CONCEPTO: EVAPORACIONLa evaporación es la operación unitaria por el cuál se elimina una parte del agua

contenida en un alimento fluido, en forma de vapor mediante la aplicación de calor obteniéndose un producto concentrado

Q T hasta punto de ebulliciòn

Evaporación del agua

SENSIBLE

LATENTE

Vapor a alta P, alta T

CALOR LATENTE

FUENTE DE CALOR

ALIMENTO

Ejemplos de aplicación

• Industria azucarera• Industria láctea• Industria zumos

OBJETIVOS DE LA EVAPORACION

• Aumento del contenido de sólidos (concentración) y mejora de la conservación. Ejm mermelada, leche evaporada

• Operación previa a otras operaciones (Ejm deshidratación, congelación)

• Facilidad de transporte y almacenaje • Cambio del aroma y el color (jarabes

caramelizados)

VENTAJAS

• Mejora la conservación del producto (Aw)

• Ahorro energético en operaciones subsecuentes

• Reducción de gastos de almacenamiento, transporte, material de empaque

• Facilidad del uso del producto

DESVENTAJAS

• Por sí sola no necesariamente conserva al producto. Algunos requieren métodos adicionales de conservación (refrigeración, congelación, tratamiento térmico, envasado al vacío, entre otros

• Pérdida de aromas (compuestos aromáticos más volátiles que el agua) recuperador de aromas

Ejemplo de la operación dentro de un flujo

ESQUEMA DE UN EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO

•

F

V

CS

L

Intercambiador de calor

Zona de ebulliciòn

Intercambiadores de calorTubos cortos, largos, de película, de placa, tubos concentricos

Componentes bàsicos: intercambiador, separador y condensador

Separadores de arrastre

TB Psistema

Xv Tb

XF TF

λS, TS

XL Tb

Tc=Ts

BALANCE DE MASA Y ENERGIA

• Balance global de masaF+S=L+V+C

• Balance de sólidosXFF=XLL+XVV XV=0

• Balance de energía

calor que se requiere proporcionar al producto (Calor sensible y calor latente)

Q = F Cp (Tb –Tf) + Vλvcalor suministrado por la fuente de calor

Q = S λsvelocidad de transferencia de calor en el

evaporador es:Q = U A ΔT =U A (Ts–Tb)

Q = velocidad de transferencia de calor (J/h)λs = calor latente de condensación del vapor a Ts(J/kg)λv = calor latente de vaporización del agua a Tb (J/Kg)

Cp = calor específico del producto alimentado (J/kg °C)U = coeficiente global del transferencia de calor

(W/m2°C)A = área de transferencia de calor ( m2 )Tf = Temperatura del producto alimentado (°C )Tb = Temperatura de ebullición del producto (depende

de Psist.) (°C )Ts = Temperatura vapor de calentamiento (depende de

Ps) (°C )

Factores que influyen en la eficiencia de la evaporación

Q = U A ΔT =U A (Ts–Tb)

Q altos con A menor sistema eficiente.

Objetivo:

Q grande, con A menor los valores de U y ΔTdeben ser grandes

• Como afectar U• Película Superficial• Depósito de residuos o “costras” en la

superficie de intercambio de calor• Material, espesor

• Como afectar ΔT• Temperatura del vapor de calentamiento • Temperatura de ebullición del producto

Temperatura de ebullición

Temperatura a la cuál la presión de vapor del líquido se iguala a la presión que existe alrededor del mismo (Psistema)

Psistema =Presión atmosférica Temp. ebullición∼100°C

Psistema alta ( >Presión atmosférica) Temp. ebullición alta (>100°C)

Psistema baja ( < Presión atmosférica vacio) Temp. ebullición <100°C

Mayor vacío menor Temp. ebullición

Elevación de la temperatura de ebullición

• A medida que el líquido se concentra, su temperatura de ebullición aumenta, por lo que el ΔT=(Ts-Tb) disminuye,reduciendo a su vez la velocidad de transferencia de calor (Q)

U coeficiente global de transferencia de calor

• Q = U A ΔT =U A (Ts–Tb)

U= 1/ΣResistencia= 1/(Rvapor+R material+R liquido ebullición)

1/U= R vapor + R material +R liquido ebullición

Material

Vapor condensandose Líquido

evaporándose

costras

1/U= 1/hv+ R costras + x/K+1/hL + Rcostras

Evaporadores de multiple efecto

Serie:• Directa, co-corriente, alimentación hacia

adelante• Contracorriente, alimentaciòn hacia atrás• MixtaParalelo

Métodos de alimentación para evaporadores de múltiple efectoSERIE

PARALELO

Directo

contracorriente

Mixto

• Directa:Se emplea cuando la alimentación esta caliente o cuando el producto concentrado final puede dañarse a T elevadas. Se requiere sistema de bombeo en el primer y ultimo efecto

• En contracorriente: El aumento de viscosidad que experimenta la disolución a medida que se concentra se ve compensado con el aumento del punto de ebullición en la misma al pasar de un efecto a otro. Con una alimentación fría resulta más económica la alimentación inversa. Util para producto concentrado muy viscoso

• Mixta: casos en los que se presenta un fuerte aumento de la viscosidad con la concentración.

