5 EVAPORACION

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CAPITULO 5

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INTRODUCCIN

La evaporacin es una operacin que precede generalmente al secado y su importancia radica enla frecuencia con la cual deben prepararse jarabes, salmueras, jugos, salsas y otras suspensiones

coloidales por vaporizacin del solvente (agua) hasta alcanzar el contenido de slidos requeridos

en los diferentes procesos tecnolgicos de alimentos.

El ingeniero de alimentos debe, a partir de los balances de materia y energa, establecer las

especificaciones de tamao y capacidad de operacin, la seleccin del equipo para la evaporacin,

pero se va a encontrar que existen muchsimos tipos de evaporadores en el mercado; para realizar

la eleccin apropiada se debe realizar un estudio cuidadoso de la interrelacin entre las

propiedades fisicoqumicas y termodinmicas 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 diseo construir el equipo que se

necesite.

En este captulo se dan a conocer las diferentes clases y tipos de evaporadores y sus principales

caractersticas y aplicaciones con la finalidad de que usted amigo estudiante, se familiarice con

ellas, haciendo la salvedad de que debe permanentemente estar actualizndose en este campo.

Al final del captulo se presentan las tecnologas en leches concentradas y jugos concentrados

como aplicacin de la operacin de evaporacin.

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OBJETIVOS

Reconocer la importancia de la evaporacin en los procesos de la industria de alimentos

Identificar las clases y caractersticas de evaporacin

Aplicar en el desarrollo de ejercicios, las ecuaciones referentes a los balances de energa

en la evaporacin

Reconocer los equipos de evaporacin ms utilizados en la industria de alimentos

Relacionar los conocimientos previamente adquiridos en la termodinmica y en los

balances de materia y de energapara entender los procesos de intercambio de calor que

ocurren en la evaporacin

Describir el tipo de evaporador adecuado para la obtencin de procesados caractersticos.

Elaborar hojas de clculo en problemas de evaporacin.

.

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5.1 Definicin

La aplicacin de calor para lograr la ebullicin del solvente de una solucin se conoce como

evaporacin. Lo anterior se traduce en la reduccin del respectivo solvente y en el incremento en

la concentracin de los slidos 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 solucin que se va a evaporar.

5.3.3 Aspectos termodinmcos

En un balance de energa para evaporador es necesario identificar el calor cedido por la

concentracin del calor. Este debe ser equivalente al calor sensible ganado por el lquido de

alimentacin sumado al calor latente del vapor producido, siempre y cuando no se contabilicen las

prdidas de calor del sistema.

FIGURA 5-1

Aspectos termodinmicos

En la figura 5-1 se

esquematiza la consideracin

anterior.

Para efectuar el balance real

de calor es necesario la

utilizacin de los calores especficos intermedios, debido a la dificultad de establecer datos de

entalpa - concentracin para un balance ideal, especialmente por las caractersticas dismiles que

presentan regularmente estos clculos en productos alimenticios.

Las lneas de material que aparecen en la figura 5-1 se pueden distinguir as:

Smbolo Identificacin Unidades

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LA Liquido de alimentacin kg/seg

VS

Masa de solvente vaporizado kg/Seg

Como es necesario la utilizacin de los calores especficos, los identificaremos as:

para tenerlos en cuenta

Balance de materiales

Smbolo identificacin Unidadese Calor latente de condensacin J/kg

XSS

Fraccin de slidos en la lnea de

producto

Si se logra un aislamiento eficaz de las diferentes superficies del evaporador se evitarn las

prdidas por radiacin y conveccin que generalmente all ocurren, precisamente por el deficiente

sistema de aislamiento; el balance de calor se podr expresar igualando el calor sensible ganado,

por el lquido de alimentacin ms el calor latente de vapor producido con el calor cedido por lacondensacin del vapor.

La ecuacin que expresa lo anterior ser:

V A. e =LA Cp(TE -TA) + Vs. v (5-1)

Siendo TE la temperatura de ebullicin del lquido de alimentacin. y TA la temperatura con que

entra al evaporador el lquido de alimentacin

De lo anterior se deduce que el calor cedido por condensacin de la masa de vapor se transfiere a

la masa lquida, lo cual se puede expresar como:

V A. e = Q (5-2)

Para la obtencin de la ecuacin anterior no se considera la mnima cantidad de calor del

condensado que sale de la cmara de vapor, puesto que por ser tan nfima no incide

fundamentalmente en los balances y s los puede dificultar.

Identificaremos el trmino Q de la ecuacin igualada:

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Q: Conocida como carga calorfica es la velocidad global de transferencia de calor desde el medio

de calentamiento al lquido de ebullicin atravesando las paredes de separacin y las pelculas que

recuben las superficies.

En termodinmica se ha distinguido a la carga calorfica Q por la siguiente ecuacin:

Q = UA T (5-3)

La anterior ecuacin se distingue as:

Smbolo Identificacin UnidadesU Coeficiente global de transferencia de

calor

Julios/m2 0C

T

Diferencia de temperatura entre el

medio de calentamiento y el lquido en

ebullicin

0C

Igualando en la ecuacin 2, se obtiene:

VA e = U AT (5-4)

Otro factor de importancia durante el proceso de evaporacin es la velocidad de produccin de

vapor V, pues de ella depende en alto porcentaje la eficiencia que pueda suministrar el equipo.

Para lograr calcular esta velocidad, lo ms indicado es realizar un balance de materia. Recordemos

entonces la figura 5-1.

El

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balance global de la materia ser:

LA = VS + LS (5-5)

El balance de materia en el lquido

LA (1 - XSA) = LS (1 - XSS) +VS (5-6)

Una vez establecidas las ecuaciones fundamentales para realizar clculos durante el proceso de

evaporacin, es importante reconocer algunos factores que influyen directa o indirectamente en el

proceso:

- El primer factor es el conocimiento adecuado de la carga calorfica necesaria durante el proceso

, pues de ella dependen fundamentalmente la seleccin, el diseo y la operacin de los equipos

evaporadores. La carga calorfica Q puede calcularse tal como se mencion, desarrollando tanto el

balance de materia como de energa.

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 identificacin de la resistencia trmica del material de la pared de evaporador.

