Lección 34. Cálculos en evaporadores

El cálculo del evaporador lleva a establecer fundamentalmente los balances de materia y de calor para determinar el área de transferencia de calor y con base a las consideraciones expuestas en lo numerales anteriores, entrar a seleccionar el equipo más adecuado y proceder a distribuir el área en el sistema operacional (tubos, superficies cilíndricas, superficies planas, etc.)

EJEMPLO 4-1

Una solución acuosa al 1% en peso es alimentada a un evaporador a 700C y va a ser concentrada al 10%, empleando como medio de calefacción vapor a 30 psi. Para una alimentación de 500 kilos por hora, determinar:

- Cantidad de agua evaporada.

- Cantidad de vapor consumido si la entalpía del producto es 180 kcal / kg.

- El área de transferencia de calor, si el coeficiente total U es de 580 kcal m2hr0C.

Solución: Balances de materiales nos permiten encontrar la cantidad de agua evaporada.

Llamando F, P y V a la alimentación, producto y agua evaporada respectivamente, el balance total es:

F = P+V ==== 500 k/hr = P+V

El balance sobre los sólidos 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

- Un balance de energía determina la cantidad de vapor consumido, S

FHf + SHs = PHp + SHc + VHv

Para la resolución de esta ecuación establecemos que: la solución acuosa siendo 99% de agua, tiene propiedades, como la entalpía similar a la del agua; la evaporación ocurre a presión atmosférica y el vapor al ceder calor se condensa, y el agua condensada sale a esta temperatura de condensación. Bajo estas condi-ciones 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 ecuación 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 área de transferencia será:

A = Q / U T = 217.000 / 580 (137 - 100) = 10,11 m2

En la presentación y desarrollo del anterior ejemplo, se presentan algunos inte-rrogantes. ¿ El punto de ebullición de la solución es de 700C? ¿O es mayor o menor? ¿La temperatura de salida de la solución es la misma de entrada? ¿El vapor empleado como elemento de calefacción se condensa a los 30 psi y luego se enfría a 1000C?

Normalmente las soluciones acuosas tienen para la misma temperatura del agua pura presiones de vapor menores; por consiguiente, su temperatura de ebullición es mayor que la del agua a la misma presión.

La diferencia de temperatura entre el punto de ebullición de la solución y el punto de ebullición del agua, a la misma presión, es la elevación del punto de ebullición de la solución.

Si bien para el ejemplo anterior los interrogantes expuestos no afectan el balance total de energía, la solución por tener un punto de ebullición superior al del agua está entrando muy fría al evaporador, igualmente la solución sale a temperatura de ebullición y el vapor de calefacción puede enfriarse a menos de 100 0C ya que se presenta un T en la solución inicial de 30 0C.

La elevación del punto de ebullición depende básicamente del soluto y de la concentración del mismo. Es pequeña para soluciones diluidas o de coloides orgá-nicos, pero puede ser muy alta para soluciones de sales inorgánicas de alta concentración. Para soluciones diluidas puede emplearse la ecuación de Clausius Clapeyron.

T = (RT2 / H Vap) X = kb m

donde: T = Es la elevación del punto de ebullición

R = Constante de los gases

To = Temperatura de ebullición del solvente a presión P.H vap = Entalpía de vaporización a presión P.X = Fracción molar del soluto.kb = Constante molar del punto de ebullición del solvente.m = Número de moles del soluto o fracción molar.

EJEMPLO 4-2

Determinar el punto de ebullición de una solución que contiene 5 gramos de úrea por 75 gr de agua. La constante KS del agua es 0.5130C/mol y el peso molecular de la úrea 60.0.

Solución: La fracción molar m de la úrea en la solución es:

m = (5.00 / 60.6) (1000 cm3/lt / 75 cm3) = 1.11 mol/litro

y T = kb m = 0.513 x 1.11 = 0.569OC

La temperatura de ebullición será 100 + 0.569 = 100.5690C

Resp: 100.5690C

Recordemos que esta ecuación sirve igualmente para determinar pesos moleculares de soluto.

Como puede apreciarse en el ejemplo, la elevación de temperatura es relativamente baja, circunstancia que lleva a asumir para estas soluciones diluidas, como temperatura de ebullición, aquella correspondiente a la del solvente sin inducir mayor error.

Para soluciones concentradas se emplea una regla empírica conocida como regla de Duhnng que define el punto de ebullición de una solución como función lineal del punto de ebullición del agua pura a la misma presión. .

