quiz evaporacion

8/19/2019 Quiz Evaporacion

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1. REVISIÓN DE LITERATURA

1.1 EVAPORACIÓN

Se comprende por evaporación, a la operación unitaria, en la cual se lleva a cabo el

aumento de concentración de una solución líquida; compuesta por un disolvente, que es

eliminado en forma de vapor, y uno o varios solutos sólidos disueltos, los cuales son

prácticamente no volátiles a la temperatura de operación, la cual es la temperatura de

ebullición del disolvente, a la presión de operación del sistema (Franco, 2007).

En 99 % de los casos industriales, el disolvente es agua, aunque también puede ser un

solvente orgánico. El calor latente de evaporación se suministra por condensación de

vapor de agua, cuya energía se transmite a la solución por transferencia indirecta de calor

a través de superficies metálicas (Ribeiro y Canno, 2002; Estrada y Flores, 2000). Un

evaporador se utiliza para llevar a cabo este proceso en la mayoría de los casos (Gautami,

2011). Este pueden ser de un solo efecto o de múltiples efectos (Dhara y Bhagchandani,

2012).

La eliminación de agua de los alimentos proporciona estabilidad microbiológica y ayuda

a reducir los costos de transporte y almacenamiento (Singh y Heldman, 2009; Adib y

Vasseur, 2008).

La evaporación es utilizada en los procesos de concentración de soluciones acuosas de

azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. En


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de ebullición es una propiedad coligativa que depende sólo del número de partículas

disueltas y no de la identidad de las partículas (Lewis et al , 2010).

Para soluciones acuosas, la temperatura de ebullición ya no sólo depende de la presión,

sino también de la cantidad de soluto que contienen. En soluciones concentradas de

solutos disueltos no es posible predecir la elevación del punto de ebullición debido a la

presencia del soluto. La determinación del aumento ebulloscópico que presentan las

soluciones alimentarias es de suma importancia en el cálculo de evaporadores. Para

soluciones reales, el aumento ebulloscópico puede calcularse mediante la regla empírica

de Dühring, que establece que la temperatura de ebullición de la solución es función lineal

de la temperatura de ebullición del disolvente puro a la misma presión. Para una

concentración de soluto determinada, al representar gráficamente las temperaturas de

ebullición de la solución frente a las correspondientes al disolvente puro se obtienen

rectas. Para cada concentración se obtiene una línea recta diferente (Geankoplis, 2006;

Ibarz y Barbosa, 2005).

Presión y temperatura: estas dos características van estrechamente ligadas, puesto

que, la presión de operación, determinará el punto de ebullición a trabajar, por ende la

temperatura. De acuerdo con el modelo experimental de Classius y Clappeyron, si se

disminuye la presión del sistema, la temperatura de ebullición disminuirá, esto de acuerdo

a un modelo exponencial negativo. De la misma forma, si aumenta la presión del sistema,

aumentará la temperatura de ebullición y por ende la energía requerida por el sistema.

Debido a esto se debe trabajar, para minimizar costos, con equipos de vacío, que permitan

el mayor aprovechamiento del vapor vivo que se alimenta al evaporador. Por lo tanto, la


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transmisión de calor. En la evaporación de alimentos sensibles se utilizan saltos térmicos

bajos entre 2 y 3 ºC (Heldman y Lund, 2007; Casp y Abril, 2003).

Las reacciones inducidas por el calor en los alimentos, pueden causar la formación de

compuestos que se depositen sobre la superficie de transmisión de calor. Estas capas de

incrustaciones limitan la transferencia de energía térmica, aumentan la resistencia al flujo

de fluido y reducen la capacidad del evaporador (Heldman y Lund, 2007; Casp y Abril,

2003).

Formación de espumas: en algunos de los casos, que se simularán en este trabajo,

como la leche de vaca se da la formación de espumas durante la ebullición. Esta, por su

baja densidad, es arrastrada por el vapor que se está produciendo y se escapa por la parte

superior del evaporador, en el caso de un evaporador de simple efecto, pero en un sistema

múltiple efecto, esto puede ser muy perjudicial para el equipo, específicamente, para el

siguiente evaporador en la línea, pues al darse la condensación, se dará la deposición de

sólidos en la parte del vapor. Además del problema expuesto anteriormente, se tiene el

problema, de que se pierde material, que se escapa en forma de espuma (Franco, 2007;

Geankoplis, 2006).