- El conocimiento de los factores que inciden en la formacin de las capas de adherencia sobre las

paredes externa e interna de las superficies de transferencia calorfica.

- El conocimiento del coeficiente de transferencia calorfica de la pelcula condensada sobre la

superficie del intercambiador que conecta al vapor producido.

- El conocimiento del coeficiente de la pelcula de lquido de ebullicin adherida sobre la superficie

del intercambiador que conecta con el lquido.

La prctica ha demostrado que los coeficientes sealados son menores en los sistemas de

circulacin normal que en los de circulacin forzada, pero aun es bastante difcil establecer un

clculo exacto especialmente cuando se trata de realizarlo en pelculas hirvientes pH. En tachos

de circulacin normal y eficiente diseo en el intercambiador se alcanzan velocidades de flujo de

hasta 2 m/seg; en equipos de circulacin forzada al utilizar bombas de circulacin la velocidad

supera los 5 m/seg.

Recientes investigaciones han comprobado que las pH presentan alta dependencia de lasdiferencias de temperatura sucesiva entre la superficie de calentamiento y el lquido. La relacin

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FIGURA 5-2

Fenmeno

para agua de

ebullicin

que se presenta

es directamente

proporcional: a

mayor diferen-

cia de

temperatura, T,

mayor valordel coeficiente

de transmisin de calor.

En la figura 5-2 se observa el fenmeno sealado para el agua en ebullicin a 100OC en superficies

sumergidas.

Cuando se incrementan los valores de T aparecen burbujas de vapor que se proyectan desde la

superficie interna dividindose y agitando la superficie del lquido, este fenmeno aumenta

aceleradamente y se denomina el fenmeno de los ncleos activos. El incremento de estos

ncleos como se anot anteriormente, determina un apreciable incremento del

T, lo cual serefleja en el notorio aumento de la transferencia de calor. El fenmeno explicado se complementa

cuando se alcanza un valor mximo de transferencia de calor correspondiente al punto inicial de la

diferencia crtica de temperatura. Posteriormente y como caracterstica final del fenmeno el valor

mximo 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 operacin de la evaporacin es lograr

un T0 por debajo de valor crtico. 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 ms al valor que proporciona experiencia que al

clculo directo.

La temperatura del lquido que se va a evaporar tambin se encuentra delimitada por una serie de

factores que deben tenerse en cuenta para los clculos de proceso:

Como usted debe recordar en la Termodinmica se conoce el momento del error de un lquido

cuando la presin externa a la que est sometido es igual a la presin de vapor que ejerce. Para la

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FIGURA5-3

La grfica representa los valores de los puntos de ebullicin de la solucin en diversas

concentraciones de sacarosa vs el punto de ebullicin del solvente-agua pura- a la misma presin.

En la industria de alimentos es bastante difcil conseguir grficas de Duhring especficas.

Otro factor que se debe tener en cuenta durante la evaporacin es la presin hidrosttica o cabeza

hidrosttica como se le conoce comnmente. Como usted bien lo sabe por debajo de la superficie

cualquier lquido se encuentra sometido a dos clases de presiones: una la ejercida sobre su

superficie y otra la hidrosttica ejercida desde el nivel de superficie libre al nivel en el cual se halle

el lquido. Lo anterior influye en la relacin existente entre la ebullicin del lquido y la profundidad

del evaporador; en la medida en que aumenta la profundidad, aumenta tambin la temperatura de

ebullicin, lo cual se manifiesta en la reduccin de la diferencia de temperatura entre el lquido en

ebullicin y el medio de calentamiento, producindose generalmente un recalentamiento del

lquido. En la evaporacin aL vaco que trataremos ms adelante, la influencia de la presin

hidrosttica 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 eleccin del tipo de evaporador que se va a utilizar, son las

propiedades inherentes del lquido de alimentacin. Veamos los ms frecuentes:

El aroma

En jugos de frutas y otros alimentos lquidos los componentes del aroma y del sabor son

generalmente ms voltiles que el agua, por lo que son fcilmente arrastrados por el vapor de agua

producido durante la evaporacin. Esto influye de manera directa y negativa en la calidad del

producto concentrado. Una forma de revisar el proceso es mediante la aplicacin de tcnicas de

destilacin, fraccionada, con lo cual el aroma y el sabor se recuperan en forma de esencia. Ellquido 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 disminucin de la velocidad de circulacin y por lo tanto en los coeficientes de

transferencia de calor. En el proceso de evaporacin al aumentarse la concentracin se presenta

por lo tanto el fenmeno anotado.

- La espuma

Cuando la presin hidrosttica es alta y se logra una ebullicin bajo presin reducida, se presenta

la formacin de espuma, la cual aparece cuando los slidos suspendidos de una solucin actan

como ncleos para la conformacin de las burbujas, crendose fuerzas lnterfaclales entre el vapor,

los slidos 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 mayora de los alimentos, sufren graves daos en su

estructura, incidiendo directamente en la calidad. Lo anterior implica que las temperaturas de

ebullicin durante la evaporacin deben ser bajas y los tiempos de residencia del lquido en el rea

de calentamiento cortos, para as disminuir los daos que se puedan causar por esta razn durante

la evaporacin.

- Formacin de costras

El fenmeno como tal es poco frecuente sobre las reas de transferencia de calor y cuando se

presenta es generalmente debido a la adherencia de partculas slidas presentes en el lquido de

alimentacin. Cuando la velocidad del lquido es alta la formacin de costras es poco pronunciada;

sin embargo, en el diseo de un evaporador es necesario incorporar un factor de costras al

calcularU, ya que durante la evaporacin al presentarse este fenmeno 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 situacin, tanto los evaporadores como dems equipos principales o

complementarios, son fabricados generalmente en acero inoxidable.

5.3 Los evaporadores

Como anteriormente se mencion, en la industria de alimentos existen amplias posibilidades de

que una mala utilizacin del calor dae el lquido que se pretende evaporar si este proceso se

realiza a presin atmosfrica, siendo de uso ms general por lo tanto evaporar los alimentos

lquidos a presiones reducidas, razn por la cual se hace necesario utilizar aditamentos (equipos

adicionales) como bombas de extraccin, columnas baromtricas, bombas de vaco o eyectores de

vapor. Veamos despus de esta consideracin 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 evaporacin, del lquido que se va a

evaporar. El vapor saturado en presiones que van de 20 a 60 psig es el medio de calentamiento

ms utilizado en la industria de alimentos.

