja. Consiste en – colocar la bandeja en el interior de un cilindro, generalmente vertical. – Los tubos de calefacción se colocan en forma de manojo horizontal sumergido en el líquido en el fondo del cilindro. En este tipo de evaporador – la circulación del líquido es bastante deficiente. Evaporadores de tubo vertical Utilizando tubos verticales en lugar de horizontales, se obtiene una buena transmisión de calor por medio de la circulación natural del líquido caliente. – 6.13 – El evaporador clásico (de rosca) ilustrado en la figura de la página 6.2 es un ejemplo de este tipo. La recirculación del líquido se hace a través de una gran “garganta”, de forma que – el líquido se eleva a través de los tubos verticales, de unos 5–8 cm de diámetro, – hierve en el espacio inmediatamente superior a la placa de soporte de los tubos – y recircula a través de la garganta. – La presión hidrostática reduce la ebullición en los tubos que están cubiertos por el líquido que circula. – La relación entre la longitud y el diámetro de los tubos es del orden de 15:1. El evaporador de cesta mostrado en (a) de la figura de la página anterior es una variante del evaporador de rosca, en el que – la zona de calefacción está contenida en una cesta suspendida en la parte más baja del evaporador, y – la recirculación tiene lugar a través del espacio anular que rodea a la cesta. Evaporadores de placa Los intercambiadores de calor de placa se pueden adaptar para usarlos como evaporadores. El espacio situado entre las placas se puede incrementar, – colocando entre ellas entradas apropiadas de modo que se pueda introducir un volumen de vapor muy grande comparado con el del líquido. Los evaporadores de placa – ofrecen una buena transferencia de calor y también – son fáciles de limpiar. Evaporadores de tubo largo Se pueden utilizar como evaporadores tubos verticales largos según se muestra en (b) de la figura de la página anterior. Los tubos, que tienen una relación de longitud a diámetro del orden de 100:1, están colocados verticalmente dentro de la zona de calefacción. El líquido puede bajar por los tubos en cuyo caso se denomina evaporador de película descendente, o ser transportado hacia arriba por el líquido que se evapora, en cuyo caso se denomina evaporador de película ascendente. La evaporación tiene lugar en las paredes de los tubos. Como – las velocidades de circulación son grandes y – las películas superficiales son delgadas, se obtienen buenas condiciones para la concentración de líquidos sensibles al calor, debido a – las grandes velocidades de transmisión de calor y a – los tiempos de calefacción cortos. En general, el líquido no se recircula y si no se produce suficiente evaporación en una sola pasada, el líquido se añade a otro evaporador. En los evaporadores de película ascendente – se forman bolsas de vapor a medida que hierve el líquido dentro del tubo y este vapor arrastra al resto del líquido, que continúa así hirviendo. – Los diámetros del tubo son del orden de 2,5 a 5 cm y – los tiempos de contacto pueden llegar a ser muy pequeños, del orden de 5–10 s; – los coeficientes totales de transmisión de calor pueden ser hasta cinco veces mayores que los obtenidos con una superficie caliente inmersa en un líquido en ebullición. – 6.14 – En los evaporadores de película descendente – los diámetros del tubo son relativamente grandes (unos 8 cm), por lo que son especialmente adecuados para líquidos viscosos. Evaporadores de circulación forzada Como los coeficientes de transmisión de calor del vapor de agua condensante son elevados, la mayor resistencia al flujo de calor en un evaporador se encuentra localizada normalmente en la película líquida. Los tubos son en general metálicos y tienen por ello una elevada conductividad térmica, aunque la formación de incrustaciones puede disminuir su conductancia. Los coeficientes de película líquida se pueden incrementar – mejorando la circulación del líquido y – aumentando su velocidad de flujo a través de las superficies de calefacción; para ello se pueden colocar en el circuito del líquido bombas o hélices. – Si la circulación se facilita por medio de bombas, la superficie de intercambio de calor puede estar separada de la zona de ebullición y separación del evaporador, según se muestra en (c) de la figura de la página anterior. – También se pueden insertar hélices en las zonas donde existe circulación como en la garganta de un evaporador de rosca. La circulación forzada – se utiliza principalmente con líquidos viscosos; – también puede ser interesante cuando se utilicen superficies de intercambio de calor costosas pero necesarias para prevenir la corrosión o por razones de higiene. En este caso hay que obtener el máximo flujo de calor posible por cada metro cuadrado de superficie de intercambio. También se incluyen entre los evaporadores de circulación forzada distintos tipos de evaporadores de superficie barrida y de película delgada. En éstos, – el material a evaporar se hace pasar por el interior de las paredes de un cilindro caliente, barridas con cuchillas rotatorias para mantener una película fina. En todos los casos el objetivo es obtener velocidades de transmisión de calor elevadas y tiempos de contacto cortos. Evaporación de líquidos sensibles al calor Muchos productos alimenticios con aromas volátiles son capaces de retenerlos en mayor proporción si la evaporación tiene lugar en condiciones tales que favorezcan un período de contacto corto con las superficies calientes. En las soluciones de baja viscosidad esto puede conseguirse por medio de evaporadores de película descendente, bien sean tubulares o de placa. A medida que la viscosidad aumenta, por ejemplo a concentraciones altas, se utiliza el transporte mecánico a lo largo de las superficies calientes para favorecer el movimiento; estos métodos incluyen – superficies barridas mecánicamente, y – el flujo de las soluciones en superficies giratorias calentadas. En estas condiciones el tiempo de residencia puede ser de fracciones de minuto, y si se combina con una presión de vacío lo más baja posible, la retención de volátiles puede hacerse máxima. – 6.15 – EJEMPLO 6.1 CAPACIDAD DE EVAPORACIÓN = 333 kg de agua vaporizados por hora w1 = 113 kg h–1 P1 = 205 kPa w2 = 111 kg h–1 w3 = 108 kg h–1 P2 = 125 kPa P3 = 60 kPa 500 kg h–1 167 kg h–1 t1 = 121 ºC t2 = 106,5 ºC t3 = 86 ºC 10 % 30 % PS = 300 kPa tS = 134 ºC t1= 121 ºC t2= 106,5 ºC wS = 115 kg h–1 U1 = 2.270 J m–2 s–1 ºC–1 A1 = 2,4 m2 ECONOMÍA DE VAPOR = 333 kg h−1 115 kg h −1 U2 = 2.200 J m–2 s–1 ºC–1 U3 = 1.420 J m–2 s–1 ºC–1 A2 = 2,4 m2 A3 = 2,4 m2 = 2,9 kg de agua vaporizados por kg de vapor vivo
