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EVAPORACION
CAPITULO 5
EVAPORACION
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EVAPORACION
INTRODUCCIN
La evaporacin es una operacin que precede generalmente al secado y su importancia radica enla frecuencia con la cual deben prepararse jarabes, salmueras, jugos, salsas y otras suspensiones
coloidales por vaporizacin del solvente (agua) hasta alcanzar el contenido de slidos requeridos
en los diferentes procesos tecnolgicos de alimentos.
El ingeniero de alimentos debe, a partir de los balances de materia y energa, establecer las
especificaciones de tamao y capacidad de operacin, la seleccin del equipo para la evaporacin,
pero se va a encontrar que existen muchsimos tipos de evaporadores en el mercado; para realizar
la eleccin apropiada se debe realizar un estudio cuidadoso de la interrelacin entre las
propiedades fisicoqumicas y termodinmicas de las sustancias y las diversas partes que
componen un equipo. En el desarrollo de nuevos productos es posible que ninguno de los equipos
se adapte a las condiciones del producto que se desea elaborar, en ese caso se deben dar las
especificaciones necesarias que permitan al especialista en diseo construir el equipo que se
necesite.
En este captulo se dan a conocer las diferentes clases y tipos de evaporadores y sus principales
caractersticas y aplicaciones con la finalidad de que usted amigo estudiante, se familiarice con
ellas, haciendo la salvedad de que debe permanentemente estar actualizndose en este campo.
Al final del captulo se presentan las tecnologas en leches concentradas y jugos concentrados
como aplicacin de la operacin de evaporacin.
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OBJETIVOS
Reconocer la importancia de la evaporacin en los procesos de la industria de alimentos
Identificar las clases y caractersticas de evaporacin
Aplicar en el desarrollo de ejercicios, las ecuaciones referentes a los balances de energa
en la evaporacin
Reconocer los equipos de evaporacin ms utilizados en la industria de alimentos
Relacionar los conocimientos previamente adquiridos en la termodinmica y en los
balances de materia y de energapara entender los procesos de intercambio de calor que
ocurren en la evaporacin
Describir el tipo de evaporador adecuado para la obtencin de procesados caractersticos.
Elaborar hojas de clculo en problemas de evaporacin.
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5.1 Definicin
La aplicacin de calor para lograr la ebullicin del solvente de una solucin se conoce como
evaporacin. Lo anterior se traduce en la reduccin del respectivo solvente y en el incremento en
la concentracin de los slidos solubles.
Para lograr el mencionado efecto se hace necesario desarrollar un proceso de transferencia de
calor en el cual se logre establecer una observable y cuantificable diferencia entre las temperaturas
del medio de calentamiento y la solucin que se va a evaporar.
5.3.3 Aspectos termodinmcos
En un balance de energa para evaporador es necesario identificar el calor cedido por la
concentracin del calor. Este debe ser equivalente al calor sensible ganado por el lquido de
alimentacin sumado al calor latente del vapor producido, siempre y cuando no se contabilicen las
prdidas de calor del sistema.
FIGURA 5-1
Aspectos termodinmicos
En la figura 5-1 se
esquematiza la consideracin
anterior.
Para efectuar el balance real
de calor es necesario la
utilizacin de los calores especficos intermedios, debido a la dificultad de establecer datos de
entalpa - concentracin para un balance ideal, especialmente por las caractersticas dismiles que
presentan regularmente estos clculos en productos alimenticios.
Las lneas de material que aparecen en la figura 5-1 se pueden distinguir as:
Smbolo Identificacin Unidades
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LA Liquido de alimentacin kg/seg
VS
Masa de solvente vaporizado kg/Seg
Como es necesario la utilizacin de los calores especficos, los identificaremos as:
para tenerlos en cuenta
Balance de materiales
Smbolo identificacin Unidadese Calor latente de condensacin J/kg
XSS
Fraccin de slidos en la lnea de
producto
Si se logra un aislamiento eficaz de las diferentes superficies del evaporador se evitarn las
prdidas por radiacin y conveccin que generalmente all ocurren, precisamente por el deficiente
sistema de aislamiento; el balance de calor se podr expresar igualando el calor sensible ganado,
por el lquido de alimentacin ms el calor latente de vapor producido con el calor cedido por lacondensacin del vapor.
La ecuacin que expresa lo anterior ser:
V A. e =LA Cp(TE -TA) + Vs. v (5-1)
Siendo TE la temperatura de ebullicin del lquido de alimentacin. y TA la temperatura con que
entra al evaporador el lquido de alimentacin
De lo anterior se deduce que el calor cedido por condensacin de la masa de vapor se transfiere a
la masa lquida, lo cual se puede expresar como:
V A. e = Q (5-2)
Para la obtencin de la ecuacin anterior no se considera la mnima cantidad de calor del
condensado que sale de la cmara de vapor, puesto que por ser tan nfima no incide
fundamentalmente en los balances y s los puede dificultar.
Identificaremos el trmino Q de la ecuacin igualada:
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Q: Conocida como carga calorfica es la velocidad global de transferencia de calor desde el medio
de calentamiento al lquido de ebullicin atravesando las paredes de separacin y las pelculas que
recuben las superficies.
En termodinmica se ha distinguido a la carga calorfica Q por la siguiente ecuacin:
Q = UA T (5-3)
La anterior ecuacin se distingue as:
Smbolo Identificacin UnidadesU Coeficiente global de transferencia de
calor
Julios/m2 0C
T
Diferencia de temperatura entre el
medio de calentamiento y el lquido en
ebullicin
0C
Igualando en la ecuacin 2, se obtiene:
VA e = U AT (5-4)
Otro factor de importancia durante el proceso de evaporacin es la velocidad de produccin de
vapor V, pues de ella depende en alto porcentaje la eficiencia que pueda suministrar el equipo.
Para lograr calcular esta velocidad, lo ms indicado es realizar un balance de materia. Recordemos
entonces la figura 5-1.
El
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balance global de la materia ser:
LA = VS + LS (5-5)
El balance de materia en el lquido
LA (1 - XSA) = LS (1 - XSS) +VS (5-6)
Una vez establecidas las ecuaciones fundamentales para realizar clculos durante el proceso de
evaporacin, es importante reconocer algunos factores que influyen directa o indirectamente en el
proceso:
- El primer factor es el conocimiento adecuado de la carga calorfica necesaria durante el proceso
, pues de ella dependen fundamentalmente la seleccin, el diseo y la operacin de los equipos
evaporadores. La carga calorfica Q puede calcularse tal como se mencion, desarrollando tanto el
balance de materia como de energa.
El segundo factor que influye directamente en la eficiencia del proceso es el coeficiente global de
transferencia de calor U. Este puede calcularse a partir de:
- La identificacin de la resistencia trmica del material de la pared de evaporador.
- El conocimiento de los factores que inciden en la formacin de las capas de adherencia sobre las
paredes externa e interna de las superficies de transferencia calorfica.
- El conocimiento del coeficiente de transferencia calorfica de la pelcula condensada sobre la
superficie del intercambiador que conecta al vapor producido.
- El conocimiento del coeficiente de la pelcula de lquido de ebullicin adherida sobre la superficie
del intercambiador que conecta con el lquido.
La prctica ha demostrado que los coeficientes sealados son menores en los sistemas de
circulacin normal que en los de circulacin forzada, pero aun es bastante difcil establecer un
clculo exacto especialmente cuando se trata de realizarlo en pelculas hirvientes pH. En tachos
de circulacin normal y eficiente diseo en el intercambiador se alcanzan velocidades de flujo de
hasta 2 m/seg; en equipos de circulacin forzada al utilizar bombas de circulacin la velocidad
supera los 5 m/seg.