• Paralelo: Se emplea para alimentaciones saturadas y el producto son cristales sólidos

PARAMETROS QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE EVAPORADORES

• Características del liquidoConcentraciónViscosidadFormación de espumaFormación de costrasSensibilidad a la temperaturaCalor específicoTemperatura de ebulliciòn (presiòn externa, elevaciòn punto de ebullición, efecto de la carga del líquido y presión)

• Materiales de construcción, equipos auxiliares (condensadores, bombas de vacío o inyectores, separadores de arrastre)

• Capacidad de un evaporador• Economía de un evaporador (mv/ms)• Conservación de la energìa en

evaporadores (Evaporadores de múltiple efecto)

Factores del proceso

• Concentración del líquido• Solubilidad• Sensibilidad térmica• Formación de espumas• Presión y temperatura• Formación de incrustaciones y materiales

de construcción

Economía de Vapor

• EV= Vapor producido/Consumo de vapor

• La economía de vapor es un término usado en evaporación para identificar la eficiencia del

sistema.

Elevación del punto de ebullición

• Las propiedades térmicas de las soluciones que se evaporan suelen ser muy diferentes a las del agua.

• Regla de Dühring (Foust et al., 1960) La temperatura de ebullición de una solución concentrada es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión (Mc Cabe et al., 1999). Por consiguiente, a una concentración constante se tiene:

Parametros Glucosa+Agua Sol. Café Zumo melónBrix 49,4 49,6 50,3mo 1,589 1,7967 2,4853m1 1,017 1,0139 1,017

TA = m0 + m1TA0

Donde:

TA Temperatura de ebullición de la soluciónTA0 Temperaturas de ebullición del agua pura

Tipos de evaporadores

para líquidos no viscosos, con alto U, líquidos que no formen incrustaciones, operan a régimen continuo. Baratos y requieren poca altura disponible

Evaporadores de tubos horizontales con circulación natural

Evaporador vertical con circulaciòn natural Liquido dentro de los tubos

vapor condensa por el exterior. El movimiento del liquido se da de manera natural debido a la ebulliciòn y a la disminución de la densidad . Ejm industria azucarera, sal

Evaporadores de tubos largos.

• Miden entre 3 y 10 m, velocidades altas del liquido. Tiempos breves de contacto. Ejm: leche condensada

Evaporadores de caida de película o película descendente

• . Fluye desde la parte superior en forma de pelicula delgada, separación de vapor y liquido en el fondo. Materiales sensibles al calor zumos de frutas, baja velocidad y baja tendencia de ensuciamiento, tiempos de retención bajos y coeficientes de transferencia de calor altos.

Aplicaciones de evaporadores de película descendente

• Productos Alimenticios• Jugos de fruta

– jugo concentrado de manzana y pera

– jugo concentrado de naranja, limón, pomelo y mandarina

– mosto concentrado• Pulpas de fruta • Pulpa de tomate• Extractos de café, malta

y té• Leche entera y

descremada • Suero de quesería y

mantequería

Derivados de Maízjarabe de glucosa comercial y maltosa Jarabe de fructosa 42 y fructosa 55 jarabe de dextrosa

Azúcar y Alcoholmelaza de caña y remolacha concentración de vinaza alcohólica

Agua de macerado de maíz y sorgo Caldo concentrado de carneAgua de cola de pescadoLevaduras

Evaporadores de circulación forzada

• aumento de U por bombeo provocando circulaciòn forzada en el interior de rubos. Utilpara liquidos muy viscosos, productos con muchas fibras o pastas, que se adhieren a la pared de los intercambiadores

• Aplicaciones • Zumos de mango

melocotón, fresa, tomate

Coeficientes Globales de transferencia de calor típicos de de evaporadores

Condensadores para Evaporadores

• El vapor del último efecto sale a presión de vacío y debe ser condensado

• Dos tipos:condensadores de superficie (más costosos

usan mayor cantidad de agua de enfriamiento)

condensadores de contacto directo (altura de 10,4 m, barato y ahorrador en consumo de agua)

http://www.equirepsa.com/pdf/eyectores/TV10.pdf

RECOMPRESION DE VAPOR• La energía del vapor formado en la ebullición de una

solución puede utilizarse para vaporizar más agua.• Termocompresión• Compresión Mecánica