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CAPITULO 5
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INTRODUCCIÓN
La evaporación es una operación que precede generalmente al secado y su importancia radica en la frecuencia con la cual deben prepararse jarabes, salmueras, jugos, salsas y otras suspensiones coloidales por vaporización del solvente (agua) hasta alcanzar el contenido de sólidos requeridos en los diferentes procesos tecnológicos de alimentos. El ingeniero de alimentos debe, a partir de los balances de materia y energía, establecer las especificaciones de tamaño y capacidad de operación, la selección del equipo para la evaporación, pero se va a encontrar que existen muchísimos tipos de evaporadores en el mercado; para realizar la elección apropiada se debe realizar un estudio cuidadoso de la interrelación entre las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas 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 diseño construir el equipo que se necesite. En este capítulo se dan a conocer las diferentes clases y tipos de evaporadores y sus principales características y aplicaciones con la finalidad de que usted amigo estudiante, se familiarice con ellas, haciendo la salvedad de que debe permanentemente estar actualizándose en este campo. Al final del capítulo se presentan las tecnologías en leches concentradas y jugos concentrados como aplicación de la operación de evaporación.
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OBJETIVOS
•
Reconocer la importancia de la evaporación en los procesos de la industria de alimentos
•
Identificar las clases y características de evaporación
•
Aplicar en el desarrollo de ejercicios, las ecuaciones referentes a los balances de energía en la evaporación
•
Reconocer los equipos de evaporación más utilizados en la industria de alimentos
•
Relacionar los conocimientos previamente adquiridos en la termodinámica y en los balances de materia y de energíapara entender los procesos de intercambio de calor que ocurren en la evaporación
Describir el tipo de evaporador adecuado para la obtención de procesados característicos.
.
Elaborar hojas de cálculo en problemas de evaporación.
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5.1
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Definición
La aplicación de calor para lograr la ebullición del solvente de una solución se conoce como evaporación. Lo anterior se traduce en la reducción del respectivo solvente y en el incremento en la concentración de los sólidos 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 solución que se va a evaporar.
5.3.3 Aspectos termodinámícos
En un balance de energía para evaporador es necesario identificar el calor cedido por la concentración del calor. Este debe ser equivalente al calor sensible ganado por el líquido de alimentación sumado al calor latente del vapor producido, siempre y cuando no se contabilicen las pérdidas de calor del sistema.
FIGURA 5-1 Aspectos termodinámicos
En
la
figura
5-1
se
esquematiza la consideración anterior. Para efectuar el balance real de calor es necesario la utilización de los calores específicos intermedios, debido a la dificultad de establecer datos de entalpía - concentración para un balance ideal, especialmente por las características disímiles que presentan regularmente estos cálculos en productos alimenticios. Las líneas de material que aparecen en la figura 5-1 se pueden distinguir así:
Símbolo
Identificación
Unidades
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LA
Liquido de alimentación
kg/seg
Masa de solvente vaporizado
kg/Seg
VS
Como es necesario la utilización de los calores específicos, los identificaremos así: para tenerlos en cuenta
Balance de materiales Símbolo e
identificación Calor latente de condensación Fracción de sólidos en la línea de
Unidades J/kg
producto XSS
Si se logra un aislamiento eficaz de las diferentes superficies del evaporador se evitarán las pérdidas por radiación y convección que generalmente allí ocurren, precisamente por el deficiente sistema de aislamiento; el balance de calor se podrá expresar igualando el calor sensible ganado, por el líquido de alimentación más el calor latente de vapor producido con el calor cedido por la condensación del vapor. La ecuación que expresa lo anterior será: V A. e =LA Cp(TE -TA) + Vs. v
(5-1)
Siendo TE la temperatura de ebullición del líquido de alimentación. y T A la temperatura con que entra al evaporador el líquido de alimentación De lo anterior se deduce que el calor cedido por condensación de la masa de vapor se transfiere a la masa líquida, lo cual se puede expresar como: V A. e = Q
(5-2)
Para la obtención de la ecuación anterior no se considera la mínima cantidad de calor del condensado que sale de la cámara de vapor, puesto que por ser tan ínfima no incide fundamentalmente en los balances y sí los puede dificultar. Identificaremos el término Q de la ecuación igualada:
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Q: Conocida como carga calorífica es la velocidad global de transferencia de calor desde el medio de calentamiento al líquido de ebullición atravesando las paredes de separación y las películas que recubíen las superficies. En termodinámica se ha distinguido a la carga calorífica Q por la siguiente ecuación: Q = UA T
(5-3)
La anterior ecuación se distingue así: Símbolo U
Identificación Coeficiente global de transferencia de calor Diferencia
T
de
temperatura
entre
el
Unidades Julios/m2 0C 0
C
medio de calentamiento y el líquido en ebullición
Igualando en la ecuación 2, se obtiene: VA e = U AT
(5-4)
Otro factor de importancia durante el proceso de evaporación es la velocidad de producción de vapor V, pues de ella depende en alto porcentaje la eficiencia que pueda suministrar el equipo. Para lograr calcular esta velocidad, lo más indicado es realizar un balance de materia. Recordemos entonces la figura 5-1.