5.3.2 El separador

En l el vapor se separa de la fase lquida 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 Clculos en evaporadores.

El clculo del evaporador lleva a establecer fundamentalmente los balances de materia y de calor

para determinar el rea de transferencia de calor y con base a las consideraciones expuestas en lo

numerales anteriores, entrar a seleccionar el equipo ms adecuado y proceder a distribuir el rea

en el sistema operacional (tubos, superficies cilindricas, superficies planas, etc.)

EJEMPLO 1

Una solucin acuosa al 1% en peso es alimentada a un evaporador a 70 0C y va a ser concentrada

al 10%, empleando como medio de calefaccin vapor a 30 psi. Para una alimentacin de 500 kilos

por hora, determinar:

- Cantidad de agua evaporada.

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

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

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

Llamando F, P y V a la alimentacin, producto y agua evaporada respectivamente, el balance total

es:

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

El balance sobre los slidos 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 energa determina la cantidad de vapor consumido, S

FHf+ SHs = PHp + SHc + VHv

Para la resolucin de esta ecuacin establecemos que: la solucin acuosa siendo 99% de agua,

tiene propiedades, como la entalpa similar a la del agua; la evaporacin ocurre a presin

atmosfrica y el vapor al ceder calor se condensa, y el agua condensada sale a esta temperatura

de condensacin. 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 ecuacin 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 rea de transferencia ser:

A = Q / U T = 217.000 / 580 (137 - 100) = 10,11 M2

En la presentacin y desarrollo del anterior ejemplo, se presentan algunos interrogantes. El punto

de ebullicin de la solucin es de 70 0C? O es mayor o menor? La temperatura de salida de la

solucin es la misma de entrada? El vapor empleado como elemento de calefaccin se condensa

a los 30 psi y luego se enfra a 1000C?

Normalmente las soluciones acuosas tienen para la misma temperatura del agua pura presiones de

vapor menores; porconsiguiente, su temperatura de ebullicin es mayor que la del agua a la misma

presin.

La diferencia de temperatura entre el punto de ebullicin de la solucin y el punto de ebullicin del

agua, a la misma presin, es la elevacin del punto de ebullicin de la solucin.

Si bien para el ejemplo anterior los interrogantes expuestos no afectan el balance total de energa,

la solucin por tener un punto de ebullicin superior al del agua est entrando muy fra al

evaporador, igualmente la solucin sale a temperatura de ebullicin y el vapor de calefaccin

puede enfriarse a menos de 1000C ya que se presenta un T en la solucin inicial de 300C.

La elevacin del punto de ebullicin depende bsicamente del soluto y de la concentracin del

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EVAPORACION

mismo. Es pequea para soluciones diluidas o de coloides orgnicos, pero puede ser muy alta para

soluciones de sales inorgnicas de alta concentracin. Para soluciones diluidas puede emplearse

la ecuacin de Clausius Clapeyron.

T = (RT2

/ H Vap) X = kb m

donde: T = Es la elevacin del punto de ebullicin

R = Constante de los gases

To = Temperatura de ebullicin del solvente a presin P.

H vap =Entalpa de vaporizacin a presin P.

X = Fraccin molar del soluto.

kb = Constante molar del punto de ebullicin del solvente.

m = Nmero de moles del soluto o fraccin molar.

EJEMPLO 2

Determinar el punto de ebullicin de una solucin que contiene 5 gramos de rea por 75 gr de

agua. La constante KS del agua es 0.51 30/mol y el peso molecular de la rea 60.0.

Solucin: La fraccin molar m de la rea en la solucin es:

m = (5.00 / 60.6) (1000 cm

3

/lt / 75 cm

3

) = 1.11 mol/litro

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

La temperatura de ebullicin ser 100 + 0.569 = 100.5690C

Resp: 100.5690C

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

Como puede apreciarse en el ejemplo, la elevacin de temperatura es relativamente baja,

circunstancia que lleva a asumir para estas soluciones diluidas, como temperatura de ebullicin,

aquella correspondiente a la del solvente sin inducir mayor error.

Para soluciones concentradas se emplea una regla emprica conocida como regla de Duhnng que

define el punto de ebullicin de una solucin como funcin lineal del punto de ebullicin del agua

pura a la misma presin. .

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EVAPORACION

Elevacin

del punto

de

ebullicin

FIGURA 5-

4

Llamando

Ts la

temperatura de ebullicin de la solucin To, la del agua pura, puede correlacionarse: Ts = a +

b To

Para cada presin especfica, existe una ecuacin especfica y portal razn se acude a grficas en

las que se representan las temperaturas de ebullicin a diversas concentraciones

EJEMPLO 3

En un evaporador que funcionar a 10 psi, se va a concentrar una solucin de hidrxido de sodio

al 50%. Determinar la elevacin del punto de ebullicin.

Solucin: 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 ebullicin del agua y para la concentracin del

hidrxido al 50%, la temperatura de ebullicin es de 1350C, luego la elevacin del punto de

ebullicin es de 135 -900C = 450C (ms exactamente 45,450C).

Resp: 45,450C

EJEMPLO 4

En un evaporador de simple efecto, calentado por un serpentn recorrido, por vapor a 105 0C, el

vaco del aparato est regulado para que la ebullicin se produzca a 600C. A la salida del

serpentn, el agua que procede del vapor de calentamiento est a 850C.

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EVAPORACION

Cunta agua se puede evaporar por kilo de vapor empleado ?

Solucin : Veamos en primer lugar, cunta agua del lquido que se va a concentrar puede

evaporar 1 kg de vapor a 105 0C, suponiendo que la instalacin est ya funcionando y que las

prdidas de calor son nulas. Veamos:

Calor aportado por 1 kg de vapor a 105 0C (Q1) De tablas de vapor la entalpa de evaporacin 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 evaporacin del agua a 600C (L) es de 563,2 kcal /kg ( de tablas de vapor

Por lo anterior, teoricamente se podr evaporar, por kg de vapor a 1050C 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 evaporacin, de una

concentracin 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 / m20C

Establecer los requerimientos de calor , vapor de servicio empleado y rea de transferencia de

calor asumiendo que no existe elevacin de punto de ebullicin y que la alimentacin entra a

temperatura de ebullicin

Solucin: El balance de materiales permite determinar el agua evaporada y de acuerdo a la

entalpa de evaporacin se establece la cantidad de calor requerida. El rea de evaporacin se

obtiene con el flujo de calor , la diferencia de temperatura y el coeficiente global de transferencia de

calor.