Recientes investigaciones han comprobado que las pH presentan alta dependencia de lasdiferencias de temperatura sucesiva entre la superficie de calentamiento y el lquido. La relacin
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FIGURA 5-2
Fenmeno
para agua de
ebullicin
que se presenta
es directamente
proporcional: a
mayor diferen-
cia de
temperatura, T,
mayor valordel coeficiente
de transmisin de calor.
En la figura 5-2 se observa el fenmeno sealado para el agua en ebullicin a 100OC en superficies
sumergidas.
Cuando se incrementan los valores de T aparecen burbujas de vapor que se proyectan desde la
superficie interna dividindose y agitando la superficie del lquido, este fenmeno aumenta
aceleradamente y se denomina el fenmeno de los ncleos activos. El incremento de estos
ncleos como se anot anteriormente, determina un apreciable incremento del
T, lo cual serefleja en el notorio aumento de la transferencia de calor. El fenmeno explicado se complementa
cuando se alcanza un valor mximo de transferencia de calor correspondiente al punto inicial de la
diferencia crtica de temperatura. Posteriormente y como caracterstica final del fenmeno el valor
mximo de transferencia de calor desciende especialmente por el revestimiento de vapor en la
superficie de calentamiento.
El ideal en la industria de alimentos en donde se ejecuta la operacin de la evaporacin es lograr
un T0 por debajo de valor crtico. Los criterios expuestos indican la gran dificultad que se presenta
para conocer con exactitud el valor del coeficiente global de transferencia de calor, por lo que
generalmente para su conocimiento se acude ms al valor que proporciona experiencia que al
clculo directo.
La temperatura del lquido que se va a evaporar tambin se encuentra delimitada por una serie de
factores que deben tenerse en cuenta para los clculos de proceso:
Como usted debe recordar en la Termodinmica se conoce el momento del error de un lquido
cuando la presin externa a la que est sometido es igual a la presin de vapor que ejerce. Para la
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FIGURA5-3
La grfica representa los valores de los puntos de ebullicin de la solucin en diversas
concentraciones de sacarosa vs el punto de ebullicin del solvente-agua pura- a la misma presin.
En la industria de alimentos es bastante difcil conseguir grficas de Duhring especficas.
Otro factor que se debe tener en cuenta durante la evaporacin es la presin hidrosttica o cabeza
hidrosttica como se le conoce comnmente. Como usted bien lo sabe por debajo de la superficie
cualquier lquido se encuentra sometido a dos clases de presiones: una la ejercida sobre su
superficie y otra la hidrosttica ejercida desde el nivel de superficie libre al nivel en el cual se halle
el lquido. Lo anterior influye en la relacin existente entre la ebullicin del lquido y la profundidad
del evaporador; en la medida en que aumenta la profundidad, aumenta tambin la temperatura de
ebullicin, lo cual se manifiesta en la reduccin de la diferencia de temperatura entre el lquido en
ebullicin y el medio de calentamiento, producindose generalmente un recalentamiento del
lquido. En la evaporacin aL vaco que trataremos ms adelante, la influencia de la presin
hidrosttica es realmente mayor, lo cual en algunos tipos de evaporadores causan problemas que
inciden directamente en la calidad del producto.
Otros factores que influyen en la eleccin del tipo de evaporador que se va a utilizar, son las
propiedades inherentes del lquido de alimentacin. Veamos los ms frecuentes:
El aroma
En jugos de frutas y otros alimentos lquidos los componentes del aroma y del sabor son
generalmente ms voltiles que el agua, por lo que son fcilmente arrastrados por el vapor de agua
producido durante la evaporacin. Esto influye de manera directa y negativa en la calidad del
producto concentrado. Una forma de revisar el proceso es mediante la aplicacin de tcnicas de
destilacin, fraccionada, con lo cual el aroma y el sabor se recuperan en forma de esencia. Ellquido desaromatizado se vuelve a concentrar para luego ser nuevamente mezclado con la
esencia.
- La viscosidad
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Un porcentaje significativo de los alimentos presenta un alto grado de viscosidad, lo que influye
directamente en la disminucin de la velocidad de circulacin y por lo tanto en los coeficientes de
transferencia de calor. En el proceso de evaporacin al aumentarse la concentracin se presenta
por lo tanto el fenmeno anotado.
- La espuma
Cuando la presin hidrosttica es alta y se logra una ebullicin bajo presin reducida, se presenta
la formacin de espuma, la cual aparece cuando los slidos suspendidos de una solucin actan
como ncleos para la conformacin de las burbujas, crendose fuerzas lnterfaclales entre el vapor,
los slidos suspendidos y el liquido sobrecalentado.
- La sensibilidad al calor
Este factor de gran importancia se relaciona directamente con la variable temperatura. Las
sustancias sensibles, que son la gran mayora de los alimentos, sufren graves daos en su
estructura, incidiendo directamente en la calidad. Lo anterior implica que las temperaturas de
ebullicin durante la evaporacin deben ser bajas y los tiempos de residencia del lquido en el rea
de calentamiento cortos, para as disminuir los daos que se puedan causar por esta razn durante
la evaporacin.
- Formacin de costras
El fenmeno como tal es poco frecuente sobre las reas de transferencia de calor y cuando se
presenta es generalmente debido a la adherencia de partculas slidas presentes en el lquido de
alimentacin. Cuando la velocidad del lquido es alta la formacin de costras es poco pronunciada;
sin embargo, en el diseo de un evaporador es necesario incorporar un factor de costras al
calcularU, ya que durante la evaporacin al presentarse este fenmeno se reduce su valor.
- Naturaleza corrosiva
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Los materiales utilizados durante un proceso deben ser elegidos de tal forma que no presenten
incompatibilidad con los alimentos que se van a procesar, ni con los insumos manejados, por lo
que para prevenir esta situacin, tanto los evaporadores como dems equipos principales o
complementarios, son fabricados generalmente en acero inoxidable.
5.3 Los evaporadores
Como anteriormente se mencion, en la industria de alimentos existen amplias posibilidades de
que una mala utilizacin del calor dae el lquido que se pretende evaporar si este proceso se
realiza a presin atmosfrica, siendo de uso ms general por lo tanto evaporar los alimentos
lquidos a presiones reducidas, razn por la cual se hace necesario utilizar aditamentos (equipos
adicionales) como bombas de extraccin, columnas baromtricas, bombas de vaco o eyectores de
vapor. Veamos despus de esta consideracin los componentes principales de un evaporador
industrial.
5.3.1 El intercambiador de calor
Sirve para aportar el calor sensible y el calor latente de evaporacin, del lquido que se va a
evaporar. El vapor saturado en presiones que van de 20 a 60 psig es el medio de calentamiento
ms utilizado en la industria de alimentos.
5.3.2 El separador
En l el vapor se separa de la fase lquida ya concentrada. Puede ser parte del mismo evaporador
o ser un equipo diferente como en los evaporadores de placas.
5.3.3 El condensador
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Como su nombre lo indica sirve para condensar el vapor y eliminar el condensado del sistema.
Este opera en equipos que trabajan a presiones reducidas.
5.4 Clculos en evaporadores.
El clculo del evaporador lleva a establecer fundamentalmente los balances de materia y de calor
para determinar el rea de transferencia de calor y con base a las consideraciones expuestas en lo
numerales anteriores, entrar a seleccionar el equipo ms adecuado y proceder a distribuir el rea
en el sistema operacional (tubos, superficies cilindricas, superficies planas, etc.)
EJEMPLO 1
Una solucin acuosa al 1% en peso es alimentada a un evaporador a 70 0C y va a ser concentrada
al 10%, empleando como medio de calefaccin vapor a 30 psi. Para una alimentacin de 500 kilos
por hora, determinar:
- Cantidad de agua evaporada.
- Cantidad de vapor consumido si la entalpa del producto es 180 kcal / kg.
- El rea de transferencia de calor, si el coeficiente total U es de 580 kcal m2hr0C.