El
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balance global de la materia será: LA = VS + LS
(5-5)
El balance de materia en el líquido LA (1 - XSA) = LS (1 - XSS) +VS
(5-6)
Una vez establecidas las ecuaciones fundamentales para realizar cálculos durante el proceso de evaporación, es importante reconocer algunos factores que influyen directa o indirectamente en el proceso: - El primer factor es el conocimiento adecuado de la carga calorífica necesaria durante el proceso , pues de ella dependen fundamentalmente la selección, el diseño y la operación de los equipos evaporadores. La carga calorífica Q puede calcularse tal como se mencionó, desarrollando tanto el balance de materia como de energía. 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 identificación de la resistencia térmica del material de la pared de evaporador. - El conocimiento de los factores que inciden en la formación de las capas de adherencia sobre las paredes externa e interna de las superficies de transferencia calorífica. - El conocimiento del coeficiente de transferencia calorífica de la película condensada sobre la superficie del intercambiador que conecta al vapor producido. - El conocimiento del coeficiente de la película de líquido de ebullición adherida sobre la superficie del intercambiador que conecta con el líquido. La práctica ha demostrado que los coeficientes señalados son menores en los sistemas de circulación normal que en los de circulación forzada, pero aun es bastante difícil establecer un cálculo exacto especialmente cuando se trata de realizarlo en películas hirvientes pH. En tachos de circulación normal y eficiente diseño en el intercambiador se alcanzan velocidades de flujo de hasta 2 m/seg; en equipos de circulación forzada al utilizar bombas de circulación la velocidad supera los 5 m/seg. Recientes investigaciones han comprobado que las pH presentan alta dependencia de las diferencias de temperatura sucesiva entre la superficie de calentamiento y el líquido. La relación
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FIGURA 5-2 Fenómeno para agua de ebullición que se presenta es directamente proporcional: a mayor diferencia
de
temperatura, T, mayor
valor
del coeficiente de transmisión de calor. En la figura 5-2 se observa el fenómeno señalado para el agua en ebullición a 100 OC en superficies sumergidas. Cuando se incrementan los valores de T aparecen burbujas de vapor que se proyectan desde la superficie interna dividiéndose y agitando la superficie del líquido, este fenómeno aumenta aceleradamente y se denomina el fenómeno de los núcleos activos. El incremento de estos núcleos como se anotó anteriormente, determina un apreciable incremento del
∆T, lo cual se
refleja en el notorio aumento de la transferencia de calor. El fenómeno explicado se complementa cuando se alcanza un valor máximo de transferencia de calor correspondiente al punto inicial de la diferencia crítica de temperatura. Posteriormente y como característica final del fenómeno el valor máximo 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 operación de la evaporación es lograr un T0 por debajo de valor crítico. 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 más al valor que proporciona experiencia que al cálculo directo. La temperatura del líquido que se va a evaporar también se encuentra delimitada por una serie de factores que deben tenerse en cuenta para los cálculos de proceso: Como usted debe recordar en la Termodinámica se conoce el momento del error de un líquido cuando la presión externa a la que esté sometido es igual a la presión de vapor que ejerce. Para la
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gran mayoría de los productos obtenidos en la industria alimentaria, el líquido utilizado es el agua por lo que en las tablas de vapor no es difícil encontrar los valores de la relación presión de vaportemperatura. Otro factor necesario de conocer en el desarrollo de los cálculos de diseño del evaporadores es el grado de concentración de la solución, cuanto más concentrada sea ésta, más alto será su punto de ebullición en la evaporación, por lo tanto la velocidad de transferencia de calor disminuye en la medida en que decrece la diferencia de temperaturas. La regla de Duhring determina que el punto de ebullición de una solución es función del punto de ebullición del solvente a la misma presión, esta regla aun cuando no ha sido totalmente demostrada sí es de gran ayuda para conocer la relación cuantitativa entre el cambio de concentración y la elevación del punto de ebullición. A continuación se encuentra una representación gráfica de la Regla de Duhring para soluciones acuosas de sacarosa.