 

Elevación del punto de ebullición

FIGURA 4-4

 

Llamando Ts la temperatura de ebullición de la solución To, la del agua pura, puede correlacionarse:          Ts = a + b To

Para cada presión específica, existe una ecuación específica y portal razón se acude a gráficas en las que se representan las temperaturas de ebullición a diversas concentraciones

 

EJEMPLO 4-3

 En un evaporador que funcionará a 10 psi, se va a concentrar una solución de hidróxido de sodio al 50%. Determinar la elevación del punto de ebullición.

Solución: De las tablas de vapor el agua a 10 psi ebulle a 193.2 0F, equivalente a 89.55 0C. En la figura para una temperatura de 90 0C, como punto de ebullición del agua y para la concentración del hidróxido al 50%, la temperatura de ebullición es de 135 0C, luego la elevación del punto de ebullición es de 135 –90 0C = 45 0C  (más exactamente 45,45 0C).

                                                                                              Resp:  45,45 0C

EJEMPLO 4-4

En un evaporador de simple efecto, calentado por un serpentín recorrido, por vapor a 105 0C, el vacío del aparato está regulado para que la ebullición se produzca a 60 0C.  A la salida del serpentín, el agua que procede del vapor de calentamiento está a 85 0C.

Cuánta agua se puede evaporar por kilo de vapor empleado ?

 Solución : Veamos en primer lugar, cuánta agua del líquido que se va a concentrar puede evaporar 1 kg de vapor a 105 0C, suponiendo que la instalación está ya funcionando y que las pérdidas de calor son nulas. Veamos:

Calor aportado por 1 kg de vapor a 105 0C (Q1)   De tablas de vapor la entalpía de evaporación 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 evaporación del agua a 60 0C  (L) es de 563,2 kcal /kg  ( de tablas de vapor

Por lo anterior, teóricamente se podrá evaporar, por kg de vapor a 105 0C una cantidad de agua igual a:

                                    Q3  /  L  = 555.5 / 563,2 = 0.986 kg

                                                                                              Resp.  =  0,986 kg

 

EJEMPLO 4-5

Se requiere concentrar  800 kilos por hora  de un jugo de fruta, mediante evaporación, de una concentración 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 / m2 0C

Establecer los requerimientos de calor , vapor de servicio empleado y área de transferencia de calor asumiendo que no existe elevación de punto de ebullición y que la alimentación entra a temperatura de ebullición

Solución: El balance de materiales permite determinar el agua evaporada y de acuerdo a la entalpía de evaporación se establece la cantidad de calor requerida.

El área de evaporación se obtiene con el flujo de calor , la diferencia de temperatura y el coeficiente global de transferencia de calor.

Balance de materiales:

Sólidos en el jugo               =  0,9 x 800   =   72 kg / hr

Producto concentrado       =  72 /  0,25   =  288 kg / hr

Agua evaporada                 = 800  - 288   =  512 kg / hr

 

Balance de  Calor:

De tablas de vapor se tiene

Calor latente de vaporización del agua a 50 0C           = 2.382.8 kJ/kg

Calor de condensación a 110 0C                        =2.630,2

Calor necesario para la evaporación      =   512 x 2382,8 =  1.219.994  kJ/hr

Vapor consumido                                       =  1.219.994 /2.630,2  =  463,84 kg /hr

 

Área requerida para el proceso:

Se aplica la ecuación general de transferencia de calor  Q  =  U A T    

La caída media logarítmica de temperatura es igual a la diferencia normal, puesto que los fluidos operan isotermicamente.

T              =  110  - 50  =  60  0C 

y el área 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                                                                                  Área de transferencia  13,55 m2

 

EJEMPLO 4-6

Se dispone de un evaporador que trabaja a vacío 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 / m2 0C. A qué concentración puede llegar el jugo de emplearse este evaporador, si se aprovecha tan solo el 30% del calor que lleva el evaporado.

Solución . 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 pérdidas entre el primer y segundo evaporadores.

Teniendo el jugo del 25%, una temperatura de ebullición  de  40 0C   y asumiendo que no hay elevación de punto de ebullición , la cantidad de agua evaporada depende de la entalpía de ebullición.

De las tablas de vapor  la entalpía de evaporación es de 2.406,73 kJ/kg, y como se aprovecha tan solo 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 concentración será  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 concentración significativa. En la mayoría de las industrias se emplean arreglos de dos o más equipos en lo que se conoce como evaporador multiefecto y cada aparato se conoce como efecto.