Balance de materiales:

Slidos en el jugo = 0,9 x 800 = 72 k / hr

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

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EVAPORACION

Agua evaporada = 800 - 288 = 512 kg / hr

Balance de Calor:

De tablas de vapor se tiene

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

Calor de condensacin a 110 0C =2.630,2

Calor necesario para la evaporacin = 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 ecuacin general de transferencia de calor Q = U A T

La cada media logartmica de temperatura es igual a la diferencia normal, puesto que los fluidos

operan isotermicamente.

T = 110 - 50 = 60 0C

y el rea de transferencia A = Q/ ( U x T ) = 1.524.992 / ( 1500 x 60 ) = 13,55 m2

Resp: Calor necesario 1.219.994 kJ /hr

Vapor consumido 463,84 kg /hr

Area de transferencia 13,55 m2

EJEMPLO 6

Se dispone de un evaporador que trabaja a vaco 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 / m20C. A qu concentracin puede llegar

el jugo de emplearse este evaporador, si se aprovecha tan solo el 30% del calor que lleva el

evaporado.

Solucin . 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 prdidas entre el primer y

segundo evaporadores.

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EVAPORACION

Teniendo el jugo del 25%, una temperatura de ebullicin de 40 0C y asumiendo que no hay

elevacin de punto de ebullicin , la cantidad de agua evaporada depende de la entalpa de

ebullicin.

De las tablas de vapor la entalpa de evaporacin es de 2.406,73 kJ/kg, y como se aprovecha tansolo 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

concentracin ser 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 concentracin significativa. En la mayora de las industrias se emplean arreglos de dos

o ms equipos en lo que se conoce como evaporador multiefecto y cada aparato se conoce como

efecto.

Dos de los sistemas ms empleados en la recuperacin de calor, tienen su aplicacin en equipos

de evaporacin.

Ellos son la bomba de calor y el ciclo de recompresin. Como se observ en los balances de

energa, la conversin de energa mecnica a energa trmica es mucho ms eficiente que lo

contrario y consecuencialmente es ms econmico para iguales fines emplear la energa mecnica

y en ello se basan los dos sistemas regenerativos.

La bomba de calor est asociada a los ciclos de refrigeracin en donde el calor generado en la

compresin del fluido refrigerante debe ser retirado para permitir la condensacin del mismo. En

tanto que el ciclo de recompresin trabaja sobre parte del evaporado que se somete a una

compresin que permite elevar su temperatura y servir como medio de calefaccin para el equipo.

En el ciclo de recompresin el evaporado se comprime a una presin Sencillos ejemplos nos

ilustran estos arreglos tan importantes en la industria.

EJEMPLO 7

Se desean evaporar 5.000 lb / hr de un alimentacin para ser concentrada de 5 a 45% de slidos

aprovechando un ciclo de recompresin, que trabaja bajo los siguientes parmetros:

Presin del evaporador 10 psia

Temperatura del vapor de servicio 250 0F

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EVAPORACION

Establecer la potencia de compresor para el ciclo de recompresin

Solucin: El compresor toma parte del evaporado que se encuentra a 10 psia y lo lleva a una

presin tal que corresponde a la temperatura de 250 0F.

Las condiciones termodinamicas de cada vapor son:

Evaporado : Presin 10 psia

Temperatura 193 0F

Entalpia de vapor 1143,2 BTU /kg

Entalpa de Condensacin 982 BTU /kg

Entropia del vapor 1.7876 BTU /lb 0F

Vapor de Proceso Presin 20 psia

Temperatura 227,96 0F

Entalpia de vapor 1156,3 BTU /kgEntalpa de Condensacin 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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EVAPORACION

Observando la trayectoria termodinmica 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.

Slidos en la alimentacin = 5.000 x 0,05 = 250 lb /hr

Producto concentrado = 250 / 0,45 = 555,55 lb /hr

Agua evaporada = 5.000 - 555,55 = 4444,45 lb / hr

Calor requerido = 4.444.45 x 960 = 4.266.672 BTU / hr

Vapor recalentado = 4.266.672 / 987,57 = 4.320,4 lb /hr

El trabajo realizado por el compresor corresponde al calor suministrado para recalentar el vapor:

Trabajo suministrado por el compresor = 4.320,4 x 40,1 = 173.247 BTU

Aplicando los factores de conversin de BTU a Hp , la potencia requerida es

173.247 x 778P = -------- --------------------- = 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 solucin

y realmente la funcin 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 situacin

EJEMPLO 8

Determinar el rea de transferencia de calor para el evaporador del ejemplo anterior, teniendo un

coeficiente de transferencia de calor de 300 BTU / hr ft 2 0F.

Solucin 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

21


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EVAPORACION

Resp: 118,76 ft 2

Para lograr la recuperacin de calor que lleva el evaporado, en condiciones normales , se

requieren varios efectos con los consecuentes mayores gastos

en la inversin inicial, costos de equipos adicionales como bombas, tuberas y accesorios que

requieren los diversos efectos y el espacio requerido para su instalacin

EJEMPLO 9

Para aprovechar el excedente de calor en los equipos de refrigeracin de una industria de jugos y

aplicar la bomba de calor se debe dimensionar termodinamicamente un evaporador de pelcula

para jugos.

En el ciclo de refrigeracin se tiene amoniaco que sale del compresor a 125 0F y 300 psia,

requirindose para la expansin (despus de la vlvula de expansin) en los equipos de fro ,

lquido a una temperatura de 75 0F y 180 psia.

Se proyecta trabajar 7.500 lb / hr de jugo al 12% para concentrarlo al 50%, a una temperatura de

100 0F. Se estima un coeficiente total de transferencia de calor de 250 BTU / hr ft 2 0F.