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FIGURA5-3
La gráfica representa los valores de los puntos de ebullición de la solución en diversas concentraciones de sacarosa vs el punto de ebullición del solvente-agua pura- a la misma presión. En la industria de alimentos es bastante difícil conseguir gráficas de Duhring específicas. Otro factor que se debe tener en cuenta durante la evaporación es la presión hidrostática o cabeza hidrostática como se le conoce comúnmente. Como usted bien lo sabe por debajo de la superficie cualquier líquido se encuentra sometido a dos clases de presiones: una la ejercida sobre su superficie y otra la hidrostática ejercida desde el nivel de superficie libre al nivel en el cual se halle el líquido. Lo anterior influye en la relación existente entre la ebullición del líquido y la profundidad del evaporador; en la medida en que aumenta la profundidad, aumenta también la temperatura de ebullición, lo cual se manifiesta en la reducción de la diferencia de temperatura entre el líquido en ebullición y el medio de calentamiento, produciéndose generalmente un recalentamiento del líquido. En la evaporación aL vacío que trataremos más adelante, la influencia de la presión hidrostática 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 elección del tipo de evaporador que se va a utilizar, son las propiedades inherentes del líquido de alimentación. Veamos los más frecuentes:
El aroma
En jugos de frutas y otros alimentos líquidos los componentes del aroma y del sabor son generalmente más volátiles que el agua, por lo que son fácilmente arrastrados por el vapor de agua producido durante la evaporación. Esto influye de manera directa y negativa en la calidad del producto concentrado. Una forma de revisar el proceso es mediante la aplicación de técnicas de destilación, fraccionada, con lo cual el aroma y el sabor se recuperan en forma de esencia. El líquido 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 disminución de la velocidad de circulación y por lo tanto en los coeficientes de transferencia de calor. En el proceso de evaporación al aumentarse la concentración se presenta por lo tanto el fenómeno anotado.
- La espuma
Cuando la presión hidrostática es alta y se logra una ebullición bajo presión reducida, se presenta la formación de espuma, la cual aparece cuando los sólidos suspendidos de una solución actúan como núcleos para la conformación de las burbujas, creándose fuerzas lnterfaclales entre el vapor, los sólidos 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 mayoría de los alimentos, sufren graves daños en su estructura, incidiendo directamente en la calidad. Lo anterior implica que las temperaturas de ebullición durante la evaporación deben ser bajas y los tiempos de residencia del líquido en el área de calentamiento cortos, para así disminuir los daños que se puedan causar por esta razón durante la evaporación.
- Formación de costras
El fenómeno como tal es poco frecuente sobre las áreas de transferencia de calor y cuando se presenta es generalmente debido a la adherencia de partículas sólidas presentes en el líquido de alimentación. Cuando la velocidad del líquido es alta la formación de costras es poco pronunciada; sin embargo, en el diseño de un evaporador es necesario incorporar un factor de costras al calcular U, ya que durante la evaporación al presentarse este fenómeno 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 situación, tanto los evaporadores como demás equipos principales o complementarios, son fabricados generalmente en acero inoxidable.
5.3
Los evaporadores
Como anteriormente se mencionó, en la industria de alimentos existen amplias posibilidades de que una mala utilización del calor dañe el líquido que se pretende evaporar si este proceso se realiza a presión atmosférica, siendo de uso más general por lo tanto evaporar los alimentos líquidos a presiones reducidas, razón por la cual se hace necesario utilizar aditamentos (equipos adicionales) como bombas de extracción, columnas barométricas, bombas de vacío o eyectores de vapor. Veamos después de esta consideración 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 evaporación, del líquido que se va a evaporar. El vapor saturado en presiones que van de 20 a 60 psig es el medio de calentamiento más utilizado en la industria de alimentos.
5.3.2
El separador
En él el vapor se separa de la fase líquida 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 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 cilindricas, superficies planas, etc.)
EJEMPLO 1
Una solución acuosa al 1% en peso es alimentada a un evaporador a 70 0C 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 m 2hr0C.