Dos de los sistemas más empleados en la recuperación de calor, tienen su aplicación en equipos de evaporación.

Ellos son la bomba de calor y el ciclo de recomprensión. Como se observó en los balances de energía, la conversión de  energía mecánica a energía térmica es mucho más eficiente que lo contrario y consecuencialmente es más económico para iguales fines emplear la energía mecánica y en ello se basan los dos sistemas regenerativos.

La bomba de calor está asociada a los ciclos de refrigeración en donde el calor generado en la compresión del fluido refrigerante debe ser retirado para permitir la condensación del mismo. En tanto que el ciclo de recompresión trabaja sobre

parte del evaporado que se somete a una compresión que permite elevar su temperatura y servir como medio de calefacción para el equipo. En el ciclo de recompresión el evaporado se comprime a una presión Sencillos ejemplos nos ilustran estos arreglos tan importantes en la industria.

 

EJEMPLO 4-7

Se desean evaporar 5.000 lb / hr de un alimentación para ser concentrada de 5 a 45% de sólidos aprovechando un ciclo de recompresión, que trabaja bajo los siguientes parámetros:

Presión del evaporador    10 psia

Temperatura del vapor de servicio    250 0F

Establecer la potencia de compresor para el ciclo de recompresión  

 

Solución: El compresor toma parte del evaporado que se encuentra a 10 psia y lo lleva a una presión tal que corresponde a la temperatura de 250 0F.

Las condiciones termodinámicas de cada vapor son:

Evaporado :              Presión  10  psia

                                   Temperatura  193 0F

                                   Entalpía de vapor  1143,2 BTU /lb

                                   Entalpía de Condensación  982 BTU /lb

                                   Entropía del vapor   1.7876 BTU /lb 0F

Vapor de Proceso   Presión  20  psia

                                   Temperatura  227,96 0F

                                   Entalpía de vapor  1156,3 BTU /lb

                                   Entalpía de Condensación  960  BTU /lb

                                   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 4-5

 

Observando la trayectoria termodinámica 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.

Sólidos en la alimentación                       =   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 conversión de  BTU a  Hp ,  la potencia requerida  es

                        173.247 x 778

            P  =  -------- ---------------------  =  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 solución y realmente la función 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 situación

 

EJEMPLO 4-8 Determinar el área de transferencia de calor  para el evaporador del ejemplo anterior, teniendo un coeficiente de transferencia de calor de 300 BTU / hr ft 2 0F.

Solución    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

                                                                                                                                             Resp:  118,76  ft 2

 

Para lograr la recuperación de calor que lleva el evaporado, en condiciones normales , se requieren varios efectos  con los consecuentes mayores gastos

 en la inversión inicial, costos de equipos adicionales como bombas, tuberías y accesorios que requieren los diversos efectos y el espacio requerido para su instalación

 

EJEMPLO 4-9

Para aprovechar el excedente de calor en los equipos de refrigeración de una industria de jugos y  aplicar la bomba de calor se debe dimensionar termodinámicamente un evaporador de película para jugos.

En el ciclo de refrigeración se tiene amoniaco que sale del compresor a 125 0F y 300 psia, requiriéndose para la expansión (después de la válvula de expansión) en los equipos de frío , líquido 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 área del evaporador.

Se dispone de los siguientes datos:

Calor latente de condensación del amoniaco  500 BTU/lb

Calor latente de vaporización del agua 1.036,4 BTU/lb

 

Solución.- El Balance de materiales y balance de calor permite establecer la cantidad de calor requerida para el proceso.

Balance de materiales

Sólidos 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

Amoniaco requerido                                              = 5.907.480  / 500 = 11.815 kg / hr

Determinación del área 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 4-10

Se considera un sistema de doble efecto, en donde el primer evaporador es calentado por vapor a 102 0C; el vacío es regulado para hacer ebullir el líquido a 85 0C. El agua de condensación sale del serpentín a 95 0C. Los vapores que salen del primer evaporador calientan al segundo o sea a temperatura de 85 0C.

