EVAPORADORES DE MULTIPLE EFECTO

La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que

condensa sobre tubos metálicos. Generalmente el vapor es de baja

presión, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que

hierve se encuentra a un vacío moderado, de hasta 0,05 atm

absolutas. Al reducir la temperatura de ebullición del líquido aumenta

la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido

de ebullición y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisión de

calor en el evaporador.

El método general para aumentar la evaporación por kilogramo de

vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el

suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de

evaporación en múltiple efecto. En el cual el vapor procedente de uno

de los evaporadores se introduce como alimentación en el elemento

calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste

se envía al condensador, la operación recibe el nombre de doble

efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo

efecto, y la evaporación obtenida por unidad de masa del vapor de

agua de alimentación al primer efecto es aproximadamente el doble.

El primer efecto de un evaporador de flujo múltiple es aquél en el que

se introduce el vapor vivo y en el que la presión en el espacio de

vapor es la más elevada. El último efecto es el que tiene la presión

mínima en el espacio de vapor.

La presión en cada efecto es menor que la del efecto del cual recibe

el vapor de agua y superior a la del efecto al cual suministra vapor.

Cada efecto, por sí solo, actúa como un evaporador de un solo efecto,

y cada uno de ellos tiene una caída de temperatura a través de su

superficie de calefacción Correspondiente a la caída de presión en

dicho efecto. El acoplamiento de una serie de cuerpos del evaporador

en un sistema de múltiple efecto es una cuestión de tuberías de

interconexión y no de la estructura de las unidades individuales. La

numeración de los efectos es independiente del orden en el que las

disoluciones entren como alimentación de los mismos. En figura la

alimentación diluida entra en el primer efecto, donde se concentra

parcialmente, pasa al segundo efecto para una concentración

adicional y, por último, en el tercer efecto alcanza la concentración

final. La disolución concentrada se extrae del tercer efecto mediante

una bomba. En la operación en estado estacionario las velocidades de

flujo y las velocidades de evaporación son tales que tanto el

disolvente como el soluto no se acumulan ni disminuyen en cada

efecto. La concentración, temperatura y velocidad de flujo de la

alimentación están ligadas, las presiones en la entrada del vapor vivo

y el condensador están establecidas, y todos los niveles de las

disoluciones se mantienen en cada efecto.

Por tanto, todas las concentraciones internas, velocidades de flujo,

presiones y temperaturas se mantienen automáticamente constantes

por sí mismas durante la operación del proceso. La concentración de

la disolución concentrada solamente se puede modificar cambiando la

velocidad de flujo de la alimentación. Si la disolución concentrada es

demasiado diluida, se reduce la velocidad de alimentación al primer

efecto y, contrariamente, se aumenta si es demasiado concentrada.

La concentración en el último efecto y de la disolución concentrada

que descarga del mismo alcanzará eventualmente un nuevo estado

estacionario para el nivel deseado.

La superficie de calefacción del primer efecto transmitirá por hora

una cantidad de calor dado por la ecuación.

q1 = A1U1 ΔT1

Si la parte de este calor que va a calentar la alimentación hasta el

punto de ebullición se desprecia por el momento, resulta que todo

este calor ha de aparecer como calor latente en el vapor que sale del

primer efecto. La temperatura del condensado que sale del segundo

efecto es muy próxima a la temperatura T, de los valores procedentes

del líquido que hierve en este efecto. Por tanto, en la operación en

estado estacionario prácticamente todo el calor consumido en crear

vapor en el primer efecto será cedido cuando este mismo vapor

condense en el segundo efecto. Sin embargo, el calor transmitido en

el segundo efecto viene dado por la ecuación.

Q2 = A2U2 ΔT2

Tal como se ha indicado, q1 y q2 son prácticamente iguales, de forma

que.

A1U1 ΔT1 = A2U2 ΔT2

Este mismo razonamiento puede ampliarse, de forma que,

aproximadamente.

A1U1 ΔT1 = A2U2 ΔT2 = A3U3 ΔT3

En la práctica ordinaria las áreas de calefacción de todos los efectos

de un evaporador de múltiple efecto son iguales, lo cual conduce a

una economía constructiva. Por tanto q, = q2 = q3 la ecuación que da

de esta manera.

U1 ΔT1 = U2 ΔT2 = U3 ΔT3 = q/A

A partir de aquí se deduce que las caídas de temperatura en un

evaporador de múltiple efecto son, de forma aproximada,

inversamente proporcionales a los coeficientes de transmisión de

calor.

Métodos de alimentación para un evaporador de múltipleEfecto

Para alimentar un evaporador de múltiple efecto existen varias maneras o formas de realizarlo entre están encontramos las siguientes.

Alimentación directa

Alimentación inversa

Alimentación mixta

Alimentación paralela. -Corrientes de disolución; -corrientes de

vapor de agua y vapor condensado.