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
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- 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 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 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 M 2 En la presentación y desarrollo del anterior ejemplo, se presentan algunos interrogantes. ¿ El punto de ebullición de la solución es de 70 0C? ¿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; porconsiguiente, 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 1000C ya que se presenta un T en la solución inicial de 300C. La elevación del punto de ebullición depende básicamente del soluto y de la concentración del
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mismo. Es pequeña para soluciones diluidas o de coloides orgánicos, 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 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 0.51 30/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.
.
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Elevación del punto de ebullición FIGURA 54 Llamando Ts
temperatura de ebullición de la solución T o, la del agua pura, puede correlacionarse:
la
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 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 89.550C. En la figura para una temperatura de 900C, 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 -900C = 450C (más exactamente 45,450C). Resp: 45,450C EJEMPLO 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. 0
serpentín, el agua que procede del vapor de calentamiento está a 85 C.
A la salida del
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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 600C (L) es de 563,2 kcal /kg ( de tablas de vapor Por lo anterior, teoricamente 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 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 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 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
Area 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 m 2 Resp: Calor necesario Vapor consumido
1.219.994 kJ /hr 463,84 kg /hr
Area de transferencia 13,55 m2
EJEMPLO 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 / m 2 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.
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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 recompresión. 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 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
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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 termodinamicas de cada vapor son: Evaporado :
Presión 10 psia Temperatura 193 0F Entalpia de vapor 1143,2 BTU /kg Entalpía de Condensación 982 BTU /kg 1.7876 BTU /lb 0F
Entropia del vapor Vapor de Proceso
Presión 20 psia Temperatura 227,96 0F Entalpia de vapor 1156,3 BTU /kg Entalpía de Condensación 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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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
=
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
250 / 0,45 = 555,55 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 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
Solución
20
F.
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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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 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 termodinamicamente 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
0
F. 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 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
EVAPORACION
23
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 10
Se considera un sistema de doble efecto, en donde el primer evaporador es calentado por vapor a 1020C; el vacío es regulado para hacer ebullir el líquido a 85 0C. El agua de condensación sale del serpentín a 950C. Los vapores que salen del primer evaporador calientan al segundo o sea a temperatura de 850C. 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 750C. En estas condiciones determinemos qué cantidad de agua del líquido que se va a concentrar puede evaporar 1 kg de vapor a 105 0C
FIGURA 5-6 . Solución: Las entalpias de las diversas corrientes son:
24
EVAPORACION
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 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 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 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 parametros 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
Entalpia de la solución
100 - 15 x C ( siendo C la concentración de sólidos ) BTU /lb
Entalpia 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 area de transferencia de calor de cada efecto.
EVAPORACION
25
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 energia 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 =====
Agua
P1 x ( 1 - C1) = P2 x ( 1 - C2) + E2
Total
P1 = P2 + E2 = 250 + E2
=====
P2 = 250 250 x 0,2 + E2
FIGURA 5-6
26
EVAPORACION
Evaporador de doble efecto
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
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 entalpia 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
EVAPORACION
27
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.
EJEMPLO 11 DIMENSIONAMIENTO DE UN EVAPORADOR DE DOS EFECTOS DATOS DEL PROBLEMA
Concentración Entalpía Concentración Producto
Cf
Fracción
Dato
4
Ensayo 1 0,2
Ha Cp T1
BTU/lb Fracción 0 F
Cálculo Dato Dato
5 6 8
97 0,8 170
U1
Btu/ hr ft oF
Supuesto
10
400
Sa P2
Lb/hr Lb/hr
Cálculo Cálculo
13 15
200 250
Ap E1
Lb/hr Lb/hr
Cálculo Cálculo
16 18
50 375
C1
Fracción
Cálculo
21
0,32
Hv He1
BTU/lb BTU/lb
Tablas Tablas
22 22
1171 1134
V
lb/hr
Cálculo
416,9
BTU/hr
Cálculo
8921,3
Temperatura ebullición 1er efecto Coeficiente 1er efecto
BALANCE DE MATERIALES Solidos en Alimentación Producto Agua en producto Evaporado 1er efecto
Concentración al 2o. Efecto
BALANCE DE CALOR Entalpia de vapor a 30 psi Entalpia vapor a 170
Vapor requerido Balance sobre 2o. efecto
28
EVAPORACION
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
BALANCE DE MATERIALES Parámetros Solidos en Alimentación
Producto Agua en producto
Sim b. Sa
Unid.