El vacío es más intenso para conseguir que el líquido hierva a 60 0C. El agua de condensación sale del serpentín del segundo evaporador a 75 0C. En estas condi-ciones determinemos qué cantidad de agua del líquido que se va a concentrar puede evaporar 1 kg. de vapor a 105 0C

 

FIGURA 4-6

Evaporador multiefecto

. Solución:

Las entalpías de las diversas corrientes son:

Vapor a 105 0C   = 641,5 kcal /kg

Condensado a 95 0C = 95,00 kcal /kg

De vaporización a 85 0C = 633,39 kcal /kg

De vaporización 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 0C es:

                        641,5 -95 /  633,39  =  0,86  kg

- Cantidad de agua evaporada en el segundo evaporador, por 1 kg de vapor a 85 0C (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 4- 11

En un evaporador de doble efecto se concentra en contracorriente  1000 kilos de una solución al 20% de sólidos hasta un 80%, empleando vapor a 30 psig. se dispone de lo siguientes parámetro de cálculo

Temperatura de ebullición en el 1er. efecto                 170 oF

Coeficiente total de transf. de calor  1er efecto                        400

Temperatura de ebullición en el 2º. efecto                   135 oF

Coeficiente total de transf. de calor  2º. efecto             300  BTU / hr ft2 oF

Entalpía de la solución                  100 - 15 x C ( siendo C la concentración de sólidos )  BTU /lb

Entalpía de vapor a 30 psig                                             1171 BTU/lb

Entalpía de Condensado a 30 psig                                241 BTU / lb

 

No se tiene elevación del punto de ebullición. Establecer los requerimientos de vapor de servicio y el área de transferencia de calor de cada efecto.

 

Solución.- Este problema involucra simultáneamente los balances de calor y de energía.tanto para cada efecto como para el evaporador.

Los balances de materiales y de energía de acuerdo al diagrama

1er Efecto

Sólidos          1000 x 0,2  =  P1  x  C1

Agua              1000 x 0,8  =  P1  x  ( 1 - C1)  +  E1           

Total               1000  =  P1 +  E1

2º. Efecto

Sólidos          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

GLOBAL

Sólidos          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

 

FIGURA 4-7

Evaporador de doble efecto

 

De estos balances quedan como incógnitas la cantidad de producto que sale del primer efecto y su concentración, así 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 calefacción y la cantidad que entra es exactamente igual a la que sale.

Para establecer los balances de calor tenemos :

Entalpia alimentación  100  -15 x 0,2  =  97 BTU /lb

Entalpía del producto   100 - 15 x 0,8  = 88 BTU /lb

Entalpia de evaporado 1er efecto   =  1134 BTU /lb

Entalpía de condensado 1er efecto  =  137,9 BTU /lb

Entalpia de evaporado 2º. efecto   =  1119,9 BTU /lb

Entalpía de condensado 2º. 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 2º. 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 entalpía del producto del primer efecto, que a la vez es función de la concentración de la solución.

Realizado un análisis de las ecuaciones presentadas se llega a establecer que la solución al problema se obtiene por ensayo y error, que es la situación normal que se plantea en los cálculos de evaporadores de dos o más 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 energía, el ensayo se establece sobre el balance de calor del 2º. efecto que debe arrojar una sumatoria igual a 0.

Para el primer ensayo 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 cálculo.

En un segundo ensayo se supone un valor de  370 lb / hr para el evaporado del primer efecto, encontrándose 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 cálculo 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

   

 

 

 

 

 

Una vez se han establecido los balances de energía y calor se procede a encontrar las áreas de transferencia de calor. Para el primer efecto se tienen los siguientes parámetros:

Temperatura de vapor                    273 o F

Temperatura de ebullición                        170 o F

Coeficiente total de transf. de calor  1er efecto                        400 BTU / hr ft2 oF

para establecer el calor transferido y basado en los datos de la hoja de cálculo  se tiene 

620,575  x 95,17  + 379,425 x 1134 - 1000 x 97   =  392.325  BTU /hr

Con estos valores el área de transferencia es:

                     392.325

A1  =  ---------------------------- =   11,88 pies cuadrados

            (273 - 170 ) x  400

 

Temperatura de ebullición en el 2º. efecto                   135 oF

Coeficiente total de transf. de calor  2º. efecto             300  BTU / hr ft2 oF

Adicional en este ejemplo se establecen  los balances y hojas de cálculo para el flujo en contracorriente. Las condiciones de operación cambian ya que el evaporado del segundo efecto alimenta al sistema de calefacción del primer efecto y consecuencialmente su temperatura debe ser mayor.