Solucin: Balances de materiales nos permiten encontrar la cantidad de agua evaporada.
Llamando F, P y V a la alimentacin, producto y agua evaporada respectivamente, el balance total
es:
F = P+V ==== 500 k/hr = P+V
El balance sobre los slidos es:
0,01F = 0,10P === P = 0.1F = 0,1 x 500 = 50 kg/hr
La cantidad de agua evaporada V + F - P
V = 500 - 50 = 450 kg/hr
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- Un balance de energa determina la cantidad de vapor consumido, S
FHf+ SHs = PHp + SHc + VHv
Para la resolucin de esta ecuacin establecemos que: la solucin acuosa siendo 99% de agua,
tiene propiedades, como la entalpa similar a la del agua; la evaporacin ocurre a presin
atmosfrica y el vapor al ceder calor se condensa, y el agua condensada sale a esta temperatura
de condensacin. Bajo estas condiciones y de tablas.
Hs= 651,7 kcal/kg (T= 137 0C)
Hc= 136 kcal/kg (T= 137 0C)
Hf= 70 Kcal/kg
Hv= 540 kcal/kg
Reemplazando en la ecuacin y con base en una hora
500 x 70 + S x 651,7 = 50 x 180 + S x 136 + 450 x 540
515,7 S = 9.000 + 243.000 - 35.000 = 217.000
S = 421.kg.
- La cantidad total de calor transferido es de 217.000 kcal/hr que es igual al calor cedido por el
vapor al condensarse. El rea de transferencia ser:
A = Q / U T = 217.000 / 580 (137 - 100) = 10,11 M2
En la presentacin y desarrollo del anterior ejemplo, se presentan algunos interrogantes. El punto
de ebullicin de la solucin es de 70 0C? O es mayor o menor? La temperatura de salida de la
solucin es la misma de entrada? El vapor empleado como elemento de calefaccin se condensa
a los 30 psi y luego se enfra a 1000C?
Normalmente las soluciones acuosas tienen para la misma temperatura del agua pura presiones de
vapor menores; porconsiguiente, su temperatura de ebullicin es mayor que la del agua a la misma
presin.
La diferencia de temperatura entre el punto de ebullicin de la solucin y el punto de ebullicin del
agua, a la misma presin, es la elevacin del punto de ebullicin de la solucin.
Si bien para el ejemplo anterior los interrogantes expuestos no afectan el balance total de energa,
la solucin por tener un punto de ebullicin superior al del agua est entrando muy fra al
evaporador, igualmente la solucin sale a temperatura de ebullicin y el vapor de calefaccin
puede enfriarse a menos de 1000C ya que se presenta un T en la solucin inicial de 300C.
La elevacin del punto de ebullicin depende bsicamente del soluto y de la concentracin del
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mismo. Es pequea para soluciones diluidas o de coloides orgnicos, pero puede ser muy alta para
soluciones de sales inorgnicas de alta concentracin. Para soluciones diluidas puede emplearse
la ecuacin de Clausius Clapeyron.
T = (RT2
/ H Vap) X = kb m
donde: T = Es la elevacin del punto de ebullicin
R = Constante de los gases
To = Temperatura de ebullicin del solvente a presin P.
H vap =Entalpa de vaporizacin a presin P.
X = Fraccin molar del soluto.
kb = Constante molar del punto de ebullicin del solvente.
m = Nmero de moles del soluto o fraccin molar.
EJEMPLO 2
Determinar el punto de ebullicin de una solucin que contiene 5 gramos de rea por 75 gr de
agua. La constante KS del agua es 0.51 30/mol y el peso molecular de la rea 60.0.
Solucin: La fraccin molar m de la rea en la solucin es:
m = (5.00 / 60.6) (1000 cm
3
/lt / 75 cm
3
) = 1.11 mol/litro
y T = kb m = 0.513 x 1.11 = 0.569OC
La temperatura de ebullicin ser 100 + 0.569 = 100.5690C
Resp: 100.5690C
Recordemos que esta ecuacin sirve igualmente para determinar pesos moleculares de soluto.
Como puede apreciarse en el ejemplo, la elevacin de temperatura es relativamente baja,
circunstancia que lleva a asumir para estas soluciones diluidas, como temperatura de ebullicin,
aquella correspondiente a la del solvente sin inducir mayor error.
Para soluciones concentradas se emplea una regla emprica conocida como regla de Duhnng que
define el punto de ebullicin de una solucin como funcin lineal del punto de ebullicin del agua
pura a la misma presin. .
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Elevacin
del punto
de
ebullicin
FIGURA 5-
4
Llamando
Ts la
temperatura de ebullicin de la solucin To, la del agua pura, puede correlacionarse: Ts = a +
b To
Para cada presin especfica, existe una ecuacin especfica y portal razn se acude a grficas en
las que se representan las temperaturas de ebullicin a diversas concentraciones
EJEMPLO 3
En un evaporador que funcionar a 10 psi, se va a concentrar una solucin de hidrxido de sodio
al 50%. Determinar la elevacin del punto de ebullicin.
Solucin: De las tablas de vapor el agua a 10 psi ebulle a 193.2 0F, equivalente a 89.550C. En la
figura para una temperatura de 900C, como punto de ebullicin del agua y para la concentracin del
hidrxido al 50%, la temperatura de ebullicin es de 1350C, luego la elevacin del punto de
ebullicin es de 135 -900C = 450C (ms exactamente 45,450C).
Resp: 45,450C
EJEMPLO 4
En un evaporador de simple efecto, calentado por un serpentn recorrido, por vapor a 105 0C, el
vaco del aparato est regulado para que la ebullicin se produzca a 600C. A la salida del
serpentn, el agua que procede del vapor de calentamiento est a 850C.
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Cunta agua se puede evaporar por kilo de vapor empleado ?
Solucin : Veamos en primer lugar, cunta agua del lquido que se va a concentrar puede
evaporar 1 kg de vapor a 105 0C, suponiendo que la instalacin est ya funcionando y que las
prdidas de calor son nulas. Veamos:
Calor aportado por 1 kg de vapor a 105 0C (Q1) De tablas de vapor la entalpa de evaporacin es
de 535,5 kcal/kg, como el condensado sale a 85 0C, se tiene
Q1 = 535,5 + 1 x 1 x (105 -85) = 555,5
El calor latente de evaporacin del agua a 600C (L) es de 563,2 kcal /kg ( de tablas de vapor
Por lo anterior, teoricamente se podr evaporar, por kg de vapor a 1050C una cantidad de agua
igual a:
Q3 / L = 555.5 / 563,2 = 0.986 kg
Resp. = 0,986 kg
EJEMPLO 5
Se requiere concentrar 800 kilos por hora de un jugo de fruta, mediante evaporacin, de una
concentracin de 9% a 25%. Las condiciones del proceso son:
Temperatura de trabajo 50 0C
Vapor de servicio 110 0C
Coeficiente total de transferencia de calor 1500 W / m20C
Establecer los requerimientos de calor , vapor de servicio empleado y rea de transferencia de
calor asumiendo que no existe elevacin de punto de ebullicin y que la alimentacin entra a
temperatura de ebullicin
Solucin: El balance de materiales permite determinar el agua evaporada y de acuerdo a la
entalpa de evaporacin se establece la cantidad de calor requerida. El rea de evaporacin se
obtiene con el flujo de calor , la diferencia de temperatura y el coeficiente global de transferencia de
calor.
