CONCEPTO: EVAPORACIONLa evaporación es la operación unitaria por el cuál se elimina una parte del agua
contenida en un alimento fluido, en forma de vapor mediante la aplicación de calor obteniéndose un producto concentrado
Q T hasta punto de ebulliciòn
Evaporación del agua
SENSIBLE
LATENTE
Vapor a alta P, alta T
CALOR LATENTE
FUENTE DE CALOR
ALIMENTO
Ejemplos de aplicación
• Industria azucarera• Industria láctea• Industria zumos
OBJETIVOS DE LA EVAPORACION
• Aumento del contenido de sólidos (concentración) y mejora de la conservación. Ejm mermelada, leche evaporada
• Operación previa a otras operaciones (Ejm deshidratación, congelación)
• Facilidad de transporte y almacenaje • Cambio del aroma y el color (jarabes
caramelizados)
VENTAJAS
• Mejora la conservación del producto (Aw)
• Ahorro energético en operaciones subsecuentes
• Reducción de gastos de almacenamiento, transporte, material de empaque
• Facilidad del uso del producto
DESVENTAJAS
• Por sí sola no necesariamente conserva al producto. Algunos requieren métodos adicionales de conservación (refrigeración, congelación, tratamiento térmico, envasado al vacío, entre otros
• Pérdida de aromas (compuestos aromáticos más volátiles que el agua) recuperador de aromas
Ejemplo de la operación dentro de un flujo
ESQUEMA DE UN EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO
•
F
V
CS
L
Intercambiador de calor
Zona de ebulliciòn
Intercambiadores de calorTubos cortos, largos, de película, de placa, tubos concentricos
Componentes bàsicos: intercambiador, separador y condensador
Separadores de arrastre
TB Psistema
Xv Tb
XF TF
λS, TS
XL Tb
Tc=Ts
BALANCE DE MASA Y ENERGIA
• Balance global de masaF+S=L+V+C
• Balance de sólidosXFF=XLL+XVV XV=0
• Balance de energía
calor que se requiere proporcionar al producto (Calor sensible y calor latente)
Q = F Cp (Tb –Tf) + Vλvcalor suministrado por la fuente de calor
Q = S λsvelocidad de transferencia de calor en el
evaporador es:Q = U A ΔT =U A (Ts–Tb)
Q = velocidad de transferencia de calor (J/h)λs = calor latente de condensación del vapor a Ts(J/kg)λv = calor latente de vaporización del agua a Tb (J/Kg)
Cp = calor específico del producto alimentado (J/kg °C)U = coeficiente global del transferencia de calor
(W/m2°C)A = área de transferencia de calor ( m2 )Tf = Temperatura del producto alimentado (°C )Tb = Temperatura de ebullición del producto (depende
de Psist.) (°C )Ts = Temperatura vapor de calentamiento (depende de
Ps) (°C )
Factores que influyen en la eficiencia de la evaporación
Q = U A ΔT =U A (Ts–Tb)
Q altos con A menor sistema eficiente.
Objetivo:
Q grande, con A menor los valores de U y ΔTdeben ser grandes
• Como afectar U• Película Superficial• Depósito de residuos o “costras” en la
superficie de intercambio de calor• Material, espesor
• Como afectar ΔT• Temperatura del vapor de calentamiento • Temperatura de ebullición del producto
Temperatura de ebullición
Temperatura a la cuál la presión de vapor del líquido se iguala a la presión que existe alrededor del mismo (Psistema)
Psistema =Presión atmosférica Temp. ebullición∼100°C
Psistema alta ( >Presión atmosférica) Temp. ebullición alta (>100°C)
Psistema baja ( < Presión atmosférica vacio) Temp. ebullición <100°C
Mayor vacío menor Temp. ebullición
Elevación de la temperatura de ebullición
• A medida que el líquido se concentra, su temperatura de ebullición aumenta, por lo que el ΔT=(Ts-Tb) disminuye,reduciendo a su vez la velocidad de transferencia de calor (Q)
U coeficiente global de transferencia de calor
• Q = U A ΔT =U A (Ts–Tb)
U= 1/ΣResistencia= 1/(Rvapor+R material+R liquido ebullición)
1/U= R vapor + R material +R liquido ebullición
Material
Vapor condensandose Líquido
evaporándose
costras
1/U= 1/hv+ R costras + x/K+1/hL + Rcostras
Evaporadores de multiple efecto
Serie:• Directa, co-corriente, alimentación hacia
adelante• Contracorriente, alimentaciòn hacia atrás• MixtaParalelo
Métodos de alimentación para evaporadores de múltiple efectoSERIE
PARALELO
Directo
contracorriente
Mixto
• Directa:Se emplea cuando la alimentación esta caliente o cuando el producto concentrado final puede dañarse a T elevadas. Se requiere sistema de bombeo en el primer y ultimo efecto
• En contracorriente: El aumento de viscosidad que experimenta la disolución a medida que se concentra se ve compensado con el aumento del punto de ebullición en la misma al pasar de un efecto a otro. Con una alimentación fría resulta más económica la alimentación inversa. Util para producto concentrado muy viscoso
• Mixta: casos en los que se presenta un fuerte aumento de la viscosidad con la concentración.