 

Lección 35. Métodos de alimentación comunes en evaporadores de múltiples efectos

Hacia adelante: es el método más conocido, el líquido de alimentación va en el mismo sentido

de los vapores hacia adelante, o sea de un efecto hacia otro en forma secuencial: del primero al

segundo y de este al tercero, etc. Para lograr desarrollar este método es necesario contar con una

bomba extracción y operar el equipo a presiones bajas controladas. En este sistema generalmente se da una pérdida en la economía del vapor, veamos: la viscosidad del líquido se incrementa debido al aumento constante de la concentración y a la reducción de la temperatura al pasar de un efecto a otro. El valor del coeficiente de transferencia de calor es por tal razón bajo en los últimos

 

 

FIGURA 4-7

Alimentación hacia adelante

 

El vapor de agua de alta calidad se condensa en la calandria del primer efecto. Cuando la temperatura del líquido de alimentación es en el punto inicial, inferior a su punto de ebullición, parte del calor transferido se utiliza en el precalentamiento del líquido de alimentación del segundo efecto y así sucesivamente.

-         

Hacia atrás: para ejecutar este método es necesarío utilizar bombas intercaladas entre los diferentes efectos. El vapor más agotado sirve como medio de calentamiento del liquido más frío y diluido, fluyendo a contracorriente líquido y vapor. La viscosidad aumenta con la concentración fenómeno que se compensa por las altas temperaturas que va adquiriendo el líquido, al pasar por superficies cada vez más calientes; por lo anterior es necesario controlar constantemente la temperatura para evitar el chamuscado del líquido. Este método  logra mayor economía de vapor.

 

FIGURA 4-8

Alimentación hacia atrás

Mixta: como su nombre lo indica es un método que combina las ventajas de los dos anteriormente mencionados, o sea que combina la mayor simplicidad de la alimentación hacia adelante con la mayor economía de la alimentación hacia atrás. Este sistema es realmente útil cuando se utilizan líquidos muy viscosos. Se usa generalmente en plantas con un alto número de efectos.

                                                          

 

FIGURA  4-9Alimentación Mixta

 

En paralelo: es un método que permite un mayor control del proceso. Se usa especialmente en

                                                            

 

  FIGURA 4-10

           Alimentación en paralelo

 

evaporadores de cristalización y tiene como gran ventaja el hecho de no utilizar bombas entre los diferentes efectos, superando así los continuos problemas de flujo a que se ven sujetos los otros sistemas.

Cuando no se utiliza el método de alimentación de un evaporador por múltiple efecto, este se usa para conservar el vapor caliente de un evaporador de un solo efecto y para precalentar el líquido de alimentación frío. En este método el área de la superficie de calentamiento es grande, debido a la baja temperatura del vapor.

Un tercer método utilizado es la recompresión del vapor, el cual al comprimirse dentro del evaporador retorna a la calandria.

Existen dos maneras de efectuar la recompresión. La primera de carácter térmico, la segunda de orden mecánico y en donde se usa una bomba mecánica. En el primer método se logra generalmente un ahorro considerable de energía; en el segundo caso su uso es recomendable para la concentración de soluciones diluidas, por las mínimas diferencias de temperatura que se pueden lograr entre el líquido de ebullición y el medio de calentamiento.

 

Aplicaciones en la industria de alimentos

A continuación se desarrolla un contenido que pretende ubicarle en las principales aplicaciones que tiene la evaporación, dentro de las tecnologías más conocidas dentro de la industria alimentaria. Veamos:

Tecnología de leches concentradas

Aún denominadas impropiamente leches condensadas. En 1858 Borden visita la primera fábrica de estas leches en Estados Unidos, en sus principios la leche condensada era azucarada; a partir de 1884 se empezó a fabricar la no azucarada. Hoy se distinguen dos tipos de procesos en la obtención de dos productos:

- La leche condensada (que no ha sido esterilizada).

- La leche concentrada no azucarada (que es estéril).

 

- Efectos de la concentración

Los efectos de la concentración sobre el equilibrio salino de la leche, es caracterizado por dos fenómenos:

      lnsolubilización de fosfatos y citratos de calcio, como consecuencia de la disminución del agua.

      Ligero descenso del pH que conduce a una mayor estabilidad de sales coloidales.

Al efectuarse el proceso de concentración 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, así que en algunas leches concentradas se corre el riesgo de que cristalice, por lo que el proceso de evaporación utilizado debe evitar la formación de estos cristales. Otros graves peligros que se corren son el inminente acercamiento de los glóbulos grasos y el de la ascensión de la crema, por lo que es necesario estar homogenizado continuamente el producto. Además de lo anterior el fosfocaseinato cálcico se ve bastante perturbado en la operación, lo cual hace peligrar la estabilidad del producto. Todo lo anterior implica que el procedimiento de concentración debe ser previamente establecido.