Determinar la cantidad de amoniaco destinada al evaporador y el area del evaporador.Se dispone de los siguientes datos:

Calor latente de condensacin del amoniaco 500 BTU / lb

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

Solucin.- El Balance de materiales y balance de calor permite establecer la cantidad de calor

requerida para el proceso.

Balance de materiales

Slidos 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

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23/43

EVAPORACION

Amoniaco requerido = 5.907.480 / 500 = 11.815 kg / hr

Determinacin del rea 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 vaco es regulado para hacer ebullir el lquido a 85 0C. El agua de condensacin sale del

serpentn a 950C. Los vapores que salen del primer evaporador calientan al segundo o sea a

temperatura de 850C.

El vaco es ms intenso para conseguir que el lquido hierva a 600C. El agua de condensacin sale

del serpentn del segundo evaporador a 750C. En estas condiciones determinemos qu cantidad de

agua del lquido que se va a concentrar puede evaporar 1 kg de vapor a 105 0C

FIGURA 5-6

. Solucin:

Las entalpias de las diversas corrientes son:

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24/43

EVAPORACION

Vapor a 105 0C = 641,5 kcal /kg

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

De vaporizacin 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 0Ces:

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

- Cantidad de agua evaporada en el segundo evaporador, por 1 kg de vapor a 850C(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 solucin al

20% de slidos hasta un 80%, empleando vapor a 30 psig. se dispone de lo siguientes parametros

de clculo

Temperatura de ebullicin en el 1er. efecto 170 oF

Coeficiente total de transf. de calor 1er efecto 400

Temperatura de ebullicin en el 2. efecto 135 oF

Coeficiente total de transf. de calor 2. efecto 300 BTU / hr ft2oF

Entalpia de la solucin 100 - 15 x C ( siendo C la concentracin de slidos ) BTU /lb

Entalpia de vapor a 30 psig 1171 BTU/lb

Entalpa de Condensado a 30 psig 241 BTU / lb

No se tiene elevacin del punto de ebullicin. Establecer los requerimientos de vapor de servicio y

el area de transferencia de calor de cada efecto.

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25/43

EVAPORACION

Solucin.- Este problema involucra simultneamente los balances de calor y de energa.tanto para

cada efecto como para el evaporador.

Los balances de materiales y de energia de acuerdo al diagrama

1er Efecto

Slidos 1000 x 0,2 = P1 x C1

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

Total 1000 = P1 + E1

2. Efecto

Slidos P1 x C1 = P2 x C2 = P2 x 0,8 = 200 ===== P2 = 250

Agua P1 x ( 1 - C1) = P2 x ( 1 - C2) + E2 ===== 250 x 0,2 + E2

Total P1 = P2 + E2 = 250 + E2

FIGURA

5-6

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EVAPORACION

Evaporador de doble efecto

GLOBAL

Slidos 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 incgnitas la cantidad de producto que sale del primer efecto y su

concentracin, as 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 calefaccin y

la cantidad que entra es exactamente igual a la que sale.

Para establecer los balances de calor tenemos :

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

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

Entalpia de evaporado 1er efecto = 1134 BTU /lb

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

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

Entalpa de condensado 2. 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 2. 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

funcin de la concentracin de la solucin.

Realizado un anlisis de las ecuaciones presentadas se llega a establecer que la solucin al

problema se obtiene por ensayo y error, que es la situacin normal que se plantea en los clculos

de evaporadores de dos o ms 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 energa, el ensayo se establece sobre el

balance de calor del 2. efecto que debe arrojar una sumatoria igual a 0. Para el primer ensayo

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EVAPORACION

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 clculo.

EJEMPLO 11

DIMENSIONAMIENTO DE UNEVAPORADOR DE DOSEFECTOS

DATOS DEL PROBLEMA Ensayo 1

Concentracin

Cf Fraccin Dato 4 0,2

Entalpa Ha BTU/lb Clculo 5 97

Concentracin Producto Cp Fraccin Dato 6 0,8

Temperatura ebullicin 1er efectoT1

0

F Dato 8 170

Coeficiente 1er efecto

U1 Btu/ hr ft oF Supuesto 10 400

BALANCE DE MATERIALES

Solidos en Alimentacin Sa Lb/hr Clculo 13 200

Producto

P2 Lb/hr Clculo 15 250

Agua en producto Ap Lb/hr Clculo 16 50

Evaporado 1er efectoE1 Lb/hr Clculo 18 375

Concentracin al 2o. Efecto

C1 Fraccin Clculo 21 0,32

BALANCE DE CALOR

Entalpia de vapor a 30 psi Hv BTU/lb Tablas 22 1171

Entalpia vapor a 170

He1 BTU/lb Tablas 22 1134

Vapor requerido

V lb/hr Clculo 416,9

Balance sobre 2o. efecto BTU/hr Clculo 8921,3

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EVAPORACION

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

encontrndose 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 clculo 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 Ensayo1

Ensayo2

Ensayo3

Ensayo4

Parmetros Simb.

Unid. Fuente Ref .

Valor

Solidos en Alimentacin Sa Lb/hr Clculo

13 200 200 200 200

ProductoP2 Lb/hr Clcul

o15 250 250 250 250

Agua en producto Ap Lb/hr Clculo

16 50 50 50 50

Evaporado 1er efecto

E1 Lb/hr Clculo

18 375 370 380 379,425

Concentracin al 2o.Efecto

C1 Fracc. Clculo

21 0,32 0,32 0,32 0,32

BALANCE DE CALOR Ensayo1

Ensayo 2 Ensayo3

Ensayo 4

Parmetros Simb.

Unidades Fuente Ref. Valor

Entalpia de vapor a 30 psi Hv BTU/lb Tablas 22 1171 1171 1171 1171

Entalpia vapor a 170

He1 BTU/lb Tablas 22 1134 1134 1134 1134

Vapor requerido

V lb/hr Clculo 416,9 411,4 422,5 421,9

Balance sobre 2o. efecto BTU/hr Clculo 8921,3 19001,3 -1158,8 0,4

Una vez se han establecido los balances de energa y calor se procede a encontrar las reas de

transferencia de calor. Para el primer efecto se tienen los siguientes parmetros:

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EVAPORACION

Alimentacin hacia adelante

efectos. El vapor de agua de alta calidad se condensa en la calandria del primer efecto. Cuando la

temperatura del lquido de alimentacin es en el punto inicial, inferior a su punto de ebullicin, parte

del calor transferido se utiliza en el precalentamiento del lquido de alimentacin del segundo efecto

y as sucesivamente.