Formación de incrustaciones y materiales de construcción: Algunas soluciones

depositan costras sobre la superficie de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a

causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. En estos

casos, el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega un momento en

que es preciso interrumpir la operación del evaporador y limpiar los tubos. La selección

de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la


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Evaporadores de circulación natural: los evaporadores de circulación natural

consisten en un intercambiador de calor tubular colocado dentro de un recipiente

cilíndrico. El calor para la vaporización es provisto por vapor vivo de proceso que

condensa dentro de los tubos. Se generan corrientes de convección libre que hacen circular

el líquido a concentrarse. En evaporadores de tubos horizontales, el haz de tubos,

conocida como la calandria, se compone de tubos cortos fijados a placas en ambos lados

del cuerpo del evaporador. Normalmente, el diámetro del tubo es de 25 mm y el diámetro

del evaporador entre 1 y 3,5 m. El vapor producido sale por la parte superior, que a

menudo consta de una serie de placas deflectores, para prevenir el arrastre de gotas delíquido. Los evaporadores de tubos horizontales son adecuados para soluciones que no

cristalizan y fluidos de baja viscosidad. Se pueden operar en continuo o por lotes (Smith,

2011).

En los evaporadores de tubos verticales, los tubos tienen una longitud entre 1 y 2 m que

se fijan entre placas horizontales en el cuerpo del evaporador. Normalmente el vapor se

condensa en el exterior de los tubos y el líquido que se concentran se eleva dentro de los

tubos, que suelen ser de mayor diámetro que en los evaporadores de tubos horizontales,

entre 35 y 75 mm. La circulación del líquido es ayudado por el tubo de descenso central

que presenta una sección transversal de entre 25 y 40% de la sección total que ocupan los

tubos (Smith 2011). Esta circulación natural mejora la dinámica del fluido e incrementa

el coeficiente de transferencia de calor. No es útil con líquidos viscosos. Este equipo se

llama con frecuencia evaporador de tubos cortos. Fue el primer tipo y comercialmente el

más popular. El primero fue construido por Robert y se llama a menudo evaporador

estándar o tipo calandria. La mayor desventaja de este equipo es el arrastre de espuma o


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diseñados para que el líquido esté sometido a una carga estática que impide su ebullición

en los tubos. Sin embargo, cuando llega a la cámara, existe una evaporación súbita, en la

que una pantalla de choque facilita la separación de la fase líquida del vapor (Ibarz y

Barbosa 2005).

1.1.3 Transmisión de calor en los evaporadores

Los tres elementos principales de interés en el diseño de un evaporador son la transferencia

de calor, la separación vapor-líquido y el consumo eficiente de la energía. Las unidades

en las que la transferencia de calor se lleva a cabo son llamadas unidades de calefacción

o calandrias. Los separadores de vapor-líquido se llaman cuerpos, cabezas de vapor o

cámaras de flash (Dhara y Bhagchandani 2012). En la evaporación la transferencia de

calor es el fenómeno gobernante. La cual sucede del medio de calentamiento, usualmente

vapor de agua, a la solución a concentrar; el evaporador se considera como una etapa de

equilibrio instantáneo líquido-vapor, por lo que los fenómenos de transferencia de masa

no son relevantes (Rojero et al . 2008).

Un evaporador es esencialmente un intercambiador de calor, equipado con dispositivos

adecuados para la separación de los vapores del líquido en ebullición. La capacidad de

evaporación del sistema es determinada, primero y más importante, por la velocidad de

transferencia de energía desde el medio de calentamiento hacia el líquido en ebullición

(Berk 2009).

La velocidad en la transferencia de calor determina el tiempo requerido para conseguir

una buena evaporación. La transmisión de calor en la evaporación depende de factores


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la cámara de evaporación son iguales, y se corresponden a la temperatura de ebullición de

la disolución concentrada que abandona esta cámara. Los balances energéticos que deben

realizarse son:

Cámara de condensación : wv H w = wv hw + Q̇

Cámara de evaporación: w A h A + Q̇ = wC hC + V H V

Área de intercambio: Q̇ = U A T = U A (T - t)

En la que U es el coeficiente global de transferencia de calor y A el área de intercambio

de calor del evaporador (Ibarz y Barbosa 2005).