Balance de materiales:
Slidos en el jugo = 0,9 x 800 = 72 k / hr
Producto concentrado = 72 / 0,25 = 288 kg/hr
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Agua evaporada = 800 - 288 = 512 kg / hr
Balance de Calor:
De tablas de vapor se tiene
Calor latente de vaporizacin del agua a 50 0C = 2.382.8 kJ/kg
Calor de condensacin a 110 0C =2.630,2
Calor necesario para la evaporacin = 512 x 2382,8 = 1.219.994 kJ /hr
Vapor consumido = 1.219.994 /2.630,2 = 463,84 kg /hr
Area requerida para el proceso:
Se aplica la ecuacin general de transferencia de calor Q = U A T
La cada media logartmica de temperatura es igual a la diferencia normal, puesto que los fluidos
operan isotermicamente.
T = 110 - 50 = 60 0C
y el rea de transferencia A = Q/ ( U x T ) = 1.524.992 / ( 1500 x 60 ) = 13,55 m2
Resp: Calor necesario 1.219.994 kJ /hr
Vapor consumido 463,84 kg /hr
Area de transferencia 13,55 m2
EJEMPLO 6
Se dispone de un evaporador que trabaja a vaco y puede recibir tanto el vapor como el jugo
procedente del evaporador determinado en el ejemplo 5 ; el aparato puede evaporar a 40 0C y se
estima un coeficiente global de transferencia de 1300 W / m20C. A qu concentracin puede llegar
el jugo de emplearse este evaporador, si se aprovecha tan solo el 30% del calor que lleva el
evaporado.
Solucin . Se pretende aprovechar el calor que lleva el evaporado que sale del primer equipo. Es
una cantidad apreciable de calor , 1.219.994 kJ /hr , que puede ser entregada en su totalidad al
condensarse este evaporado a los 50 0C, asumiendo que no hay prdidas entre el primer y
segundo evaporadores.
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Teniendo el jugo del 25%, una temperatura de ebullicin de 40 0C y asumiendo que no hay
elevacin de punto de ebullicin , la cantidad de agua evaporada depende de la entalpa de
ebullicin.
De las tablas de vapor la entalpa de evaporacin es de 2.406,73 kJ/kg, y como se aprovecha tansolo el 30% del calor, la cantidad de agua evaporada es de:
1.219.994 x 0,3 / 2.406,73 = 151,8 kg /hr
Evaporada esta cantidad de agua, de producto final se obtiene 288 - 151,8 = 136,2 kg/hr y la
concentracin ser 72 / 136,2 = 52,86%
Resp: 52,86%
Se puede apreciar que aprovechando tan solo el 30% del calor consumido se logra en el segundo
aparato una concentracin significativa. En la mayora de las industrias se emplean arreglos de dos
o ms equipos en lo que se conoce como evaporador multiefecto y cada aparato se conoce como
efecto.
Dos de los sistemas ms empleados en la recuperacin de calor, tienen su aplicacin en equipos
de evaporacin.
Ellos son la bomba de calor y el ciclo de recompresin. Como se observ en los balances de
energa, la conversin de energa mecnica a energa trmica es mucho ms eficiente que lo
contrario y consecuencialmente es ms econmico para iguales fines emplear la energa mecnica
y en ello se basan los dos sistemas regenerativos.
La bomba de calor est asociada a los ciclos de refrigeracin en donde el calor generado en la
compresin del fluido refrigerante debe ser retirado para permitir la condensacin del mismo. En
tanto que el ciclo de recompresin trabaja sobre parte del evaporado que se somete a una
compresin que permite elevar su temperatura y servir como medio de calefaccin para el equipo.
En el ciclo de recompresin el evaporado se comprime a una presin Sencillos ejemplos nos
ilustran estos arreglos tan importantes en la industria.
EJEMPLO 7
Se desean evaporar 5.000 lb / hr de un alimentacin para ser concentrada de 5 a 45% de slidos
aprovechando un ciclo de recompresin, que trabaja bajo los siguientes parmetros:
Presin del evaporador 10 psia
Temperatura del vapor de servicio 250 0F
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EVAPORACION
Establecer la potencia de compresor para el ciclo de recompresin
Solucin: El compresor toma parte del evaporado que se encuentra a 10 psia y lo lleva a una
presin tal que corresponde a la temperatura de 250 0F.
Las condiciones termodinamicas de cada vapor son:
Evaporado : Presin 10 psia
Temperatura 193 0F
Entalpia de vapor 1143,2 BTU /kg
Entalpa de Condensacin 982 BTU /kg
Entropia del vapor 1.7876 BTU /lb 0F
Vapor de Proceso Presin 20 psia
Temperatura 227,96 0F
Entalpia de vapor 1156,3 BTU /kgEntalpa de Condensacin 960 BTU /kg
Entropia del vapor 1.7315 BTU /lb 0F
De acuerdo al diagrama el vapor de proceso es una mezcla del condensado y del vapor que sale
del compresor.
DIAGRAMA S-T
FIGURA 5-5
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EVAPORACION
Observando la trayectoria termodinmica en el diagrama S-T para el agua, se tiene que para el
punto C el vapor esta saturado a 20 psia
Punto A el vapor esta saturado a 10 psia y
Punto B el vapor esta recalentado a 20 psia
Para 20 psia y entropia de 1,7876 la temperatura del vapor recalentado es 312,75 0F y la entalpia
es de 1183,3.
La diferencia de entalpia es de 1183,3 - 1156,3 = 27 BTU/lb , mientras que alrededor del
compresor la diferencia de entalpia es 1183,3 - 1143, 2 = 40,1 BTU /lb de vapor empleado.
El vapor recalentado al condensarse a 20 psig cede un calor de 1183,3 - 195,71 = 987,57
El vapor empleado depende de la cantidad de agua vaporada.
Slidos en la alimentacin = 5.000 x 0,05 = 250 lb /hr
Producto concentrado = 250 / 0,45 = 555,55 lb /hr
Agua evaporada = 5.000 - 555,55 = 4444,45 lb / hr
Calor requerido = 4.444.45 x 960 = 4.266.672 BTU / hr
Vapor recalentado = 4.266.672 / 987,57 = 4.320,4 lb /hr
El trabajo realizado por el compresor corresponde al calor suministrado para recalentar el vapor:
Trabajo suministrado por el compresor = 4.320,4 x 40,1 = 173.247 BTU
Aplicando los factores de conversin de BTU a Hp , la potencia requerida es
173.247 x 778P = -------- --------------------- = 68,07 Hp
33.000 x 60
Resp: 68,07 Hp
La ventaja del compresor es el aprovechamiento del calor que lleva el vapor retirado de la solucin
y realmente la funcin del compresor es recalentar el vapor para lograr la temperatura adecuada
para que se tenga un diferencial de temperatura que permita el flujo de calor en el evaporador.
El siguiente ejemplo nos ilustra esta situacin
EJEMPLO 8
Determinar el rea de transferencia de calor para el evaporador del ejemplo anterior, teniendo un
coeficiente de transferencia de calor de 300 BTU / hr ft 2 0F.
Solucin Con los valores de calor transferido y temperaturas de proceso , es decir la del vapor
recalentado y la del evaporado se tiene
312,75 - 193 = 119,75 0F
A = 4.266.672 / ( 300 x 119,75) = 118,76 ft 2
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EVAPORACION
Resp: 118,76 ft 2
Para lograr la recuperacin de calor que lleva el evaporado, en condiciones normales , se
requieren varios efectos con los consecuentes mayores gastos
en la inversin inicial, costos de equipos adicionales como bombas, tuberas y accesorios que
requieren los diversos efectos y el espacio requerido para su instalacin
EJEMPLO 9
Para aprovechar el excedente de calor en los equipos de refrigeracin de una industria de jugos y
aplicar la bomba de calor se debe dimensionar termodinamicamente un evaporador de pelcula
para jugos.
En el ciclo de refrigeracin se tiene amoniaco que sale del compresor a 125 0F y 300 psia,
requirindose para la expansin (despus de la vlvula de expansin) en los equipos de fro ,
lquido a una temperatura de 75 0F y 180 psia.
