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Dr. Carlos Enrique Ochoa Velasco
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Dr. Carlos Enrique Ochoa Velasco
La evaporación es un método por el cuál se elimina una parte del agua contenida en un alimento fluido.
La evaporación es la operación de concentrar una solución mediante la eliminación de disolvente por ebullición.
El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil.
Un evaporador consiste básicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solución y un dispositivo para separar la fase vapor del liquido en ebullición. En su forma más simple puede ser una charola de líquido colocada sobre una placa caliente.
Un líquido cede calor (latente) y se condensa, mientras que el líquido a evaporar lo absorbe y se evapora
Evaporación de Efecto Simple Este es el proceso donde se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y desecha. Este método recibe el nombre de evaporación.
Tipos de evaporador
Evaporación de Múltiple efecto: Si vapor procedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentación en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se envía al condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. Al utilizar una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador el proceso recibe el nombre de evaporación en múltiple efecto
Tipos de evaporador
Evaporadores de efecto simple.
Producto concentrado (T1)
Alimentación (Tf)
Vapor de agua (Ts)
Vapor (T1)
P1 T1
Condensado
𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇 = UA 𝑇𝑠 − 𝑇1
Donde q es la velocidad de transferencia de calor (W). U es el coeficiente de transferencia de calor (W/m2) Ts es la temperatura del vapor que se condensa yT1 es el punto de ebullición del líquido. A es el área de transferencia de calor
Evaporadores de efecto múltiple
Producto concentrado (T1)
Alimentación (Tf)
Vapor de agua (Ts)
P1 T1
Condensado
Vapor (T1)
Producto concentrado (T1)
Alimentación (Tf)
Vapor de agua (Ts)
P1 T1
Condensado
Vapor (T1)
𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇 = UA 𝑇𝑠 − 𝑇1
Haciendo un balance de materia y energía
Siendo F (kg/h) el material a condesar (entrada), xF la fracción masa del soluto, TF la temperatura y hF la entalpia. Siendo L (kg/h) el material condensado (salida), xL la fracción masa del soluto, T1 la temperatura y hL la entalpia. Siendo V (kg/h) el vapor, xv =0, T1 la fracción masa del soluto, T1 la temperatura y Hv la entalpia. Siendo S (kg/h) la entrada de vapor de agua saturado, con Ts la temperatura de saturación y Hs la entalpia.
λ = 𝐻𝑠 − ℎ𝑠
Puesto que la temperatura del vapor V y del líquido L son las mismas (están en el evaporador) y la presión 1 (P1) es la del vapor de saturación del líquido con composición xL a su punto de ebullición T1. 𝛾 es el calor latente del vapor de agua a la temperatura de saturación Ts Haciendo un balance total: 𝐹 = 𝐿 + 𝑉
𝐹𝑥𝐹 = 𝐿𝑥𝐿
Balance de soluto
Balance de calor
𝐹ℎ𝐹 + 𝑆𝐻𝑠 = 𝐿ℎ𝐿 + 𝑉𝐻𝑉 + 𝑆ℎ𝑠
𝐹ℎ𝐹 + 𝑆𝛾 = 𝐿ℎ𝐿 + 𝑉𝐻𝑉
𝑞 = 𝑆 𝐻𝑠 − ℎ𝑠 = 𝑆𝛾
En un proceso de manufactura de jugos de fruta, se necesita del empleo de un evaporador, el cual recibe una alimentación de 4500kg/día de jugo, con una concentración del 21%. Si se desea concentrar los sólidos hasta el 60%, calcule la cantidad de agua evaporada.
Cámara de condensación:
𝑆𝐻𝑠 = 𝑆ℎ𝑠 + 𝑄
El vapor cede calor latente de condensación (vapor-líquido). Ni la masa ni la temperatura cambian (solo existe cambio de fase)
Cámara de evaporación:
Las temperaturas de las corrientes de concentrado (LhL) y de vapor ( 𝑉𝐻𝑉 ) que abandonan la cámara de evaporación son iguales y corresponden a la temperatura de ebullición de la solución concentrada que abandona la cámara.
𝐹ℎ𝐹 + 𝑄 = 𝐿ℎ𝐿 + 𝑉𝐻𝑉
Área de intercambio:
Recordando para vapor:
𝑄 = 𝑈𝐴∆𝑇 = UA(𝑇𝑠 − 𝑇1)
𝐻 = 𝐻𝑠𝑎𝑡 + 𝐶𝑝𝑑𝑇= = 𝐻𝑠𝑎𝑡 + 𝐶𝑝(𝑇 − 𝑇𝑒)
Te es la temperatura de ebullición de la solución y T es la temperatura que posee del calor específico. Hsat es la entalpía que posee el vapor a su temperatura de condensación.
Recordando para líquidos:
ℎ = 𝐶𝑝𝑑𝑇= = 𝐶𝑝(𝑇 − 𝑇𝑟)
Tr es la temperatura de referencia y T es la temperatura del líquido.