- Hacia

atrs:

para

ejecutar

este

mtodo

es

necesaro utilizar bombas intercaladas entre los diferentes efectos. El vapor ms agotado sirve

como medio de calentamiento del liquido ms fro y diluido, fluyendo a contracorriente lquido y

vapor. La viscosidad aumenta con la concentracin fenmeno que se compensa por las altas

temperaturas que va adquiriendo el lquido, al pasar por superficies cada vez ms calientes; por lo

anterior es necesario controlar constantemente la temperatura para evitar el chamuscado del

lquido. Este mtodo logra mayor economa de vapor.

FIGURA 5-8

Alimentacin hacia atrs

Mixta: como su nombre lo indica es un mtodo que combina las ventajas de los dos anteriormente

mencionados, o sea que combina la mayor simplicidad de la alimentacin hacia adelante con la

mayor economa de la alimentacin hacia atrs. Este sistema es realmente til cuando se utilizan

lquidos muy viscosos. Se usa generalmente en plantas con un alto nmero de efectos.

FIGURA 5-9

Alimentacin Mixta

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EVAPORACION

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

FIGURA

5-10

Alimentacin en paralelo

evaporadores de cristalizacin y tiene como gran ventaja el hecho de no utilizar bombas entre los

diferentes efectos, superando as los continuos problemas de flujo a que se ven sujetos los otros

sistemas.

Cuando no se utiliza el mtodo de alimentacin de un evaporador por mltiple efecto, este se usa

para conservar el vapor caliente de un evaporador de un solo efecto y para precalentar el lquido

de alimentacin fro. En este mtodo el rea de la superficie de calentamiento es grande, debido a

la baja temperatura del vapor.

Un tercer mtodo utilizado es la recompresin del vapor, el cual al comprimirse dentro delevaporador retorna a la calandria.

Existen dos maneras de efectuar la recompresin. La primera de carcter trmico, la segunda de

orden mecnico y en donde se usa una bomba mecnica. En el primer mtodo se logra

generalmente un ahorro considerable de energa; en el segundo caso su uso es recomendable

para la concentracin de soluciones diluidas, por las mnimas diferencias de temperatura que se

pueden lograr entre el lquido de ebullicin y el medio de calentamiento.

Aplicaciones en la industria de alimentos

A continuacin se desarrolla un contenido que pretende ubicarle en las principales aplicaciones que

tiene la evaporacin, dentro de las tecnologas ms conocidas dentro de la industria alimentaria.

Veamos:

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EVAPORACION

Tecnologa de leches concentradas

An denominadas impropiamente leches condensadas. En 1858 Borden visita la primera fbrica de

estas leches en Estados Unidos, en sus principios la leche condensada era azucarada; a partir de

1884 se empez a fabricar la no azucarada. Hoy se distinguen dos tipos de procesos en laobtencin de dos productos:

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

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

- Efectos de la concentracin

Los efectos de la concentracin sobre el equilibrio salino de la leche, es caracterizado por dos

fenmenos:

0* lnsolubilizacin de fosfatos y citratos de calcio, como consecuencia de la disminucin del agua.

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

Al efectuarse el proceso de concentracin 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, as que en algunas leches concentradas se

corre el riesgo de que cristalice, por lo que el proceso de evaporacin utilizado debe evitar la

formacin de estos cristales. Otros graves peligros que se corren son el inminente acercamiento de

los glbulos grasos y el de la ascensin de la crema, por lo que es necesario estar homogenizado

continuamente el producto. Adems de lo anterior el fosfocaseinato clcico se ve bastante

perturbado en la operacin, lo cual hace peligrar la estabilidad del producto. Todo lo anterior implica

que el procedimiento de concentracin debe ser previamente establecido.

- Procedimiento

Veamos el principio del mltiple efecto, tal vez el ms adecuado y usado en la obtencin de leches

concentradas.

Se utilizan evaporadores que funcionan a un vaco parcial para disminuir la temperatura de

ebullicin. As se evitarn modificaciones profundas en la estructura bioqumica de la leche, que

lgicamente se producirn cuando la temperatura sobrepasa los 100 0C. Con estos evaporadores

se evita principalmente afectar las condiciones organolpticas del producto, puesto que se logra la

estabilidad de la lactosa. Con un solo evaporador la evaporacin al vaco no permite beneficiar los

costos de utilizacin del vapor; cuando se utilizan mnimo dos evaporadores, el funcionamiento en

mltiple efecto facilita la disminucin de los costos de proceso, especialmente en el ahorro de

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33/43

EVAPORACION

vapor.

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

En el evaporador No. 1 se hierve una fraccin del lquido que se va a concentrar. Los vapores que

de ste salen actan como medio calefactor y evaporador de otra fraccin de lquido, la cual se

encuentra contenida en el evaporador No. 2. En ste se mantiene una presin inferior a la del

evaporador No. 1. El lquido circula en continuo a travs de los evaporadores, sin dejar de hervir.

En la medida en que se utilicen ms evaporadores se lograr una mayor economa, aunque el

empleo del mltiple efecto no es el nico mtodo de ahorrar combustible. La recompresin de

vaport ambin constituye una eficiente forma de disminuir las cantidades de vapor que se van a

utilizar. En efecto, el valor de la entalpa del vapor emitido por el evaporadorno es superior a la

entalpa del valor utilizado para el calentamiento del aparato.

- Preparacin Industrial

La concentracin de la leche al adicionarle azcar, garantiza la conservacin del producto acabado

sin necesidad de aplicar el procedimiento de esterilizacin. La presin osmtica es tan elevada que

impide el desarrollo de microorganismos.

Observe el siguiente diagrama de preparacin:

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EVAPORACION

FIGURA 5-11

Diagrama de fabricacin de las leches concentradas

Los objetivos principales de la fabricacin descrita son:

- Anular el espesor de la leche y la precipitacin del nitrato clcico, 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 rpida y fcil disolucin del azcar antes de ingresar al evaporador.