• Paralelo: Se emplea para alimentaciones saturadas y el producto son cristales sólidos
PARAMETROS QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE EVAPORADORES
• Características del liquidoConcentraciónViscosidadFormación de espumaFormación de costrasSensibilidad a la temperaturaCalor específicoTemperatura de ebulliciòn (presiòn externa, elevaciòn punto de ebullición, efecto de la carga del líquido y presión)
• Materiales de construcción, equipos auxiliares (condensadores, bombas de vacío o inyectores, separadores de arrastre)
• Capacidad de un evaporador• Economía de un evaporador (mv/ms)• Conservación de la energìa en
evaporadores (Evaporadores de múltiple efecto)
Factores del proceso
• Concentración del líquido• Solubilidad• Sensibilidad térmica• Formación de espumas• Presión y temperatura• Formación de incrustaciones y materiales
de construcción
Economía de Vapor
• EV= Vapor producido/Consumo de vapor
• La economía de vapor es un término usado en evaporación para identificar la eficiencia del
sistema.
Elevación del punto de ebullición
• Las propiedades térmicas de las soluciones que se evaporan suelen ser muy diferentes a las del agua.
• Regla de Dühring (Foust et al., 1960) La temperatura de ebullición de una solución concentrada es una función lineal de la temperatura de ebullición del agua pura a la misma presión (Mc Cabe et al., 1999). Por consiguiente, a una concentración constante se tiene:
Parametros Glucosa+Agua Sol. Café Zumo melónBrix 49,4 49,6 50,3mo 1,589 1,7967 2,4853m1 1,017 1,0139 1,017
TA = m0 + m1TA0
Donde:
TA Temperatura de ebullición de la soluciónTA0 Temperaturas de ebullición del agua pura
Tipos de evaporadores
para líquidos no viscosos, con alto U, líquidos que no formen incrustaciones, operan a régimen continuo. Baratos y requieren poca altura disponible
Evaporadores de tubos horizontales con circulación natural
Evaporador vertical con circulaciòn natural Liquido dentro de los tubos
vapor condensa por el exterior. El movimiento del liquido se da de manera natural debido a la ebulliciòn y a la disminución de la densidad . Ejm industria azucarera, sal
Evaporadores de tubos largos.
• Miden entre 3 y 10 m, velocidades altas del liquido. Tiempos breves de contacto. Ejm: leche condensada
Evaporadores de caida de película o película descendente
• . Fluye desde la parte superior en forma de pelicula delgada, separación de vapor y liquido en el fondo. Materiales sensibles al calor zumos de frutas, baja velocidad y baja tendencia de ensuciamiento, tiempos de retención bajos y coeficientes de transferencia de calor altos.
Aplicaciones de evaporadores de película descendente
• Productos Alimenticios• Jugos de fruta
– jugo concentrado de manzana y pera
– jugo concentrado de naranja, limón, pomelo y mandarina
– mosto concentrado• Pulpas de fruta • Pulpa de tomate• Extractos de café, malta
y té• Leche entera y
descremada • Suero de quesería y
mantequería
Derivados de Maízjarabe de glucosa comercial y maltosa Jarabe de fructosa 42 y fructosa 55 jarabe de dextrosa
Azúcar y Alcoholmelaza de caña y remolacha concentración de vinaza alcohólica
Agua de macerado de maíz y sorgo Caldo concentrado de carneAgua de cola de pescadoLevaduras
Evaporadores de circulación forzada
• aumento de U por bombeo provocando circulaciòn forzada en el interior de rubos. Utilpara liquidos muy viscosos, productos con muchas fibras o pastas, que se adhieren a la pared de los intercambiadores
• Aplicaciones • Zumos de mango
melocotón, fresa, tomate
Coeficientes Globales de transferencia de calor típicos de de evaporadores
Condensadores para Evaporadores
• El vapor del último efecto sale a presión de vacío y debe ser condensado
• Dos tipos:condensadores de superficie (más costosos
usan mayor cantidad de agua de enfriamiento)
condensadores de contacto directo (altura de 10,4 m, barato y ahorrador en consumo de agua)
http://www.equirepsa.com/pdf/eyectores/TV10.pdf
RECOMPRESION DE VAPOR• La energía del vapor formado en la ebullición de una
solución puede utilizarse para vaporizar más agua.• Termocompresión• Compresión Mecánica
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