UNIDAD IV. EVAPORACIN El objetivo de la evaporacin es concentrar una disolucin consistente en un soluto no voltil y un disolvente voltil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporacin se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolucin concentrada. La evaporacin difiere del secado en que el residuo es un lquido -a veces altamente viscoso- en vez de un slido; difiere de la destilacin en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporacin no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalizacin en que su inters reside en concentrar una disolucin y no en formar y obtener cristales. En ciertas situaciones, por ejemplo, en la evaporacin de salmuera para producir sal comn, la separacin entre evaporacin y cristalizacin dista mucho de ser ntida. La evaporacin produce a veces una suspensin de cristales en unas aguas madres saturadas. Normalmente, en evaporacin el producto valioso es el lquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha. Sin embargo, en algn caso concreto puede ocurrir lo contrario. El agua salubre se evapora con frecuencia para obtener un producto exento de slido para la alimentacin de calderas, para procesos con requerimientos especiales o para el consumo humano. Esta tcnica se conoce con frecuencia con el nombre de destilacin de agua, pero se trata en realidad de evaporacin. Se han desarrollado procesos de evaporacin a gran escala utilizndose para la recuperacin de agua potable a partir de agua de mar. En este caso el agua condensada es el producto deseado. Solamente se recupera una fraccin del agua contenida en la alimentacin, mientras que el resto se devuelve al mar. Entre los ejemplos tpicos de procesos de evaporacin estn la concentracin de soluciones acuosas de azcar, cloruro de sodio, hidrxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. En estos casos, la solucin concentrada es el producto deseado y el agua evaporada suele desecharse. En otros, el agua que contiene pequeas cantidades de minerales se evapora para obtener agua libre de slidos que se emplea en la alimentacin de calderas, para procesos qumicos especiales, o para otros propsitos. Actualmente se estn desarrollando y usando procesos de evaporacin de agua de mar para obtener agua potable. Ocasionalmente, el principal objetivo de la evaporacin consiste en concentrar una solucin de manera que al enfriarse sta se formen cristales que puedan separarse. Este proceso especial de evaporacin se llama cristalizacin. I.- FACTORES GENERALES DEL PROCESO DE EVAPORACIN Las propiedades fsicas y qumicas de la solucin que se est concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presin y la temperatura del proceso. A continuacin se analizan algunas propiedades que afectan a los mtodos de procesamiento. 1. Concentracin en el lquido. Por lo general, la alimentacin lquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporacin, la solucin se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminucin del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulacin o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado. 2. Solubilidad. A medida que se calienta la solucin y aumenta la concentracin del soluto o sal, puede excederse el lmite de solubilidad del material en solucin y se formaran cristales. Esto limita la concentracin mxima que puede obtenerse por evaporacin de la solucin. En la mayora de los casos, la solubilidad de la sal aumenta con la temperatura. Esto significa que, al enfriar a temperatura ambiente una solucin concentrada caliente que proviene de un evaporador puede presentarse una cristalizacin. 3. Sensibilidad trmica de los materiales. Muchos productos, en especial los alimentos y otros materiales biolgicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando sta sube o el calentamiento es muy prolongado. Entre ellos estn los materiales farmacuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales qumicos orgnicos delicados. La cantidad de degradacin est en funcin de la temperatura y del tiempo. 4. Formacin de espumas. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones custicas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de cidos grasos, forman espuma durante la ebullicin. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir prdidas de material. 5. Presin y temperatura. El punto de ebullicin de la solucin est relacionado con la presin del sistema. Cuanto ms elevada sea la presin de operacin del evaporador, mayor ser la temperatura de ebullicin. Adems, la temperatura de ebullicin tambin se eleva a medida que aumenta la concentracin del material disuelto por la accin de la evaporacin. Este fenmeno se llama Incremento del Punto de Ebullicin (IPE). Para mantener a un nivel bajo la temperatura de los materiales termosensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vaco. 6.