Fuente
Lb/hr
P2
Lb/hr
Ap
Lb/hr
E1
Lb/hr
C1
Fracc.
Cálcul o Cálcul o Cálcul o Cálcul o Cálcul o
Evaporado 1er efecto
Ref . 13
Ensayo 1 Valor
Ensayo 2
Ensayo 3
Ensayo 4
200
200
200
200
15
250
250
250
250
16
50
50
50
50
18
375
370
380
379,425
21
0,32
0,32
0,32
0,32
Ensayo 2
Concentración al 2o. Efecto
BALANCE DE CALOR Parámetros Entalpia de vapor a 30 psi
Sim b. Hv He1
Unidades
Fuente
Ref.
Ensayo 1 Valor
Ensayo 3
Ensayo 4
BTU/lb BTU/lb
Tablas Tablas
22 22
1171 1134
1171 1134
1171 1134
1171 1134
V
lb/hr
Cálculo
416,9
411,4
422,5
421,9
BTU/hr
Cálculo
8921,3
19001,3
-1158,8
0,4
Entalpia vapor a 170
Vapor requerido Balance sobre 2o. efecto
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:
EVAPORACION
29
Temperatura de vapor
273 o F
Temperatura de ebullición
170 o F 400 BTU / hr ft2 oF
Coeficiente total de transf. de calor 1er efecto
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.
5-4 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 5-7
30
EVAPORACION
Alimentación hacia adelante
efectos. 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 5-8 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 5-9
Alimentación Mixta
EVAPORACION
31
En paralelo: es un método que permite un mayor control del proceso. Se usa especialmente en
FIGURA 5-10
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 mültiple 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:
32
EVAPORACION
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:
0* lnsolubilización de fosfatos y citratos de calcio, como consecuencia de la disminución del agua. 1* 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
33
EVAPORACION
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 vaport ambién 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:
34
EVAPORACION
FIGURA 5-11 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.
EVAPORACION
35
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 educolora 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 estand z La leche ya azucarada pasa al evaporador, donde se efectúa la concentración (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 30 0C rápidamente y luego hasta 150C 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 550C 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 el separamiento 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 11 0C en 20 minutos); finalmente se enfría hasta temperatura de 2000 en tiempo promedio de 15 minutos. 5.5.
Concentración de jugos de fruta
Cuando los jugos de fruta se concentran mediante el proceso de evaporación, se corre el riesgo de que a temperaturas altas se dé una pérdida del sabor y aroma de estos. El oxígeno del aire causa además en el zumo de naranjas procesos de oxidación que tienen
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EVAPORACION
FIGURA 5-12 Evaporacion en varias fases para la concentración de zumo de naranja, según 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 fenómenos, es aconsejable la utilización de equipos de evaporación al vacío. Veamos: El zumo de naranja recién exprimido, con 10% de materia seca, se refrigera y se evapora a una temperatura de 100C a 200C y con una presión absoluta de 9 a 17 mm de Hg. El vacío se mantiene por medio de una bomba de difusión. 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 pérdidas de sustancias aromáticas. En seguida se añade al concentrado la cantidad de zumo fresco para reducir el contenido de sustancia seca al 42%. Una característica especial que sobresale en el procedimiento descrito, es que la máquina frigorífica es utilizada tanto para la producción de frío como para el calentamiento del evaporador al vacío. En una instalación característica de este proceso se pueden identificar las siguientes variables de proceso, vea la figura 5-12 El agua de refrigeración tiene una temperatura de 27 0C y el agente refrigerante (NH 3) se condensa a 400C en los evaporadores de serpentín 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 presión de 6 a 7 mm de Hg se deposita en un condensador de serpentín, que constituye a la vez el evaporador de la máquina frigorífica en el que se evapora el amoniaco a + 5 0C. El modo de funcionar de una instalación 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 está condensando. El zumo que sale de la primera fase de evaporación, 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 tuberías de evaporación de cada uno de los 3 evaporadores se separa del líquido el vapor de agua que se ha formado y entra por una conducción común, d, en- los condensadores de vapor de agua, e, donde se condensa mediante el NH 3 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 a unos 400C, entra en la conducción colectora, f, se licúa si es necesario completamente en el condensador auxiliar, g, por medio de refrigeración con agua y se subenfría; el amoniaco pasa a través de la válvula moderadora, h, al separador de líquido, i. El NH3 puro que es un líquido de baja presión desciende a través de la conducción, k, al condensador de vapor de agua, e, se evapora allí y el vapor amarillento queso forma queda aspirado, junto con el vapor que se ha acumulado en el separador, i, a través de la conducción, l, por el compresor. La bomba de difusión de dos efectos, m, mantiene los 3 evaporadores de zumo bajo el vacío deseado. Al zumo altamente concentrado que sale por n se añade otra vez zumo fresco para mejorar el aroma. La mezcla de zumo con el 42% de sustancia seca se congola primeramente a -9 0C en una masa pastosa, se envasa en bidones queso cierran bajo vacío y se introducen en una cámara donde se endurecen, y finalmente se almacena a -200C. En el procedimiento descrito reina en todos los evaporadores de zumo la misma presión y todos se calientan por medio de vapor de amoníaco de alta presión. La rentabilidad de este método 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 evaporación, pero entonces es preciso que se disminuya la presión de esta fase de evaporación todavía más, y el vapor de agua que se forma en esta fase puede emplearse nuevamente para el calentamiento de la tercera fase con la presión todavía más baja, etc. Estos evaporadores de efectos múltiples ofrecen un ahorro esencial de energía.