Se proyecta trabajar 7.500 lb / hr de jugo al 12% para concentrarlo al 50%, a una temperatura de
100 0F. Se estima un coeficiente total de transferencia de calor de 250 BTU / hr ft 2 0F.
Determinar la cantidad de amoniaco destinada al evaporador y el area del evaporador.Se dispone de los siguientes datos:
Calor latente de condensacin del amoniaco 500 BTU / lb
Calor latente de vaporizacin del agua 1.036,4 BTU/lb
Solucin.- El Balance de materiales y balance de calor permite establecer la cantidad de calor
requerida para el proceso.
Balance de materiales
Slidos en el jugo = 0,12 x 7.500 = 900 kg / hr
Concentrado = 900 / 0,50 = 1.800 kg / hr
Agua evaporada = 7.500 - 1.800 = 5.700 kg / hr
Balance de calor:
Calor requerido para evaporar agua = 5.700 x 1036,4 = 5.907.480 BTU / hr
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EVAPORACION
Amoniaco requerido = 5.907.480 / 500 = 11.815 kg / hr
Determinacin del rea de transferencia
Diferencia de temperatura 125 - 100 = 25 0F.
Area A = 5.907.480 / (250 x 25 ) = 945, 2 ft 2
Resp: 11.815 kg /hr
945,2 ft 2
EJEMPLO 10
Se considera un sistema de doble efecto, en donde el primer evaporador es calentado por vapor a
1020C; el vaco es regulado para hacer ebullir el lquido a 85 0C. El agua de condensacin sale del
serpentn a 950C. Los vapores que salen del primer evaporador calientan al segundo o sea a
temperatura de 850C.
El vaco es ms intenso para conseguir que el lquido hierva a 600C. El agua de condensacin sale
del serpentn del segundo evaporador a 750C. En estas condiciones determinemos qu cantidad de
agua del lquido que se va a concentrar puede evaporar 1 kg de vapor a 105 0C
FIGURA 5-6
. Solucin:
Las entalpias de las diversas corrientes son:
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EVAPORACION
Vapor a 105 0C = 641,5 kcal /kg
Condensado a 95 0C = 95,00 kcal /kg
De vaporizacin a 85 0C = 633,39 kcal /kg
De Vaporizacion a 60 0C = 563,16 kcal /kg
De condensado a 75 0C = 75,00 kcal /kg
- Cantidad de agua evaporada en el primer evaporador, por 1 kg de vapor a 102 0Ces:
641,5 -95 / 633,39 = 0,86 kg
- Cantidad de agua evaporada en el segundo evaporador, por 1 kg de vapor a 850C(procedente del
evaporador No. 1).
633,39 -75 / 563,16 = 0,99 kg
- Cantidad de agua evaporada en el doble efecto por 1 kg de vapor a 102 0C: 0,86 + 0,99 = 1,85
kg.
Comparando los resultados con el ejemplo 4 lo anterior hace concluir que en el doble efecto se
logra evaporar casi dos veces la cantidad evaporada en un aparato de simple efecto.
EJEMPLO 11
En un evaporador de doble efecto se concentra en contracorriente 1000 kilos de una solucin al
20% de slidos hasta un 80%, empleando vapor a 30 psig. se dispone de lo siguientes parametros
de clculo
Temperatura de ebullicin en el 1er. efecto 170 oF
Coeficiente total de transf. de calor 1er efecto 400
Temperatura de ebullicin en el 2. efecto 135 oF
Coeficiente total de transf. de calor 2. efecto 300 BTU / hr ft2oF
Entalpia de la solucin 100 - 15 x C ( siendo C la concentracin de slidos ) BTU /lb
Entalpia de vapor a 30 psig 1171 BTU/lb
Entalpa de Condensado a 30 psig 241 BTU / lb
No se tiene elevacin del punto de ebullicin. Establecer los requerimientos de vapor de servicio y
el area de transferencia de calor de cada efecto.
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EVAPORACION
Solucin.- Este problema involucra simultneamente los balances de calor y de energa.tanto para
cada efecto como para el evaporador.
Los balances de materiales y de energia de acuerdo al diagrama
1er Efecto
Slidos 1000 x 0,2 = P1 x C1
Agua 1000 x 0,8 = P1 x ( 1 - C1) + E1
Total 1000 = P1 + E1
2. Efecto
Slidos P1 x C1 = P2 x C2 = P2 x 0,8 = 200 ===== P2 = 250
Agua P1 x ( 1 - C1) = P2 x ( 1 - C2) + E2 ===== 250 x 0,2 + E2
Total P1 = P2 + E2 = 250 + E2
FIGURA
5-6
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EVAPORACION
Evaporador de doble efecto
GLOBAL
Slidos 1000 X 0,2 = 250 x 0,8 = 200
Agua 1000 X 0,8 = 250 X 0,2 + E1 + E2 ======= E1 + E2 = 750
Total 1000 = 250 + E1 + E2 ======= E1 + E2 = 750
De estos balances quedan como incgnitas la cantidad de producto que sale del primer efecto y su
concentracin, as como los evaporados de cada efecto. No se ha incluido en el balance de
materiales el vapor para el primer efecto, ni el evaporado que sale del primer efecto y entra al
segundo efecto, porque son corrientes independientes, ya que van por el sistema de calefaccin y
la cantidad que entra es exactamente igual a la que sale.
Para establecer los balances de calor tenemos :
Entalpia alimentacin 100 -15 x 0,2 = 97 BTU /lb
Entalpa del producto 100 - 15 x 0,8 = 88 BTU /lb
Entalpia de evaporado 1er efecto = 1134 BTU /lb
Entalpa de condensado 1er efecto = 137,9 BTU /lb
Entalpia de evaporado 2. efecto = 1119,9 BTU /lb
Entalpa de condensado 2. efecto = 137,9 BTU /lb
Para el 1er efecto
1000 x 97 + V x 1171 = E1 x 1134 + V x 241 + P1 x H p1
para el 2. efecto
E1 x 1134 + P1 x H p1 = E1 x 137,9 + E2 x 1119,9 + 250 x 88
El balance total es la suma de los dos balances parciales. Se incrementan a cinco las variables
desconocidas con el vapor requerido y la entalpia del producto del primer efecto, que a la vez es
funcin de la concentracin de la solucin.
Realizado un anlisis de las ecuaciones presentadas se llega a establecer que la solucin al
problema se obtiene por ensayo y error, que es la situacin normal que se plantea en los clculos
de evaporadores de dos o ms efectos.
El primer ensayo se plantea tomando igual cantidad de evaporado en cada uno de los efectos, para
el presente caso se toman como E1 = E2 = 750 / 2 = 375 lbs / hr .
Aplicados los valores a los balances de materiales y de energa, el ensayo se establece sobre el
balance de calor del 2. efecto que debe arrojar una sumatoria igual a 0. Para el primer ensayo
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EVAPORACION
sobre el balance del segundo efecto se tiene una diferencia de 8921,3 BTU /hr y se obtienen los
resultados como se aprecia en la hoja de clculo.