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Miranda y Simpsom (2005), modelaron y simularon un proceso de concentración de

tomate en un evaporador industrial de múltiples efectos (cinco efectos), describiendo

modelos fenomenológicos dinámicos y estacionarios con la finalidad de estudiar el control

del proceso. Este trabajo incluyó correlaciones empíricas acerca de propiedades

termofísicas caracterizadas en un equilibrio termodinámico, investigando la influencia de

la variación de temperatura y concentración sobre el gasto energético a fin de evaluar una

optimización económica. El modelo fue desarrollado utilizando ecuaciones algebraicas y

diferenciales y validadas mediante un método de sensitividad resuelto por diferencias

finitas. El aspecto concluyente de este trabajo fue que los parámetros más importantes del

proceso fueron el coeficiente de transferencia de calor global y el calor latente de

vaporización.

Kaya y Sarac (2007), desarrollaron un modelo matemático para un evaporador de cuatro

efectos que utilizó diferentes modos de alimentación de la corriente de vapor y del fluido

a concentrar, en contracorriente y paralelo, con y sin precalentamiento de la alimentación.

Estos modos de operación fueron investigados para determinar su influencia en el ahorro

de energía, utilizando como caso de estudio los datos experimentales de una industria de

producción de azúcar. Fue planteado un sistema de ecuaciones lineales por cada efecto y

para cada condición de precalentamiento resolviéndolos mediante el método iterativo

gaussiano, obteniendo como aspecto concluyente que el mejor modo de operación es en

contracorriente y con precalentamiento.


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2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y EQUIPO DE EVAPORACIÓN

El alimento a concentrar, almacenado en un tanque de acero inoxidable, es suministrado

al evaporador de simple efecto por una bomba dosificadora de diafragma con control

1.3.2 Simuladores de procesos de evaporación

Rojero et al . (2008), desarrollaron un simulador escrito en lenguaje Fortran para un

evaporador de doble efecto en el que se concentró jarabe de azúcar. El objetivo del

simulador fue obtener el área de transferencia necesaria de calor, el consumo de vapor de

calefacción y la economía del evaporador, especificando flujo, concentración y

temperatura de entrada para obtener una solución de salida también especificada

igualmente. La información de entrada utilizada fue la presión de saturación del segundo

efecto, para determinar la temperatura de saturación. La variación que se hizo a la

temperatura de la corriente de entrada, permitió observar, que los comportamientos de las

variables del consumo de vapor y economía, fueron los esperados, por un lado el consumo

de vapor disminuyó al incrementarse la temperatura, y por el otro la economía aumentó,

esto debido a que se necesitó menor energía (vapor) para llegar a la temperatura de

ebullición de la solución a concentrar que disminuyó el gasto y al ser la economía una

relación de vapores entre el producido y el alimentado esta se hizo mayor.


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Figura 3. Diagrama de bloques (Fuente: Autor)

El vacío se realizó por una bomba de la serie DVR 30 de 1/8 hp, dotada con sistema de

control on/off que mantuvo constante la presión de operación en el domo de expansión

arriba de la columna de líquido en ebullición (Anexo 2: Figura 13). El equipo cuenta con

5 termopares que permitió la medición de las temperaturas en la alimentación antes y

después del precalentamiento, producto, vapor producido y vapor en la tubería que

conduce hacia el condensador (Anexo 2: Figura 14). Estos termopares se conectaron a una

tarjeta de adquisición de datos para temperatura de la serie NI USB 9211A de NATIONAL

INSTRUMENTS, que a la vez se conectó a un computador portátil marca HP ProBook

4440s para adquirir los datos a través de LabVIEW SignalExpress for DAQ 2011 para su

posterior procesamiento (Anexo 2: Figura 15). Los datos de nivel de líquido se obtuvieron

a través de la mirilla de nivel que posee el equipo en el cuerpo de evaporación, la altura

del líquido se midió con regla graduada (Anexo 2: Figura 16). Los flujos de condensado

Espacio para vaporen el condensador

Espacio para el aguaen el condensador

Líquido en ebullición Tubos de la calandria Vapor en la calandria

Espacio para vapor en el precalentador

Vapor vivo de caldera

Condensado

Producto

Condensado

Vapor vivode caldera

Alimentación

Condensado

Flujo de vapor y condensado Flujo de calor Flujo solución Flujo agua

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