38
EVAPORACION
RESUMEN
Un evaporador es en esencia un aparato en el cual una solución es sometida a calentamiento para retirar el solvente de la solución o concentrar la solución. Una diferencia básica del proceso de evaporación con el proceso de destilación , radica en el hecho de que en la evaporación la solución que se va a procesar es generalmente la de un soluto
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EVAPORACION
sólido y un solvente líquido. En la destilación, tanto solventes como soluto, son líquidos. En la industria de alimentos, la evaporación se emplea como operación previa al secado de productos, para reducir volúmenes de soluciones y así facilitar su manejo; para facilitar la preservación de ciertos alimentos al reducir la actividad del agua y para la obtención de sabores y olores naturales de ciertos productos, como por ejemplo esencias. Las condiciones bajo las cuales la operación de evaporar se lleva a cabo en la industria son muy amplias y variadas en razón de la complejidad de los fenómenos de ebullición. En la práctica el diseño de equipos se basa más en los resultados de campo que en las consideraciones estrictamente teóricas y este hecho se refleja en la gran variedad de equipos. Son aspectos fundamentales de selección de equipos: si el líquido que se va a evaporar es más o menos viscoso que el agua y hasta qué punto la viscosidad causa flujo lento y se requiera de agitación. La precipitación de los sólidos que causa formación de incrustraciones en las paredes o superficies de transmisión de calor con las consiguientes negativas consecuencias. La tendencia a formación de espuma que pueden causar arrastre con los vapores teniéndose pérdidas de los productos, como consecuencia de la concentración gradual de la solución, se tiene una elevación pronunciada en los puntos de ebullición lo que requiere mayor demanda de calor así como un adecuado control de él y lo más importante las modificaciones así sean mínimas en las características de las soluciones come consecuencia de aplicación de calor. No debe olvidarse que los alimentos son los más susceptibles a cambios aun por pequeños cambios de temperatura. La viscosidad tiende a disminuir la velocidad de circulación de los fluidos y por consiguiente a reducir los coeficientes de película. Como a medida que se concentra la solución la viscosidad aumenta, la tasa de transferencia de calor disminuye a medida que aumenta la evaporación. La formación de incrustaciones en las superficies de transferencia de calor, también trae como consecuencia la disminución de la tasa de transferencia por disminución del valor de U.