- Alimentar el evaporador con leche ya caliente.

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EVAPORACION

Especificamos el proceso:

La leche despus de seleccionada y estandarizada es pasteurizada (1100C), durante pocos

segundos, logrando de esta forma cumplir en parte con los objetivos propuestos; luego la leche se

educolora con jarabe estril (70% de sacarosa). La cantidad de azcar que se va a aadir est

directamente relacionada con el contenido de grasa de la leche y se determina a partir de la

siguiente relacin:

Cantidad AZ aadida = Azcar / grasa x Grasa total en leche estand z

La leche ya azucarada pasa al evaporador, donde se efecta la concentracin (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 300C rpidamente y luego hasta 150C lentamente (20 a 25

minutos).

Datos de inters

- Generalmente se aaden 17 kg de azcar, por cada 100 litros de leche.

- Se recomienda no pasar de 550C en la evaporacin, para evitar alterar los azcares e incrementar

la viscosidad del producto.

- El grado de concentracin buscado es mxime de 2.6.

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

- La leche concentrada estril es de menor concentracin que la condensada (se elimina hasta un

45% de agua).

- La leche normalizada es en primer lugar pasterizada (1200C 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 80C) rpidamente,

despus esteriliza (se utilizan sales estabilizantes), se envasa en botes hermticamente sellados,

los cuales se esterilizan (en autoclaves a 110C en 20 minutos); finalmente se enfra hasta

temperatura de 2000 en tiempo promedio de 15 minutos.

5.5. Concentracin de jugos de fruta

Cuando los jugos de fruta se concentran mediante el proceso de evaporacin, se corre el riesgo de

que a temperaturas altas se d una prdida del sabor y aroma de estos.

El oxgeno del aire causa adems en el zumo de naranjas procesos de oxidacin que tienen

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EVAPORACION

FIGURA 5-12

Evaporacion en varias fases para la concentracin de zumo de naranja, segn 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 fenmenos, es aconsejable la utilizacin de equipos de evaporacin al vaco. Veamos:

El zumo de naranja recin exprimido, con 10% de materia seca, se refrigera y se evapora a una

temperatura de 100C a 200C y con una presin absoluta de 9 a 17 mm de Hg. El vaco se mantiene

por medio de una bomba de difusin. 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

prdidas de sustancias aromticas. En seguida se aade al concentrado la cantidad de zumo

fresco para reducir el contenido de sustancia seca al 42%.

Una caracterstica especial que sobresale en el procedimiento descrito, es que la mquina

frigorfica es utilizada tanto para la produccin de fro como para el calentamiento del evaporador al

vaco.

En una instalacin caracterstica de este proceso se pueden identificar las siguientes variables de

proceso, vea la figura 5-12

El agua de refrigeracin tiene una temperatura de 270C y el agente refrigerante (NH3) se condensa

a 400C en los evaporadores de serpentn 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 presin de 6 a 7 mm

de Hg se deposita en un condensador de serpentn, que constituye a la vez el evaporador de la

mquina frigorfica en el que se evapora el amoniaco a + 50C. El modo de funcionar de una

instalacin 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 est condensando. El zumo que sale de la primera fase de evaporacin, 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 tuberas de evaporacin de cada uno de los 3 evaporadores se separa del lquido el

vapor de agua que se ha formado y entra por una conduccin comn, d, en- los condensadores de

vapor de agua, e, donde se condensa mediante el NH3 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 aunos

400C, entra en la conduccin colectora, f, se lica si es necesario completamente en el

condensador auxiliar, g, por medio de refrigeracin con agua y se subenfra; el amoniaco pasa a

travs de la vlvula moderadora, h, al separador de lquido, i. El NH3 puro que es un lquido de baja

presin desciende a travs de la conduccin, k, al condensador de vapor de agua, e, se evapora

all y el vapor amarillento queso forma queda aspirado, junto con el vapor que se ha acumulado en

el separador, i, a travs de la conduccin, l, por el compresor. La bomba de difusin de dos

efectos, m, mantiene los 3 evaporadores de zumo bajo el vaco deseado. Al zumo altamente

concentrado que sale por n se aade otra vez zumo fresco para mejorar el aroma. La mezcla de

zumo con el 42% de sustancia seca se congola primeramente a -9

0

C en una masa pastosa, seenvasa en bidones queso cierran bajo vaco y se introducen en una cmara donde se endurecen, y

finalmente se almacena a -200C.

En el procedimiento descrito reina en todos los evaporadores de zumo la misma presin y todos se

calientan por medio de vapor de amonaco de alta presin. La rentabilidad de este mtodo 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 evaporacin, pero

entonces es preciso que se disminuya la presin de esta fase de evaporacin todava ms, y el

vapor de agua que se forma en esta fase puede emplearse nuevamente para el calentamiento de

la tercera fase con la presin todava ms baja, etc. Estos evaporadores de efectos mltiples

ofrecen un ahorro esencial de energa.

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EVAPORACION

RESUMEN

Un evaporador es en esencia un aparato en el cual una solucin es sometida a calentamiento para

retirar el solvente de la solucin o concentrar la solucin.

Una diferencia bsica del proceso de evaporacin con el proceso de destilacin , radica en el

hecho de que en la evaporacin la solucin que se va a procesar es generalmente la de un soluto

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EVAPORACION

slido y un solvente lquido. En la destilacin, tanto solventes como soluto, son lquidos.

En la industria de alimentos, la evaporacin se emplea como operacin previa al secado de

productos, para reducir volmenes de soluciones y as facilitar su manejo; para facilitar la

preservacin de ciertos alimentos al reducir la actividad del agua y para la obtencin de sabores yolores naturales de ciertos productos, como por ejemplo esencias.

Las condiciones bajo las cuales la operacin de evaporar se lleva a cabo en la industria son muy

amplias y variadas en razn de la complejidad de los fenmenos de ebullicin.

En la prctica el diseo de equipos se basa ms en los resultados de campo que en las

consideraciones estrictamente tericas y este hecho se refleja en la gran variedad de equipos.

