2.1 Operación Operación de evaporadores. Evaporadores Son unidades encargadas de suministrar la energía necesaria en forma de calor latente para llevar el fluido a su condición de saturación y posterior vaporización. Esto con la finalidad de que el componente más volátil pueda ser retirado en forma de vapor, dejando como resultado una solución más conc entrada. Difiere de los generadores de vapor porque la fuente de energía es un vapor y lo que se evapora no necesariamente tiene que ser agua. Se conoce como evaporador, si se evapora agua; como vaporizador, si se evapora un producto que no es agua como: alcohol, éter, éter , gasolina, etc. Entre los ejemplos típicos de procesos proc esos de evaporación están la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. Componentes Principales. • Ebullidor Tubular. Es donde ocurre el proceso de ebullición del agua o disolvente producto del calor transmitido por el vapor latente. Por lo general está constituido por un haz de tubos por donde circula la solución a concentrar y una carcasa por la cual circula el vapor latente. • Separador líquido-vapor. líquido -vapor. Es donde la mezcla líquidovapor proveniente del ebullidor es separada, obteniendo el líquido concentrado y la fase de vapor. El separador fue diseñado para evitar el arrastre de líquido concentrado en la corriente de vapor. • Área de circulación del medio de calentamiento vapor, electricidad, entre otros.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODOS MÉT ODOS DE OPERACIÓN Marmita abierta o artesa. La forma más simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la condensa ción de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el líquido.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODOS DE OPERACIÓN Evaporador de tubos horizontales con circulación natural. El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra a los tubos y se condensa; el condensado sale por el otro extremo de los tubos. La solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODOS DE OPERACIÓN Evaporador vertical con circulación natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido está dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el líquido se eleva en los tubos por circulación natural, y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. No es útil con líquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODOS DE OPERACIÓN Evaporador vertical de tubos largos.
Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el del lado del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el líquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos como, el líquido está en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el líquido pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODOS DE OPERACIÓN Evaporador de película descendente. Una variación del modelo de tubos largos es el evaporador de caída de película, en el cual el líquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de película delgada. Por lo general, la separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentración de materiales sensibles al calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a que el tiempo de retención es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de transferencia de calor es alto.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODOS DE OPERACIÓN Evaporador de película ascendente. Son típicos los tubos de 1 a 2 pulgadas de diámetro y 3,5 a 10 metros de largo. Como consecuencia de la acción de ebullición el líquido y el vap or ascienden por el interior de los tubos, mientras que el líquido que se separa desciende por gravedad hasta el fondo de los tubos. La alimentación diluida, con frecuencia a temperaturas próximas al ambiente, se introduce en el sistema mezclándose con el líquido que
retorna del separador. La mezcla entra por el fondo de los tubos, en el exterior de los cuales condensa vapor de agua.
TIPOS DE EQUIPOS DE EVAPORACIÓN Y MÉTODOS DE OPERACIÓN Evaporador de circulación forzada. El coeficiente de transferencia de calor de la película líquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulación forzada del líquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubos verticales largos añadiendo una tubería conectada a una bomba entre las líneas de salida del concentrado y la de alimentación. Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los tubos largos, Además, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.
2.2 Parámetros de diseño en evaporadores
Parámetros de diseño de evaporadores Características del líquido que se concentra. La solución práctica a un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. Precisamente es la gran variedad de características de dichos líquidos lo que amplia esta operación desde una sencilla transmisión de calor hasta un problema complejo. Debido a la gran variedad de propiedades de las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores. Parámetros de diseño de evaporadores CONCENTRACIÓN Aunque la disolución que entra como alimentación de un evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración de la disolución adquiere cada vez un carácter individualista. La densidad y la viscosidad aumenta con el contenido de sólido hasta que la disolución o bien se transforma en s aturada o resulta inadecuada para una transmisión de calor adecuada. La ebullición continuada de una disolución saturada da lugar a la formación de cristales, que es preciso separa pues de lo contrario obstruyen los tubos. La temperatura de ebullición de la disolución puede también aumentar considerablemente al aumentar el contenido de sólido, de forma que la temperatura de ebullición de una disolución concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presión. Parámetros de diseño de evaporadores VISCOSIDAD Los líquidos muy viscosos tienden a reducir las velocidades de circulación y a reducir los coeficientes de transferencia de calor. Puesto que, en general, la viscosidad de una solución sometida a evaporación aumenta con la concentración, es de esperar que a medida que discurre la evaporación descienda la velocidad de transferencia de calor.
Parámetros de diseño de evaporadores FORMACIÓN DE ESPUMA Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Una espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos toda la masa de líquido puede salir con el vapor y perderse. Parámetros de diseño de evaporadores FORMACIÓN DE INCRUSTACIONES Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefacción. En estos casos el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega un momento en que es preciso interrumpir la operación y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difícil y costosa. Parámetros de diseño de evaporadores SENSIBILIDAD A LA TEMPERATURA Muchos productos se dañan cuando se calienta a temperaturas moder adas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos productos se necesita técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento. Parámetros de diseño de evaporadores PROPIEDADES CALORIFICAS Es necesario conocer el calor específico de las sustancias, y el calor latente a diferentes concentraciones, de esta forma será posible determinar las cantidades energéticas requeridas para el proceso. Parámetros de diseño de evaporadores TEMPERATURA DE EBULLICIÓN FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PUNTO DE EBULLICIÓN DE LA SOLUCIÓN. PRESIÓN EXTERNA Un líquido hierve cuando la presión de vapor que ejerce es igual a la presión externa a la que se haya sometido. En el caso de los productos alimenticios el solvente suele ser el agua, sustancia cuyas relaciones de presión de vapor y temperatura son bien conocidas. Parámetros de diseño de evaporadores b. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN La presión de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presión dada, la temperatura de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura.