Alimentación en contracorriente

Alimentación directa: Consiste en introducir mediante una bomba la disolución diluida en el

primer efecto y hacerla circular después a través de los demás

efectos La concentración de la disolución aumenta desde el primer

efecto hasta el último. Este modelo de flujo del líquido es el más

sencillo. Requiere una bomba para introducir la alimentación en el

primer efecto, ya que con frecuencia este efecto está a una presión

superior a la atmosférica, y una bomba para extraer la disolución

concentrada del último efecto. Sin embargo, el paso de un efecto a

otro se realiza sin bombas puesto que el flujo es en el sentido de

presiones decrecientes, y todo lo que se requiere son válvulas de

control en las líneas de Unión.

Alimentación Directa

Alimentación inversa:

Método común en el que la alimentación diluida se introduce en el

último efecto y se bombea después a través de los sucesivos efectos

hasta el primero,

Este método requiere una bomba entre cada pareja de efectos,

además de la bomba de disolución concentrada, ya que el flujo tiene

lugar en el sentido de presiones crecientes.

La alimentación inversa conduce con frecuencia a una mayor

capacidad que la alimentación directa cuando la disolución es

viscosa, pero puede producir una menor economía que la

alimentación directa cuando la alimentación está fría.

Alimentación inversa

Alimentación mixta:

La disolución diluida entra en un efecto intermedio, circula con

alimentación directa hasta el extremo de la serie, y después se

bombea hacia atrás a los primeros efectos para conseguir la

concentración final. Esta forma de operar elimina algunas de las

bombas que se requieren en la alimentación inversa y permite

realizar la evaporación final a temperatura más elevada.

Alimentación mixta

Alimentación paralela:

En los evaporadores con cristalización, donde se retira una

suspensión de cristales y aguas madres, la alimentación se introduce

directamente en cada efecto En la alimentación paralela no hay

transporte de líquido entre los efectos.

Alimentación paralela

VentajasGran utilización del vapor la presión se distribuye el mismo vacío hace que fluyan los concentrados.

InconvenientesLa transmisión de calor está dificultada por: U grande, Ts-T1 grande, la u va aumentando y U va disminuyendo.

Alimentación en contracorriente:

VentajasMejora la transmisión de calor, se compensa el gradiente.

InconvenientesHay que colocar bombas para que fluya el concentrado.

EVAPORADORES DE PELÍCULA ASCENDENTE O RISING FILMS

Estos operan bajo el principio del termo sifón. La alimentación de

producto (A) entra por el fondo de los tubos de calentamiento y al ser

calentado el vapor comienza a formarse. La fuerza ascendente de

este vapor producido durante la ebullición causa que el líquido y el

vapor asciendan en un flujo paralelo. Al mismo tiempo la producción

de vapor se incrementa y el producto es presionado como una

película delgada hacia las paredes de los tubos, y el líquido sube

hacia arriba. Este movimiento co-corriente hacia arriba en contra de

la gravedad tiene el efecto benéfico de crear un alto grado de

turbulencia en el líquido. Esto es ventajoso durante la evaporación de

productos altamente viscosos y productos que tienen una tendencia a

ensuciar las superficies de calentamiento.

A: Producto

B: Vapor

C: Concentrado

D: Vapor de Calentamiento

E: Condensado

Evaporador de Película Ascendente

En este tipo de evaporadores, generalmente debe haber a un diferencial bastante alto entre las temperaturas de calentamiento y

el lado de evaporación. De otra forma la energía del flujo de vapor no es suficiente para transportar el líquido y producir la

película ascendente. La longitud de los tubos de ebullición generalmente no excederá de 23ft (7m).

Planta de evaporación de película descendente de 5

efectos para glutamato mono sódico, calentado

por re-compresión térmica de vapor. La tasa de evaporación es 50,000

lbs/hr (~22,690 kg/h).

Este tipo de evaporador es frecuentemente usado con recirculación de producto, Dónde parte del concentrado producido es reintroducida a la entrada de la alimentación para producir una carga suficiente de líquido dentro de los tubos de calentamiento. Diferentes diseños han sido desarrollados usando este principio básico. Un buen ejemplo es el evaporador Roberts, el cual es el más antiguo de los evaporadores del tipo de circulación. Este tipo de evaporador tiene un tubo ancho de circulación en el centro del paquete de tubos de calefacción por el que concentra el flujo de retorno al fondo del paquete de tubos. El evaporador Roberts aun es ampliamente usado en la industria azucarera.

EVAPORADOR DE PELICULA DESCENDENTE

En los evaporadores de película descendente el producto líquido (A) usualmente entra al evaporador por la parte superior (1) o cabezal del evaporador. En el cabezal, el producto es uniformemente distribuido dentro de los tubos de calentamiento. Una película fina entra a los tubos de calentamiento fluyendo hacia abajo, donde es calentada a temperatura de ebullición y así, es parcialmente evaporada. En la mayoría de los casos es usado vapor (D) para calentar el evaporador. El producto y los vahos, ambos fluyen hacia abajo en un flujo paralelo. Este movimiento de gravedad inducida hacia abajo es aumentado cada vez más por el flujo a co-corriente de vapor. La separación del producto concentrado (C) forma su vapor (B) lo que se

lleva a cabo en la parte baja del intercambiador de calor (3) y en el separador (5).