Las incrustaciones son depósitos de sólidos fuertemente adheridos a la superficie y ellas aumentan a medida que las soluciones se concentran y a medida que la velocidad de circulación disminuye, ya que no existe arrastre de sólidos. Para disminuir la formación de incrustaciones se debe incrementar la velocidad de la solución y ello se logra en los evaporadores de. circulación o flujo forzado. De todas maneras los evaporadores empleados en soluciones que tengan la tendencia a incrustarse deben ser de fácil acceso para su uso y desincrustación. Las espumas se forman durante la ebullición de muchos líquidos por efectos de fuerzas interfaciales y se acentúa su formación cuando se opera a baja presión. Se cree que sólidos
40
EVAPORACION
suspendidos actúan como medios para la formación de burbujas y estos se depositan más fácilmente en las paredes, cuando se rompe la espuma y por consiguiente se aumenta la incrustación en las zonas aledañas al nivel de la solución. Las modificaciones en las características de los productos por efecto del calor se minimizan cuando se opera a bajas temperaturas o los tiempos de operación son reducidos. Las temperaturas pueden disminuir empleando bajas presiones y se trabaja al vacío y para el tiempo se busca una rápida evaporación lograda en los evaporadores de película delgada. La ecuación general de Fourier es aplicable a los evaporadores, en los que se toma la superficie efectiva de evaporación como superficie de transferencia de calor y la ecuación que es común para cualquier aparato de transferencia de calor, se expresa: Q = U A Tm Los problemas que se presentan al resolver esta ecuación son los que se derivan de las variaciones de U, Tm a medida que va transcurriendo la evaporación. No obstante el valor de Q puede obtenerse a partir de un balance de calor y un balance de materiales efectuados sobre la operación en sí. Refiriéndonos a la figura 5-13 que representa un diagrama simplificado de un evaporador, se tiene una alimentación F kilos por hora con una concentración de sólidos Xf, en peso y la entalpía de dicha solución es HF. La solución se concentra para producir P kilos con un porcentaje en peso de sólidos Xp y dé entalpía Hp, saliendo vapor y con Y porcentaje de sólidos y entalpía Hv. El balance total de materiales es F = P+V Un balance parcial de los sólidos será: FXF = PXp+ Vy
EVAPORACION
41
Para lograr la
evaporación se emplean S kilos de vapor de agua con una entalpía Hs; este vapor
FIGURA 5-13
al ceder calor disminuye su entalpía y llega ésta a un valor Hc. El balance global de calor es: Calor de alimentación + calor del vapor de agua = calor del producto + calor del líquido evaporado + calor del vapor gastado + calor perdido por radiación. En las operaciones de transferencia de calor, se busca las menores pérdidas de calor empleando aislantes adecuados, por tal razón las pérdidas de calor, por radiaciones pueden ser despreciadas y el balance total se expresa: PHt = SHs = PHp + VHv + SHc
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EVAPORACION
AUTOEVALUACION No. 5
1. ¿Cuáles son las tres principales variables que deben considerarse para lograr calcular un equipo de evaporación?
2. En un jugo de naranja, durante el proceso de evaporación, se debe cuidar de no alterar especialmente dos factores de carácter organoléptico ¿Cuáles?
3. Durante la evaporación de un alimento, la presión hidrostática alta, interviene directamente en la formación de:
4. Las unidades del Cp (calor específico del líquido de alimentación) son:
A.
kg/seg.
B.
J/kg.
C.
J/seg0C.
D.
J/kg0C.
5. El conocimiento del valor de la resistencia térmica de un material, es fundamental para el cálculo de:
A.
Coeficiente global de transferencia de calor.
B.
Carga calorífica.
C.
Presión hidrostática.
D.
Velocidad de flujo.
6. Las variables identificadas por el enunciado de la regla de Duhring son: A.
Temperatura y volumen Kte.
EVAPORACION
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B.
Presión y volumen kte.
C.
Temperatura y presión kte.
D.
Presión y temperatura kte.
7.
La clase de alimentación a un sistema de evaporación que no utiliza bombas entre los
diferentes efectos se denomina:
A.
En paralelo.
B.
Mixta.
C.
Hacia atrás.
D.
Hacia adelante.
8
Se desea concentrar una disolución de jugo de naranja desde 5 hasta el 20% de sólidos en
un evaporador de triple efecto. El vapor de calefacción del primer efecto es vapor saturado a 1.8 kg/cm2 de presión absoluta y el vacío mantenido sobre el último efecto corresponde a una temperatura de ebullición de 480C. La alimentación entra a 230C en proporción de 10.000 kg/hr. -
Consumo de vapor
-
Distribución de temperaturas
-
Superficie de calefacción de cada efecto para los casos de alimentación directa o en
contracorriente. Datos: -
Se desprecia la elevación del punto de ebullición
-
Se supone que el calor especifico de la dilusión es aproximadamente 1.0 kcal/k 0C
-
Los coeficientes de transmisión de calor se dan en kcaVm2h0C.
Efecto 1
Efecto 2
Efecto 3
Alimentación directa
2.600 kg
1.700kg
1.000kg
Alimentación en contracorriente
2.200kg
1.700kg
1.400kg