Son aspectos fundamentales de seleccin de equipos: si el lquido que se va a evaporar es ms o

menos viscoso que el agua y hasta qu punto la viscosidad causa flujo lento y se requiera de

agitacin. La precipitacin de los slidos que causa formacin de incrustraciones en las paredes o

superficies de transmisin de calor con las consiguientes negativas consecuencias. La tendencia a

formacin de espuma que pueden causar arrastre con los vapores tenindose prdidas de los

productos, como consecuencia de la concentracin gradual de la solucin, se tiene una elevacin

pronunciada en los puntos de ebullicin lo que requiere mayor demanda de calor as como un

adecuado control de l y lo ms importante las modificaciones as sean mnimas en las

caractersticas de las soluciones come consecuencia de aplicacin de calor. No debe olvidarse que

los alimentos son los ms susceptibles a cambios aun por pequeos cambios de temperatura.

La viscosidad tiende a disminuir la velocidad de circulacin de los fluidos y por consiguiente a

reducir los coeficientes de pelcula. Como a medida que se concentra la solucin la viscosidad

aumenta, la tasa de transferencia de calor disminuye a medida que aumenta la evaporacin.

La formacin de incrustaciones en las superficies de transferencia de calor, tambin trae como

consecuencia la disminucin de la tasa de transferencia por disminucin del valor de U.

Las incrustaciones son depsitos de slidos fuertemente adheridos a la superficie y ellas aumentan

a medida que las soluciones se concentran y a medida que la velocidad de circulacin disminuye,

ya que no existe arrastre de slidos. Para disminuir la formacin de incrustaciones se debeincrementar la velocidad de la solucin y ello se logra en los evaporadores de. circulacin o flujo

forzado. De todas maneras los evaporadores empleados en soluciones que tengan la tendencia a

incrustarse deben ser de fcil acceso para su uso y desincrustacin.

Las espumas se forman durante la ebullicin de muchos lquidos por efectos de fuerzas

interfaciales y se acenta su formacin cuando se opera a baja presin. Se cree que slidos

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EVAPORACION

suspendidos actan como medios para la formacin de burbujas y estos se depositan ms

fcilmente en las paredes, cuando se rompe la espuma y por consiguiente se aumenta la

incrustacin en las zonas aledaas al nivel de la solucin.

Las modificaciones en las caractersticas de los productos por efecto del calor se minimizancuando se opera a bajas temperaturas o los tiempos de operacin son reducidos. Las temperaturas

pueden disminuir empleando bajas presiones y se trabaja al vaco y para el tiempo se busca una

rpida evaporacin lograda en los evaporadores de pelcula delgada.

La ecuacin general de Fourier es aplicable a los evaporadores, en los que se toma la superficie

efectiva de evaporacin como superficie de transferencia de calor y la ecuacin que es comn para

cualquier aparato de transferencia de calor, se expresa:

Q = U A Tm

Los problemas que se presentan al resolver esta ecuacin son los que se derivan de las

variaciones de U, Tm a medida que va transcurriendo la evaporacin. No obstante el valor de Q

puede obtenerse a partir de un balance de calor y un balance de materiales efectuados sobre la

operacin en s.

Refirindonos a la figura 5-13 que representa un diagrama simplificado de un evaporador, se tiene

una alimentacin F kilos por hora con una concentracin de slidos Xf, en peso y la entalpa de

dicha solucin es HF. La solucin se concentra para producir P kilos con un porcentaje en peso de

slidos Xp y d entalpa Hp, saliendo vapor y con Y porcentaje de slidos y entalpa Hv.

El balance total de materiales es

F = P+V

Un balance parcial de los slidos ser:

FXF= PXp+ Vy

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EVAPORACION

Para

lograr la

evaporacin se emplean Skilos de vapor de agua con una entalpa Hs; este vapor

FIGURA 5-13

al ceder calor disminuye su entalpa y llega sta a un valor Hc. El balance global de calor es:

Calor de alimentacin + calor del vapor de agua = calor del producto + calor del lquido evaporado

+ calor del vapor gastado + calor perdido por radiacin.

En las operaciones de transferencia de calor, se busca las menores prdidas de calor empleando

aislantes adecuados, por tal razn las prdidas 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. Cules son las tres principales variables que deben considerarse para lograr calcular un equipo

de evaporacin?

2. En un jugo de naranja, durante el proceso de evaporacin, se debe cuidar de no alterar

especialmente dos factores de carcter organolptico Cules?

3. Durante la evaporacin de un alimento, la presin hidrosttica alta, interviene directamente en la

formacin de:

4. Las unidades del Cp (calor especfico del lquido de alimentacin) son:

A. kg/seg.

B. J/kg.

C. J/seg0C.

D. J/kg0C.

5. El conocimiento del valor de la resistencia trmica de un material, es fundamental para el clculo

de:

A. Coeficiente global de transferencia de calor.

B. Carga calorfica.

C. Presin hidrosttica.

D. Velocidad de flujo.

6. Las variables identificadas por el enunciado de la regla de Duhring son:

A. Temperatura y volumen Kte.

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EVAPORACION

B. Presin y volumen kte.

C. Temperatura y presin kte.

D. Presin y temperatura kte.

7. La clase de alimentacin a un sistema de evaporacin que no utiliza bombas entre los

diferentes efectos se denomina:

A. En paralelo.

B. Mixta.

C. Hacia atrs.

D. Hacia adelante.

8 Se desea concentrar una disolucin de jugo de naranja desde 5 hasta el 20% de slidos en

un evaporador de triple efecto. El vapor de calefaccin del primer efecto es vapor saturado a 1.8

kg/cm2 de presin absoluta y el vaco mantenido sobre el ltimo efecto corresponde a una

temperatura de ebullicin de 480C. La alimentacin entra a 230C en proporcin de 10.000 kg/hr.

- Consumo de vapor

- Distribucin de temperaturas

- Superficie de calefaccin de cada efecto para los casos de alimentacin directa o en

contracorriente.

Datos:

- Se desprecia la elevacin del punto de ebullicin

- Se supone que el calor especifico de la dilusin es aproximadamente 1.0 kcal/k0C

- Los coeficientes de transmisin de calor se dan en kcaVm2h0C.

Efecto 1 Efecto 2 Efecto 3

Alimentacin directa 2.600 kg 1.700kg 1.000kg

Alimentacin en contracorriente 2.200kg 1.700kg 1.400kg

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