EJEMPLO 11
DIMENSIONAMIENTO DE UNEVAPORADOR DE DOSEFECTOS
DATOS DEL PROBLEMA Ensayo 1
Concentracin
Cf Fraccin Dato 4 0,2
Entalpa Ha BTU/lb Clculo 5 97
Concentracin Producto Cp Fraccin Dato 6 0,8
Temperatura ebullicin 1er efectoT1
0
F Dato 8 170
Coeficiente 1er efecto
U1 Btu/ hr ft oF Supuesto 10 400
BALANCE DE MATERIALES
Solidos en Alimentacin Sa Lb/hr Clculo 13 200
Producto
P2 Lb/hr Clculo 15 250
Agua en producto Ap Lb/hr Clculo 16 50
Evaporado 1er efectoE1 Lb/hr Clculo 18 375
Concentracin al 2o. Efecto
C1 Fraccin Clculo 21 0,32
BALANCE DE CALOR
Entalpia de vapor a 30 psi Hv BTU/lb Tablas 22 1171
Entalpia vapor a 170
He1 BTU/lb Tablas 22 1134
Vapor requerido
V lb/hr Clculo 416,9
Balance sobre 2o. efecto BTU/hr Clculo 8921,3
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EVAPORACION
En un segundo ensayo se supone un valor de 370 lb / hr para el evaporado del primer efecto,
encontrndose una diferencia de 19001,3 BTU/ hr, este incremento significa que el supuesto se
hizo en el sentido incorrecto, se debe tener por lo tanto un valor mayor al del primer ensayo,
tomando un valor de 380 lb/hr , la diferencia se torna negativa a un valor de -1158,8 BTU /hr. En la
hoja de clculo es muy sencillo ajustar el valor supuesto y se llega a 379,425 lb /hr , para tener
una diferencia de 0,4, como se aprecia en la siguiente hoja
BALANCE DE MATERIALES Ensayo1
Ensayo2
Ensayo3
Ensayo4
Parmetros Simb.
Unid. Fuente Ref .
Valor
Solidos en Alimentacin Sa Lb/hr Clculo
13 200 200 200 200
ProductoP2 Lb/hr Clcul
o15 250 250 250 250
Agua en producto Ap Lb/hr Clculo
16 50 50 50 50
Evaporado 1er efecto
E1 Lb/hr Clculo
18 375 370 380 379,425
Concentracin al 2o.Efecto
C1 Fracc. Clculo
21 0,32 0,32 0,32 0,32
BALANCE DE CALOR Ensayo1
Ensayo 2 Ensayo3
Ensayo 4
Parmetros Simb.
Unidades Fuente Ref. Valor
Entalpia de vapor a 30 psi Hv BTU/lb Tablas 22 1171 1171 1171 1171
Entalpia vapor a 170
He1 BTU/lb Tablas 22 1134 1134 1134 1134
Vapor requerido
V lb/hr Clculo 416,9 411,4 422,5 421,9
Balance sobre 2o. efecto BTU/hr Clculo 8921,3 19001,3 -1158,8 0,4
Una vez se han establecido los balances de energa y calor se procede a encontrar las reas de
transferencia de calor. Para el primer efecto se tienen los siguientes parmetros:
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EVAPORACION
Alimentacin hacia adelante
efectos. El vapor de agua de alta calidad se condensa en la calandria del primer efecto. Cuando la
temperatura del lquido de alimentacin es en el punto inicial, inferior a su punto de ebullicin, parte
del calor transferido se utiliza en el precalentamiento del lquido de alimentacin del segundo efecto
y as sucesivamente.
- Hacia
atrs:
para
ejecutar
este
mtodo
es
necesaro utilizar bombas intercaladas entre los diferentes efectos. El vapor ms agotado sirve
como medio de calentamiento del liquido ms fro y diluido, fluyendo a contracorriente lquido y
vapor. La viscosidad aumenta con la concentracin fenmeno que se compensa por las altas
temperaturas que va adquiriendo el lquido, al pasar por superficies cada vez ms calientes; por lo
anterior es necesario controlar constantemente la temperatura para evitar el chamuscado del
lquido. Este mtodo logra mayor economa de vapor.
FIGURA 5-8
Alimentacin hacia atrs
Mixta: como su nombre lo indica es un mtodo que combina las ventajas de los dos anteriormente
mencionados, o sea que combina la mayor simplicidad de la alimentacin hacia adelante con la
mayor economa de la alimentacin hacia atrs. Este sistema es realmente til cuando se utilizan
lquidos muy viscosos. Se usa generalmente en plantas con un alto nmero de efectos.
FIGURA 5-9
Alimentacin Mixta
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EVAPORACION
En paralelo: es un mtodo que permite un mayor control del proceso. Se usa especialmente en
FIGURA
5-10
Alimentacin en paralelo
evaporadores de cristalizacin y tiene como gran ventaja el hecho de no utilizar bombas entre los
diferentes efectos, superando as los continuos problemas de flujo a que se ven sujetos los otros
sistemas.
Cuando no se utiliza el mtodo de alimentacin de un evaporador por mltiple efecto, este se usa
para conservar el vapor caliente de un evaporador de un solo efecto y para precalentar el lquido
de alimentacin fro. En este mtodo el rea de la superficie de calentamiento es grande, debido a
la baja temperatura del vapor.
Un tercer mtodo utilizado es la recompresin del vapor, el cual al comprimirse dentro delevaporador retorna a la calandria.
Existen dos maneras de efectuar la recompresin. La primera de carcter trmico, la segunda de
orden mecnico y en donde se usa una bomba mecnica. En el primer mtodo se logra
generalmente un ahorro considerable de energa; en el segundo caso su uso es recomendable
para la concentracin de soluciones diluidas, por las mnimas diferencias de temperatura que se
pueden lograr entre el lquido de ebullicin y el medio de calentamiento.
Aplicaciones en la industria de alimentos
A continuacin se desarrolla un contenido que pretende ubicarle en las principales aplicaciones que
tiene la evaporacin, dentro de las tecnologas ms conocidas dentro de la industria alimentaria.
Veamos:
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EVAPORACION
Tecnologa de leches concentradas
An denominadas impropiamente leches condensadas. En 1858 Borden visita la primera fbrica de
estas leches en Estados Unidos, en sus principios la leche condensada era azucarada; a partir de
1884 se empez a fabricar la no azucarada. Hoy se distinguen dos tipos de procesos en laobtencin de dos productos:
- La leche condensada (que no ha sido esterilizada).
- La leche concentrada no azucarada (que es estril).
- Efectos de la concentracin
Los efectos de la concentracin sobre el equilibrio salino de la leche, es caracterizado por dos
fenmenos:
0* lnsolubilizacin de fosfatos y citratos de calcio, como consecuencia de la disminucin del agua.
1* Ligero descenso del pH que conduce a una mayor estabilidad de sales coloidales.
Al efectuarse el proceso de concentracin se alcanza un nuevo equilibrio entre las sales insolubles
y las sales disueltas. Ahora analicemos lo siguiente:
De todos es conocido que la sacarosa es poco soluble, as que en algunas leches concentradas se
corre el riesgo de que cristalice, por lo que el proceso de evaporacin utilizado debe evitar la
formacin de estos cristales. Otros graves peligros que se corren son el inminente acercamiento de
los glbulos grasos y el de la ascensin de la crema, por lo que es necesario estar homogenizado
continuamente el producto. Adems de lo anterior el fosfocaseinato clcico se ve bastante
perturbado en la operacin, lo cual hace peligrar la estabilidad del producto. Todo lo anterior implica
que el procedimiento de concentracin debe ser previamente establecido.
- Procedimiento
Veamos el principio del mltiple efecto, tal vez el ms adecuado y usado en la obtencin de leches
concentradas.
Se utilizan evaporadores que funcionan a un vaco parcial para disminuir la temperatura de
ebullicin. As se evitarn modificaciones profundas en la estructura bioqumica de la leche, que
lgicamente se producirn cuando la temperatura sobrepasa los 100 0C. Con estos evaporadores
se evita principalmente afectar las condiciones organolpticas del producto, puesto que se logra la
estabilidad de la lactosa. Con un solo evaporador la evaporacin al vaco no permite beneficiar los
costos de utilizacin del vapor; cuando se utilizan mnimo dos evaporadores, el funcionamiento en
mltiple efecto facilita la disminucin de los costos de proceso, especialmente en el ahorro de
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EVAPORACION
vapor.