λ = 𝐻𝑠𝑎𝑡 − ℎ𝑠𝑎𝑡 Diferente estado de agregación
λ = 2.538 − 2.91 (𝑇°𝐶)
Ecuación de Regnault
Recordando para líquidos:
ℎ𝐹 = 𝐶𝑝𝑑𝑇= = 𝐶𝑝(𝑇𝐹 − 𝑇𝑟)
𝐻𝑠𝑎𝑡 = 𝐶𝑝 𝑇𝑒 − 𝑇𝑟 + λ
La temperatura de referencia utilizada es la de ebullición del agua pura (Tr=Te). Por tanto, si no existe aumento ebulloscopico la entalpía del vapor es igual al calor latente de condensación
ℎ𝐿 = 𝐶𝑝𝑑𝑇= = 𝐶𝑝(𝑇𝐿 − 𝑇𝑟)
Un evaporador continuo de efecto simple concentra 9072 kg/h de un solución salina al 1.0% en peso que entra a 311K (37.8°C), hasta una concentración final de 1.5% en peso. El vapor en el evaporador está a 101.325 kPa (1 atm) y el vapor de agua que se introduce está saturado a 143.3 kPa. El coeficiente total U=1704 W/m2.K. Calcule las cantidades de vapor y de producto líquido, así como el área de transferencia de calor que se requiere. Suponer que el punto de ebullición es igual al del agua. Cp de la alimentación es 4.14 kJ/kgK, la temperatura de ebullición de la solución diluida en el evaporador es 101.32 kPa, T1= 100°C (373.15K). De tablas el Hv es el calor latente del agua a 373.2 K que de acuerdo con las tablas es 2,257 kJ/kg. El calor latente del vapor (λ) de agua a 143.3kPa es Ts=383.2K es 2230kJ/kg.
Un evaporador continuo de efecto simple concentra 9072 kg/h de un solución salina al 1.0% en peso que entra a 311K (37.8°C), hasta una concentración final de 1.5% en peso. El vapor en el evaporador está a 101.325 kPa (1 atm) y el vapor de agua que se introduce está saturado a 143.3 kPa. El coeficiente total U=1704 W/m2.K. Calcule las cantidades de vapor y de producto líquido, así como el área de transferencia de calor que se requiere. Suponer que el punto de ebullición es igual al del agua. Cp de la alimentación es 4.14 kJ/kgK, la temperatura de ebullición de la solución diluida en el evaporador es 101.32 kPa, T1= 100°C (373.15K). De tablas el Hv es el calor latente del agua a 373.2 K que de acuerdo con las tablas es 2,257 kJ/kg. El calor latente del vapor de agua a 143.3kPa es Ts=383.2K es 2230kJ/kg.
Propiedades de importancia en el proceso de evaporación:
1.- Concentración en el líquido.
Generalmente la alimentación a un evaporador es diluida (al inicio) por lo que su viscosidad es bastante baja. Por tanto, es similar al agua y la operación se lleva a cabo con coeficientes de transferencia de calor altos. Al evaporar la solución se concentra y su viscosidad se incrementa notablemente, causando una gran disminución en el coeficiente de transferencia de calor. Se debe por tanto que incrementar la turbulencia para evitar que el coeficiente de calor se reduzca demasiado.
2.- Solubilidad
A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y formarse cristales. Esto limitará la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución.
Propiedades de importancia en el proceso de evaporación:
3.- Sensibilidad térmica de los materiales
Muchos productos, sobre todo los biológicos son sensibles a la temperatura y se degradan cuando la temperatura sube o el tiempo de calentamiento es prolongado. Por ejemplo los productos farmacéuticos, así como leche, jugos extractos vegetales entre otros.
4.- Formación de espuma
En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, o leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material.
Propiedades de importancia en el proceso de evaporación:
5.- Presión y temperatura
Existe en los evaporadores la combinación presión y temperatura, al elevarse la presión se elevará la temperatura de ebullición, así mismo al aumentar la concentración del soluto se incrementa la temperatura de ebullición.
6.- Formación de incrustaciones y materiales de construcción
Algunos materiales depositan incrustaciones (sólidos) en las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones son formadas por la descomposición de los productos. El resultado es una disminución en el coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador.
Efectos de la disminución de agua:
a) Aumento del color
b) Favorece algunas reacciones: Para evitarlo se trabaja con tiempos cortos y temperaturas de ebullición bajas
Para evitar tratamientos excesivos: Enfriado rápido (especialmente en alimentos viscosos)
Pérdidas de compuestos aromáticos
Para evitar la pérdida de sustancias volátiles
Mezclado del concentrado con una porción de alimento diluido para obtener la concentración deseada
Recuperación de sustancias volátiles por condensación de la fase gaseosa y posterior destilación
Arrastre de las sustancias volátiles con un gas inerte y adición posterior al líquido concentrado
1.- Marmita abierta (artesa)
2.- Evaporador de tubos horizontales con circulación natural
3.- Evaporadores vertical con circulación natural
4.- Evaporador vertical de tubos largos.
5.-Evaporador de caída de película.
6.- Evaporador de circulación forzada.
7.-Evaporador de película agitada.
8.- Evaporador solar de artesa abierta.
La selección del sistema esta en función de las necesidades de cada industria y proceso.