- Formacin de costras. Algunas disoluciones depositan costras sobre las superficies de calefaccin. En estos casos el coeficiente global disminuye progresivamente hasta que llega un momento en que es preciso interrumpir la operacin y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resulta difcil y costosa. 7.- Materiales de construccin. Siempre que es posible, los evaporadores se construyen con algn tipo de acero. Sin embargo, muchas disoluciones atacan a los metales frreos y se produce contaminacin. En estos casos se utilizan materiales especiales tales como cobre, nquel, acero inoxidable, grafito y plomo. Puesto que estos materiales son caros, resulta especialmente deseable obtener elevadas velocidades de transmisin de calor con el fin de minimizar el coste del equipo. II.- OPERACIN DE SIMPLE Y MLTIPLE EFECTO. La mayora de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metlicos. Generalmente el vapor es de baja presin, inferior a 4 atm absolutas, y con frecuencia el lquido que hierve se encuentra a un vaco moderado, de hasta 0,05 atm absolutas. Al reducir la temperatura de ebullicin del lquido aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el lquido de ebullicin y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisin de calor en el evaporador. Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del lquido en ebullicin se condensa y desecha. Este mtodo recibe el nombre de evaporacin de simple efecto, y aunque es sencillo, utiliza ineficazmente el vapor. Para evaporar 1 kg de agua de la disolucin se requieren de 1 a 1,3 kg de vapor de agua. Si el vapor procedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentacin en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de ste se enva al condensador, la operacin recibe el nombre de doble efecto. El calor del vapor de agua original es reutilizado en el segundo efecto, y la evaporacin obtenida por unidad de masa del vapor de agua de alimentacin al primer efecto es aproximadamente el doble. El mtodo general para aumentar la evaporacin por kilogramo de vapor de agua utilizando una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador recibe el nombre de evaporacin en mltiple efecto. III.- TIPOS GENERALES DE LOS EVAPORADORES La evaporacin consiste en la adicin de calor a una solucin para evaporar el disolvente que, por lo general, es agua. Usualmente, el calor es suministrado por condensacin de un vapor (como vapor de agua) en contacto con una superficie metlica, con el lquido del otro lado de dicha superficie. El tipo de equipo usado depende tanto de la configuracin de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitacin o circulacin del lquido. A continuacin se analizan los tipos generales de equipo. 1. Marmita abierta o artesa. La forma ms simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el lquido. El suministro de calor proviene de la condensacin de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el lquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son econmicos y de operacin simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el lquido. 2. Evaporador de tubos horizontales con circulacin natural. En la figura 1 se muestra un evaporador de tubos horizontales con circulacin 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 solucin a ebullicin est por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie lquida; despus, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de lquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente econmico, puede utilizarse para lquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para lquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulacin del lquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos. En casi todos los casos, tanto este evaporador como los que se estudian despus operan con rgimen continuo, con alimentacin a velocidad constante y salida de concentrado a velocidad constante. 3. Evaporador vertical con circulacin natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el lquido esta dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullicin y a la disminucin de densidad, el lquido se eleva en los tubos por circulacin natural, tal como se muestra en la figura 1, y fluye hacia abajo a travs de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulacin natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. No es til con lquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos. Una variacin de este modelo es el evaporador de canasta, que usa tubos verticales, pero el elemento de calentamiento se cuelga en el cuerpo, de tal manera que haya un espacio anular que sirva de bajada. El modelo de canasta se usa con frecuencia en las industrias del azcar, la sal y la sosa custica. 4. Evaporador vertical de tubos largos. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparacin con el del lado del lquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el lquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos como el de la figura 1, el lquido esta en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de lquido muy altas. Por lo general, el lquido pasa por los tubos una sola vez y no se recircula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo. En algunos casos, como cuando la relacin entre la velocidad de alimentacin y la velocidad de evaporacin es baja, puede emplearse recirculacin natural del producto a travs del evaporador, aadiendo una conexin de tubera entre la salida del concentrado y la lnea de alimentacin. ste es un mtodo muy comn en la produccin de leche condensada. 5. Evaporador de cada de pelcula. Una variacin del modelo de tubos largos es el evaporador de cada de pelcula, en el cual el lquido se alimenta por la parte superior de los tubos y fluye por sus paredes en forma de pelcula delgada. Por lo general, la separacin de vapor y lquido se efecta en el fondo. Este modelo se usa mucho para la concentracin de materiales sensibles al calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a que el tiempo de retencin es bastante bajo (entre 5 y 10 s) y el coeficiente de transferencia de calor es alto. 6. Evaporador de circulacin forzada. El coeficiente de transferencia de calor de la pelcula lquida puede aumentarse por bombeo provocando una circulacin forzada del lquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea el modelo de tubos verticales largos. Adems, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy til para lquidos viscosos. IV.- EVAPORACIN DE MATERIALES BIOLGICOS La evaporacin de varios materiales biolgicos suele diferir de la de materiales inorgnicos como NaCl y NaOH, as como de los materiales orgnicos como el etanol y el cido actico. Los materiales biolgicos como los productos farmacuticos, la leche, los jugos ctricos y los extractos vegetales, suelen ser muy sensibles al calor y con frecuencia contienen partculas muy finas suspendidas en solucin. Adems, y debido a los problemas de crecimiento bacteriano, el equipo debe disearse de tal manera que pueda limpiarse con facilidad. Muchos materiales biolgicos en disolucin presentan elevacin del punto de ebullicin muy baja al concentrarse. Esto se debe a que los slidos suspendidos en forma de partculas muy finas y los solutos disueltos de alto peso molecular, contribuyen muy poco a esta elevacin. El grado de degradacin de los materiales biolgicos durante la evaporacin est en funcin de la temperatura y del tiempo de procesamiento. Para mantener la temperatura baja, la evaporacin debe hacerse al vaco, lo que reduce el punto de ebullicin de la disolucin. Para que el tiempo de contacto sea corto, el equipo debe tener un tiempo bajo de retencin (tiempo de contacto) del material que se est evaporando. A continuacin se sealan los tipos de equipo usados y algunos de los materiales que se procesan en ellos. 1. Evaporador vertical de tubos largos. Leche condensada. 2. Evaporador de cada de pelcula. Jugos de frutas. 3. Evaporador de pelcula agitada (pelcula con raspador). Ltex de caucho, gelatina, antibiticos, jugos de frutas. 4. Evaporador de ciclo con bomba de calor. Jugos de frutas, leche, productos farmacuticos. 1.- Jugos de frutas En la evaporacin de jugos de frutas como el zumo de naranja, los problemas son muy diferentes a los de la evaporacin de una sal tpica, como el NaCl. Los jugos de frutas son sensibles al calor y su viscosidad aumenta notablemente al concentrar la solucin. Adems, la materia slida en suspensin en los jugos de frutas tiende a adherirse a la superficie de calentamiento, causando sobrecalentamientos que conducen a carbonizaciones y deterioro del material. Para reducir esta tendencia a la adhesin y disminuir el tiempo de residencia, se necesitan velocidades de circulacin altas en la superficie de transferencia de calor. Como el material es sensible al calor, tambin se requiere una temperatura de operacin baja. Por tanto, una planta de jugos de frutas concentrados casi siempre usa un evaporador de efecto simple en lugar de unidades mltiples. Tambin se emplea vaco para reducir la temperatura de evaporacin. En un proceso de jugos ctricos concentrados y congelados se utiliza un evaporador mltiple de cada de pelcula. Uno de los principales defectos que puede tener el jugo de naranja es la prdida de sabor debido a la eliminacin de constituyentes voltil durante la evaporacin. Para evitar esto, una porcin del jugo de fruta no se introduce al ciclo de evaporacin y se mezcla con el concentrado evaporado al final del proceso. 2.