- Procedimiento

Veamos el principio del múltiple efecto, tal vez el más adecuado y usado en la obtención de leches concentradas.

Se utilizan evaporadores que funcionan a un vacío parcial para disminuir la temperatura de ebullición. Así se evitarán modificaciones profundas en la estructura bioquímica de la leche, que lógicamente se producirán cuando la temperatura sobrepasa los 100 0C. Con estos evaporadores se evita principalmente afectar las condiciones organolépticas del producto, puesto que se logra la estabilidad de la lactosa. Con un solo evaporador la evaporación al vacío no permite beneficiar los costos de utilización del vapor; cuando se utilizan mínimo dos evaporadores, el funcionamiento en múltiple efecto facilita la disminución de los costos de proceso, especialmente en el ahorro de vapor.

Anteriormente mencionamos el principio del doble efecto; sin embargo, recordemos:

En el evaporador No. 1 se hierve una fracción del líquido que se va a concentrar. Los vapores que de éste salen actúan como medio calefactor y evaporador de otra fracción de líquido, la cual se encuentra contenida en el evaporador No. 2. En éste se mantiene una presión inferior a la del evaporador No. 1. El líquido circula en continuo a través de los evaporadores, sin dejar de hervir. En la medida en que se utilicen más evaporadores se logrará una mayor economía, aunque el empleo del múltiple efecto no es el único método de ahorrar combustible. La recompresión de vapor también constituye una eficiente forma de disminuir las cantidades de vapor que se van a utilizar. En efecto, el valor de la entalpía del vapor emitido por el evaporador no es superior a la entalpía del valor utilizado para el calentamiento del aparato.

- Preparación Industrial

La concentración de la leche al adicionarle azúcar, garantiza la conservación del producto acabado sin necesidad de aplicar el procedimiento de esterilización. La presión osmótica es tan elevada que impide el desarrollo de microorganismos.

Observe el siguiente diagrama de preparación:

 

 

FIGURA 4-11

Diagrama de fabricación de las leches concentradas

 

 

Los objetivos principales de la fabricación descrita son:

- Anular el espesor de la leche y la precipitación del nitrato cálcico, 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 rápida y fácil disolución del azúcar antes de ingresar al evaporador.

- Alimentar el evaporador con leche ya caliente.

 

Especificamos el proceso:

La leche después de seleccionada y estandarizada es pasteurizada (110 0C), durante pocos segundos, logrando de esta forma cumplir en parte con los objetivos propuestos; luego la leche se edulcolora con jarabe estéril (70% de sacarosa). La cantidad de azúcar que se va a añadir está directamente relacionada con el contenido de grasa de la leche y se determina a partir de la siguiente relación:

            Cantidad AZ añadida =  Azúcar / grasa  x  Grasa total en leche estandard

La leche ya azucarada pasa al evaporador, donde se efectúa la concentración (T0

= 53 0C 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 30 0C rápidamente y luego hasta 15 0C lentamente (20 a 25 minutos).

Datos de interés

- Generalmente se añaden 17 kg de azúcar, por cada 100 litros de leche.

- Se recomienda no pasar de 55 0C en la evaporación, para evitar alterar los azúcares e incrementar la viscosidad del producto.

- El grado de concentración buscado es máxime de 2.6.

- La densidad aproximada de la leche es 1.3 gr./cc.

- La leche concentrada estéril es de menor concentración que la condensada (se elimina hasta un 45% de agua).

- La leche normalizada es en primer lugar pasterizada (120 0C durante 30 segundos), luego se evapora hasta densidad de 1.15; enseguida se homogeniza, para evitar la separación de la materia grasa durante el almacenamiento, posteriormente, se refrigera (7 a 8 0C) rápidamente, después esteriliza (se utilizan sales estabilizantes), se envasa en botes herméticamente sellados, los cuales se esterilizan (en autoclaves a 1100C en 20 minutos); finalmente se enfría hasta temperatura de 2000 en tiempo promedio de 15 minutos.

http://www.mediafire.com/download/khpsgwkx0ajhpao/PROBLEMAS+DE+ING.+QMC+OCON+TOJO+VOL+1.pdf