Anteriormente mencionamos el principio del doble efecto; sin embargo, recordemos:
En el evaporador No. 1 se hierve una fraccin del lquido que se va a concentrar. Los vapores que
de ste salen actan como medio calefactor y evaporador de otra fraccin de lquido, la cual se
encuentra contenida en el evaporador No. 2. En ste se mantiene una presin inferior a la del
evaporador No. 1. El lquido circula en continuo a travs de los evaporadores, sin dejar de hervir.
En la medida en que se utilicen ms evaporadores se lograr una mayor economa, aunque el
empleo del mltiple efecto no es el nico mtodo de ahorrar combustible. La recompresin de
vaport ambin constituye una eficiente forma de disminuir las cantidades de vapor que se van a
utilizar. En efecto, el valor de la entalpa del vapor emitido por el evaporadorno es superior a la
entalpa del valor utilizado para el calentamiento del aparato.
- Preparacin Industrial
La concentracin de la leche al adicionarle azcar, garantiza la conservacin del producto acabado
sin necesidad de aplicar el procedimiento de esterilizacin. La presin osmtica es tan elevada que
impide el desarrollo de microorganismos.
Observe el siguiente diagrama de preparacin:
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EVAPORACION
FIGURA 5-11
Diagrama de fabricacin de las leches concentradas
Los objetivos principales de la fabricacin descrita son:
- Anular el espesor de la leche y la precipitacin del nitrato clcico, el fosfato de calcio y el
magnesio, durante el almacenamiento del producto.
- Inactivar enzimas (lipasas que dan sabor a rancio).
- Disminuir la flora bacteriana de la leche.
- Provocar una rpida y fcil disolucin del azcar antes de ingresar al evaporador.
- Alimentar el evaporador con leche ya caliente.
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EVAPORACION
Especificamos el proceso:
La leche despus de seleccionada y estandarizada es pasteurizada (1100C), durante pocos
segundos, logrando de esta forma cumplir en parte con los objetivos propuestos; luego la leche se
educolora con jarabe estril (70% de sacarosa). La cantidad de azcar que se va a aadir est
directamente relacionada con el contenido de grasa de la leche y se determina a partir de la
siguiente relacin:
Cantidad AZ aadida = Azcar / grasa x Grasa total en leche estand z
La leche ya azucarada pasa al evaporador, donde se efecta la concentracin (T 0= 530C P = 70
cm Hg) a la salida del evaporador la leche debe ser enfriada para evitar acentuar el color pardo y el
espesamiento del producto, hasta 300C rpidamente y luego hasta 150C lentamente (20 a 25
minutos).
Datos de inters
- Generalmente se aaden 17 kg de azcar, por cada 100 litros de leche.
- Se recomienda no pasar de 550C en la evaporacin, para evitar alterar los azcares e incrementar
la viscosidad del producto.
- El grado de concentracin buscado es mxime de 2.6.
- La densidad aproximada de la leche es 1.3 gr./cc.
- La leche concentrada estril es de menor concentracin que la condensada (se elimina hasta un
45% de agua).
- La leche normalizada es en primer lugar pasterizada (1200C durante 30 segundos), luego se
evapora hasta densidad de 1.15; enseguida se homogeniza, para evitar el separamiento de la
materia grasa durante el almacenamiento, posteriormente, se refrigera (7 a 80C) rpidamente,
despus esteriliza (se utilizan sales estabilizantes), se envasa en botes hermticamente sellados,
los cuales se esterilizan (en autoclaves a 110C en 20 minutos); finalmente se enfra hasta
temperatura de 2000 en tiempo promedio de 15 minutos.
5.5. Concentracin de jugos de fruta
Cuando los jugos de fruta se concentran mediante el proceso de evaporacin, se corre el riesgo de
que a temperaturas altas se d una prdida del sabor y aroma de estos.
El oxgeno del aire causa adems en el zumo de naranjas procesos de oxidacin que tienen
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EVAPORACION
FIGURA 5-12
Evaporacion en varias fases para la concentracin de zumo de naranja, segn el principio
de la bomba de calor
negativa influencia sobre el sabor y el color, el cual se torna oscuro. Para evitar la ocurrencia de
estos fenmenos, es aconsejable la utilizacin de equipos de evaporacin al vaco. Veamos:
El zumo de naranja recin exprimido, con 10% de materia seca, se refrigera y se evapora a una
temperatura de 100C a 200C y con una presin absoluta de 9 a 17 mm de Hg. El vaco se mantiene
por medio de una bomba de difusin. El zumo se concentra en varias fases hasta un contenido en
sustancia seca de 60%. A pesar de los cuidados durante el tratamiento se establecen algunas
prdidas de sustancias aromticas. En seguida se aade al concentrado la cantidad de zumo
fresco para reducir el contenido de sustancia seca al 42%.
Una caracterstica especial que sobresale en el procedimiento descrito, es que la mquina
frigorfica es utilizada tanto para la produccin de fro como para el calentamiento del evaporador al
vaco.
En una instalacin caracterstica de este proceso se pueden identificar las siguientes variables de
proceso, vea la figura 5-12
El agua de refrigeracin tiene una temperatura de 270C y el agente refrigerante (NH3) se condensa
a 400C en los evaporadores de serpentn para el jugo. En cada uno de los 4 evaporadores se
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EVAPORACION
evaporan 1800 kg de agua por hora. El vapor de agua que sale del jugo a una presin de 6 a 7 mm
de Hg se deposita en un condensador de serpentn, que constituye a la vez el evaporador de la
mquina frigorfica en el que se evapora el amoniaco a + 50C. El modo de funcionar de una
instalacin de este tipo se puede ver en la figura. El zumo se concentra en 3 fases desde el 8 al
13% hasta el 60% de sustancia seca. Cada fase se calienta por medio del vapor de NH 3 del
compresor que se est condensando. El zumo que sale de la primera fase de evaporacin, a,
contiene ya el 20% en sustancia seca; una parte se remite nuevamente al primer evaporador, la
otra se introduce en el segundo evaporador, b, donde se condensa hasta que alcance el 40% en
sustancia seca para lograr finalmento en el tercer evaporador, c, el 62%. En la salida inferior del
sistema de las tuberas de evaporacin de cada uno de los 3 evaporadores se separa del lquido el
vapor de agua que se ha formado y entra por una conduccin comn, d, en- los condensadores de
vapor de agua, e, donde se condensa mediante el NH3 que se evapora a +50C para salir finalmente
por el inyector de vapor, m. El NH3 que se ha condensado en los evaporadores de zumo a-c aunos
400C, entra en la conduccin colectora, f, se lica si es necesario completamente en el
condensador auxiliar, g, por medio de refrigeracin con agua y se subenfra; el amoniaco pasa a
travs de la vlvula moderadora, h, al separador de lquido, i. El NH3 puro que es un lquido de baja
presin desciende a travs de la conduccin, k, al condensador de vapor de agua, e, se evapora
all y el vapor amarillento queso forma queda aspirado, junto con el vapor que se ha acumulado en
el separador, i, a travs de la conduccin, l, por el compresor. La bomba de difusin de dos
efectos, m, mantiene los 3 evaporadores de zumo bajo el vaco deseado. Al zumo altamente
concentrado que sale por n se aade otra vez zumo fresco para mejorar el aroma. La mezcla de
zumo con el 42% de sustancia seca se congola primeramente a -9
0
C en una masa pastosa, seenvasa en bidones queso cierran bajo vaco y se introducen en una cmara donde se endurecen, y
finalmente se almacena a -200C.
En el procedimiento descrito reina en todos los evaporadores de zumo la misma presin y todos se
calientan por medio de vapor de amonaco de alta presin. La rentabilidad de este mtodo se
puede mejorar en el caso de que se caliente de esta forma solamente la primera fase. El vapor de
agua que se forma se puede emplear a su vez para calentar la segunda fase de evaporacin, pero
entonces es preciso que se disminuya la presin de esta fase de evaporacin todava ms, y el
vapor de agua que se forma en esta fase puede emplearse nuevamente para el calentamiento de
la tercera fase con la presin todava ms baja, etc. Estos evaporadores de efectos mltiples
ofrecen un ahorro esencial de energa.