- Soluciones de azcar El azcar (sacarosa) se obtiene principalmente de la caa de azcar y de la remolacha. El azcar tiende a formar caramelo cuando se mantiene a temperaturas altas durante largos periodos (B2). La tendencia general consiste en usar evaporadores de circulacin natural de tubos cortos. En el proceso de evaporacin de soluciones de azcar, la solucin transparente a concentracin de 10 - 13% Brix (10 - 13% en peso) se evapora hasta 40 - 60 Brix, La alimentacin se precalienta con el vapor de agua sobrante del evaporador y en el sistema ms tpico, se introduce a uno de seis efectos con alimentacin hacia adelante. El primer efecto opera a una presin en el espacio del vapor del evaporador de unos 207 kPa (30 psia) [(121.1 C (250 F) de temperatura de saturacin] y el ltimo efecto opera al vaco a unos 24 kPa (63.9 C de temperatura de saturacin.) En el ejemplo 8.5-l se ilustra la baja elevacin del punto de ebullicin de las soluciones de azcar y sus capacidades calorficas. 3.- Licores de desperdicio de la pulpa del papel En la fabricacin de pulpa de papel con el proceso de sulfato, los trozos de madera se digieren o cocinan y despus de lavar la pulpa, queda un licor negro. Esta solucin que, contiene principalmente carbonato de sodio y compuestos orgnicos de azufre, se concentra en un sistema de seis efectos. V.- FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES TUBULARES Las principales caractersticas de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor de agua son: la Capacidad, Consumo y la Economa. - La capacidad (V) se define como el flujo de agua evaporada por hora. - El consumo (S) es el flujo de vapor vivo que se alimenta a la unidad, y, - La economa (V/S) es la relacin entre capacidad/consumo. En un evaporador de simple efecto la economa es siempre algo menor que la unidad, pero en los evaporadores de mltiple efecto puede ser considerablemente mayor. 1.- Capacidad de un evaporador La velocidad de transmisin de calor q a travs de la superficie de calefaccin de un evaporador, es igual al producto de tres factores: el rea A de la superficie de transmisin de calor, el coeficiente global de transmisin de calor U, y la cada global de temperatura .T, es decir: Si la alimentacin que entra en el evaporador est a la temperatura de ebullicin correspondiente a la presin existente en el espacio de vapor, todo el calor transmitido a travs de la superficie de calefaccin es utilizado en la evaporacin, y la capacidad es proporcional a q. Si la alimentacin est fra, el calor que se requiere para calentarla hasta su temperatura de ebullicin puede ser bastante grande y, consecuentemente, se reduce la capacidad para un valor dado de q, toda vez que el calor utilizado para calentar la alimentacin no est disponible para la evaporacin. Por el contrario, si la alimentacin est a una temperatura superior a la de ebullicin en el espacio de vapor, una parte de la alimentacin se evapora espontneamente mediante equilibrio adiabtico con la presin del espacio de vapor y la capacidad es superior a la correspondiente a q. Este proceso recibe el nombre de evaporacin de flash La cada real de temperatura a travs de la superficie de calefaccin depende de la disolucin que se evapora, de la diferencia de presin entre la cmara de vapor y el espacio de vapor situado encima del lquido en ebullicin, as como de la altura de lquido sobre la superficie de calefaccin. En algunos evaporadores la velocidad del lquido en los tubos tambin influye sobre la cada de temperatura debido a que la prdida por friccin en los tubos aumenta la presin efectiva del lquido. Cuando la disolucin tiene las caractersticas del agua pura, su 8 temperatura de ebullicin puede obtenerse a partir de las tablas del vapor de agua conocida la presin. Sin embargo, en los evaporadores reales la temperatura de ebullicin de una disolucin est afectada por dos factores: el ascenso del punto de ebullicin y la carga del lquido. 2.- Elevacin del punto de ebullicin y regla de Duhring. La presin de vapor de la mayor parte de las disoluciones acuosas es menor que la del agua a la misma temperatura. Por tanto, para una presin dada, la temperatura de ebullicin de las disoluciones es mayor que la del agua pura. El aumento del punto de ebullicin sobre el del agua se conoce con el nombre de incremento del punto de ebullicin de la disolucin. Es pequeo para disoluciones diluidas y para disoluciones de coloides orgnicos puede alcanzar un valor de hasta 150 F para disoluciones concentradas de sales inorgnicas. La elevacin del punto de ebullicin tiene que restarse de la cada de temperatura que se predice a partir de las tablas del vapor de agua. Para disoluciones concentradas la elevacin del punto de ebullicin se obtiene mejor a partir de una regla emprica conocida como regla de Duhring, segn la cual la temperatura de ebullicin de una determinada disolucin es una funcin lineal de la temperatura de ebullicin del agua pura a la misma presin. Por tanto, si se representa la temperatura de ebullicin de la disolucin frente a la del agua a la misma presin se obtiene una lnea recta. Para diferentes concentraciones resultan diferentes rectas. Para todo el intervalo de presiones la regla no es exacta, pero para un intervalo moderado las lneas son aproximadamente rectas aunque no necesariamente paralelas.