A: Producto

B: Vapor

C: Concentrado

D: Vapor de Calentamiento

E: Condensado

1: Cabezal

2: Calandria

3: Parte baja de la Calandria

4: Zona de Mezcla

5: Separador de Vaho

Los evaporadores de película descendente pueden ser operados con

diferenciales de temperatura muy bajos entre el medio de

calentamiento y el líquido a evaporar y además, tienen tiempos de

contacto con el producto muy cortos, justo unos cuantos segundos

por paso. Estas características hacen al evaporador de película

descendente especialmente adecuado para productos sensibles al

calor.

No obstante, los evaporadores de película descendente deben ser

diseñados con bastante cuidado para cada combinación de

condiciones de operación. Mojar suficientemente la superficie de

calentamiento por el líquido (espesor de película de producto), es

extremadamente importante para una operación de la planta sin

problemas. Si la superficie de calentamiento no está suficientemente

mojada, se presentaran parches e incrustaciones de producto seco, o

peor aún, los tubos de calentamiento se atascarán por completo. En

casos críticos la tasa de mojado puede aumentarse extendiendo o

divide los efectos de evaporación, manteniendo las ventajas de un

solo paso de operación (no re circulando el producto).

El diseño apropiado del sistema distribuidor de producto en el cabezal

del evaporador es crítico para alcanzar un mojado completo y

uniforme de los tubos.

Debido al bajo volumen de líquido contenido en este tipo de unidades,

los evaporadores de película descendente pueden ser rápidamente

arrancados y cambiados al modo de limpieza u a otro producto

fácilmente.

Los evaporadores de película descendente son sumamente sensibles a modificaciones de parámetros tales como suministro de energía, vacío, nivel de alimentación, concentraciones, etc.

Cuando están equipados con un sistema automático de control bien diseñado, pueden producir un producto concentrado muy consistente.

El hecho de que los evaporadores de película descendente pueden ser operados con pequeños diferenciales de temperatura hace posible emplearlos en configuraciones de múltiples etapas o efectos o con sistemas de compresión mecánica de vapor en las plantas modernas con consumos de energía verdaderamente bajos. Más información sobre consumo y ahorro de energía está disponible en la sección: Manejo y Optimización de Energía.

La tendencia actual de la Industria es utilizar equipos del tipo película descendente por las siguientes razones:

Operacionales:

La operación de los equipos de tubos llenos producen concentrado en un rango medio de tiempos de 3-4 hrs, dado el gran volumen de líquido en su interior, frente a 25-30 minutos en una unidad de película descendente, lo cual se traduce en una serie de ventajas:

• Se puede iniciar el proceso de adición de concentrado fresco, en un breve tiempo.

• Se puede concentrar la totalidad del agua de cola, a diferencia del de tubos llenos, donde el equipo queda con una carga completa de agua de cola.

• Permite procesar pequeñas cantidades de pesca en forma integral, lo que es un fenómeno común a lo largo de un año.

• Mejores rendimientos de proceso, al no tener almacenamientos entre días de proceso.

• Tiempo de limpieza reducido, 2.5 - 3 horas, frente a las 12-18 horas de limpieza que requiere una unidad de tubos llenos.

Calidad de producto

Al utilizar un FF, se obtienen harinas de mejor calidad dado que siempre se puede agregar concentrado fresco, y presencia de concentrado añejo será mínima. El daño térmico de las proteínas es menor, lo que se refleja en un color más claro, debido al menor tiempo de concentración, y menores temperaturas de operación.

Ahorros de Energía

Los equipos transformados, pueden operar con vahos de secadores a vapor con los consiguientes ahorros energéticos. Adicionalmente se requiere menor inversión en calderas.

Ambientales

Su recuperación disminuye significativamente los problemas de generación de aguas residuales, y elimina casi totalmente los requerimientos de agua de condensación para los vahos residuales, disminuyendo los problemas de malos olores, característicos de la industria.

Ventajas:

Costo moderado en la gran mayoría de los evaporadores.

Calefactores de gran superficie en un solo cuerpo.

Bajo tiempo y volúmenes de residencia.

Ocupan poco espacio.

Bajos tiempos de residencia, lo cual permite concentrar

productos extremadamente termo-sensibles

Rápida respuesta a cambios en las condiciones de operación.

Arranques y paradas se efectúan rápidamente

Buenos coeficientes de transferencia de calor a diferencias de temperaturas razonables.

Por sus demostradas ventajas, el evaporador de película descendente ha reemplazado prácticamente a otro tipo de evaporadores en muchas industrias. Mientras los evaporadores de circulación natural y de circulación forzada son aun de uso común, los tipos especiales como los evaporadores de tubo en espiral, en contra corriente o con agitación se utilizan solo para aplicaciones muy especiales.

Desventajas:

• La mayoría de los evaporadores utilizados poseen gran altura (hasta 18 m).

• Por lo general, no son apropiados para soluciones precipitantes o incrustantes.

• Con diferencias de temperaturas pequeñas, sus coeficientes de transferencia de calor son pobres.

• Presentan demasiada sensibilidad hacia el cambio en las

condiciones de operación.