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RESUMEN
Un evaporador es en esencia un aparato en el cual una solucin es sometida a calentamiento para
retirar el solvente de la solucin o concentrar la solucin.
Una diferencia bsica del proceso de evaporacin con el proceso de destilacin , radica en el
hecho de que en la evaporacin la solucin que se va a procesar es generalmente la de un soluto
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slido y un solvente lquido. En la destilacin, tanto solventes como soluto, son lquidos.
En la industria de alimentos, la evaporacin se emplea como operacin previa al secado de
productos, para reducir volmenes de soluciones y as facilitar su manejo; para facilitar la
preservacin de ciertos alimentos al reducir la actividad del agua y para la obtencin de sabores yolores naturales de ciertos productos, como por ejemplo esencias.
Las condiciones bajo las cuales la operacin de evaporar se lleva a cabo en la industria son muy
amplias y variadas en razn de la complejidad de los fenmenos de ebullicin.
En la prctica el diseo de equipos se basa ms en los resultados de campo que en las
consideraciones estrictamente tericas y este hecho se refleja en la gran variedad de equipos.
Son aspectos fundamentales de seleccin de equipos: si el lquido que se va a evaporar es ms o
menos viscoso que el agua y hasta qu punto la viscosidad causa flujo lento y se requiera de
agitacin. La precipitacin de los slidos que causa formacin de incrustraciones en las paredes o
superficies de transmisin de calor con las consiguientes negativas consecuencias. La tendencia a
formacin de espuma que pueden causar arrastre con los vapores tenindose prdidas de los
productos, como consecuencia de la concentracin gradual de la solucin, se tiene una elevacin
pronunciada en los puntos de ebullicin lo que requiere mayor demanda de calor as como un
adecuado control de l y lo ms importante las modificaciones as sean mnimas en las
caractersticas de las soluciones come consecuencia de aplicacin de calor. No debe olvidarse que
los alimentos son los ms susceptibles a cambios aun por pequeos cambios de temperatura.
La viscosidad tiende a disminuir la velocidad de circulacin de los fluidos y por consiguiente a
reducir los coeficientes de pelcula. Como a medida que se concentra la solucin la viscosidad
aumenta, la tasa de transferencia de calor disminuye a medida que aumenta la evaporacin.
La formacin de incrustaciones en las superficies de transferencia de calor, tambin trae como
consecuencia la disminucin de la tasa de transferencia por disminucin del valor de U.
Las incrustaciones son depsitos de slidos fuertemente adheridos a la superficie y ellas aumentan
a medida que las soluciones se concentran y a medida que la velocidad de circulacin disminuye,
ya que no existe arrastre de slidos. Para disminuir la formacin de incrustaciones se debeincrementar la velocidad de la solucin y ello se logra en los evaporadores de. circulacin o flujo
forzado. De todas maneras los evaporadores empleados en soluciones que tengan la tendencia a
incrustarse deben ser de fcil acceso para su uso y desincrustacin.
Las espumas se forman durante la ebullicin de muchos lquidos por efectos de fuerzas
interfaciales y se acenta su formacin cuando se opera a baja presin. Se cree que slidos
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suspendidos actan como medios para la formacin de burbujas y estos se depositan ms
fcilmente en las paredes, cuando se rompe la espuma y por consiguiente se aumenta la
incrustacin en las zonas aledaas al nivel de la solucin.
Las modificaciones en las caractersticas de los productos por efecto del calor se minimizancuando se opera a bajas temperaturas o los tiempos de operacin son reducidos. Las temperaturas
pueden disminuir empleando bajas presiones y se trabaja al vaco y para el tiempo se busca una
rpida evaporacin lograda en los evaporadores de pelcula delgada.
La ecuacin general de Fourier es aplicable a los evaporadores, en los que se toma la superficie
efectiva de evaporacin como superficie de transferencia de calor y la ecuacin que es comn para
cualquier aparato de transferencia de calor, se expresa:
Q = U A Tm
Los problemas que se presentan al resolver esta ecuacin son los que se derivan de las
variaciones de U, Tm a medida que va transcurriendo la evaporacin. No obstante el valor de Q
puede obtenerse a partir de un balance de calor y un balance de materiales efectuados sobre la
operacin en s.
Refirindonos a la figura 5-13 que representa un diagrama simplificado de un evaporador, se tiene
una alimentacin F kilos por hora con una concentracin de slidos Xf, en peso y la entalpa de
dicha solucin es HF. La solucin se concentra para producir P kilos con un porcentaje en peso de
slidos Xp y d entalpa Hp, saliendo vapor y con Y porcentaje de slidos y entalpa Hv.
El balance total de materiales es
F = P+V
Un balance parcial de los slidos ser:
FXF= PXp+ Vy
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Para
lograr la
evaporacin se emplean Skilos de vapor de agua con una entalpa Hs; este vapor
FIGURA 5-13
al ceder calor disminuye su entalpa y llega sta a un valor Hc. El balance global de calor es:
Calor de alimentacin + calor del vapor de agua = calor del producto + calor del lquido evaporado
+ calor del vapor gastado + calor perdido por radiacin.
En las operaciones de transferencia de calor, se busca las menores prdidas de calor empleando
aislantes adecuados, por tal razn las prdidas de calor, por radiaciones pueden ser despreciadas
y el balance total se expresa:
PHt = SHs = PHp + VHv + SHc
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AUTOEVALUACION No. 5
1. Cules son las tres principales variables que deben considerarse para lograr calcular un equipo
de evaporacin?
2. En un jugo de naranja, durante el proceso de evaporacin, se debe cuidar de no alterar
especialmente dos factores de carcter organolptico Cules?
3. Durante la evaporacin de un alimento, la presin hidrosttica alta, interviene directamente en la
formacin de:
4. Las unidades del Cp (calor especfico del lquido de alimentacin) son:
A. kg/seg.
B. J/kg.
C. J/seg0C.
D. J/kg0C.
5. El conocimiento del valor de la resistencia trmica de un material, es fundamental para el clculo
de:
A. Coeficiente global de transferencia de calor.
B. Carga calorfica.
C. Presin hidrosttica.
D. Velocidad de flujo.
6. Las variables identificadas por el enunciado de la regla de Duhring son:
A. Temperatura y volumen Kte.
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B. Presin y volumen kte.
C. Temperatura y presin kte.
D. Presin y temperatura kte.
7. La clase de alimentacin a un sistema de evaporacin que no utiliza bombas entre los
diferentes efectos se denomina:
A. En paralelo.
B. Mixta.
C. Hacia atrs.
D. Hacia adelante.
8 Se desea concentrar una disolucin de jugo de naranja desde 5 hasta el 20% de slidos en
un evaporador de triple efecto. El vapor de calefaccin del primer efecto es vapor saturado a 1.8
kg/cm2 de presin absoluta y el vaco mantenido sobre el ltimo efecto corresponde a una
temperatura de ebullicin de 480C. La alimentacin entra a 230C en proporcin de 10.000 kg/hr.
- Consumo de vapor
- Distribucin de temperaturas
- Superficie de calefaccin de cada efecto para los casos de alimentacin directa o en
contracorriente.
Datos:
- Se desprecia la elevacin del punto de ebullicin
- Se supone que el calor especifico de la dilusin es aproximadamente 1.0 kcal/k0C
- Los coeficientes de transmisin de calor se dan en kcaVm2h0C.
Efecto 1 Efecto 2 Efecto 3
Alimentacin directa 2.600 kg 1.700kg 1.000kg
Alimentacin en contracorriente 2.200kg 1.700kg 1.400kg
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