EVAPORADORES

F R A N C I S C O JAV I E R E S P I N O Z A F.
J E S S I C A N AT H A L I A R U I Z M O R A
 EVAPORADORES
 La evaporación es la operación de concentrar una solución mediante la
eliminación de disolvente por ebullición. En la mayor parte de las
evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando
una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. Por lo
general se detiene antes que el soluto comience a precipitarse de la solución.

 Componentes básicos de un evaporador:

 Un intercambiador de calor para aportar calor de evaporación del la
solución líquida.
 Un separador, en el que el vapor se separa de la fase líquida concentrada.
 Un condensador, para condensar el vapor y eliminar el condesado del
sistema.
 VARIABLES DEL PROCESO

Flujo de Vapor
de salida

Flujo de Vapor
de entrada

Temperatura

Nivel

Flujo de Solución de
entrada X1
Flujo de Solución de
salida X2

Condensados
 Operación de los evaporadores:
 Simple efecto: Cuando se utiliza un solo evaporador procedente del liquido
en ebullición, se condensa y desecha. Este método recibe el nombre de
evaporación de simple efecto, y aunque es sencillo, utiliza ineficazmente el
vapor. Para evaporar un 1kg de agua de la disolución se requiere de 1 a 1.3
Kg. de vapor de agua.

 Múltiple efecto: Si el vapor procedente de uno de los evaporadores se

introduce como alimentación del segundo evaporador, y el vapor
procedente de este 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 de alimentación, al primer
efecto es aproximadamente el doble. 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 Evaporadores Efecto Múltiple.
Operaciones de los sistemas de evaporación de múltiple efecto

 Alimentación hacia adelante:. El liquido de alimentación va hacia delante en

la misma dirección que los evaporadores, es decir, del primer efecto al
segundo, de este al tercero, etc. El efecto final opera a baja presión. En este
sistema de alimentación, la viscosidad del liquido que se procesa aumenta
durante su paso a través de la planta, al igual que su concentración, pero al
mismo tiempo se obtiene, una reducción progresiva de la temperatura de un
efecto al otro, al igual que el coeficiente de transferencia de calor.
 Alimentación hacia atrás: En este sistema de alimentación es preciso
intercalar bombas entre los diferentes efectos. El liquido de alimentación
mas frió y diluido se calienta con el vapor mas agotado, fluyendo liquido y
vapor a contracorriente. Con este sistema, se consigue cierta economía de
vapor. El aumento de la viscosidad por concentración se compensa por las
mayores temperaturas que va adquiriendo el líquido, ya que el líquido
creciente viscoso encuentra superficies cada vez mas calientes al pasar de un
efecto al siguiente.
 Alimentación en paralelo: Se usa
normalmente en los evaporadores de
cristalización. Este modo de operación
permite mejor control de la operación de
cristalización y evita la necesidad de
bombear mezclas densas entre diferentes
efectos, con los consiguientes problemas
de flujo.

 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.
 TIPO DE EVAPORADORES SEGÚN LAS PROPIEDADES DE LAS DILUCIONES

 Circulación natural
 Abierto: Frecuentemente están provistos de una camisa de
calentamiento externa o de un serpentín interno, a través del cual pasa
el medio transferidor de calor. En estas equipos, las velocidades de
evaporación son bajas y la economía de energía térmica es pobre. Los
evaporadores de camisa pequeños son muy útiles, pero en los de
mayor capacidad, la relación, superficie transferente de calor a
volumen de líquido, se reduce considerablemente y el calentamiento
se hace menos efectivo, ya que dificultan la circulación del líquido y
reducen la velocidad de transferencia de calor.
 Tubos cortos horizontales: En este tipo de evaporador, el banco de
tubos horizontales dificulta la circulación y en consecuencia los
coeficientes globales de transmisión de calor, son bajos. Este tipo de
unidad se destinaba originalmente a la evaporación de líquidos de
escasa viscosidad, que no formaban espumas ni costras.
  Tubos cortos verticales: Este tipo de evaporador alcanza buenas
velocidades de evaporación con líquidos de viscosidad moderada, no
corrosivos y poco tendentes a la formación de costras.

Azúcar de caña
Azúcar de remolacha
Glucosa
Extracto de malta
Sal
Zumo de frutas
 Circulación natural con calandria exterior: La calandria,
frecuentemente se distribuye por un cambiador de calor de ‘placas,
que resulta particularmente útil cuando es previsible la deposición de
costras o la degradación del producto. A pesar de que se mantiene en
recirculación grandes volúmenes de líquido los evaporadores de este
tipo que operan a presiones reducidas.

Leche
Extractos carnicol
Jugos de frutas
 Circulación forzada: Los
evaporadores con calandrias
externas, con frecuencia
operan como unidades de
circulación forzada. Tales
unidades son capaces de
concentrar líquidos viscosos,
con lo que se consigue
mantener velocidades de
circulación adecuadas
mediante centrifugas y cuando
son más viscosos se usan
bombas centrifugas y cuando
son más viscosos se usan
bombas de desplazamiento
positivo.
 Tubos largos: Estos evaporadores
constan de una cámara vertical,
provistas de cambiadores de calor
tubulares. Como medio de
calentamiento suele utilizarse vapor
que se condensa en el interior de la
cámara. Aquí se puede encontrar.

 Película ascendente: En tipo de

evaporadores el tiempo de
residencia en la zona de
calentamiento, es corto y los
valores del coeficiente de
transferencia de calor, son
elevados, razón por la cual los
evaporadores de película
ascendente son útiles para
concentrar productos sensibles al
calor.
 Película descendente: Los
tiempos de residencia son
cortos, y por tanto es excelente
para la concentración de
productos sensibles al calor. Se
usa con frecuencia para
concentrar jugos cítricos, con los
que se obtienen altas
velocidades de evaporación a
temperaturas tan bajas, como
10 -16 ºC operando a vacío.
 Película ascendente – descendente: Con estas combinaciones se
consiguen altas velocidades de evaporación.
 Placas: Este evaporador es útil para concentrar productos sensibles al
calor, ya que las altas velocidades del líquido que se consiguen,
permiten una buena transferencia térmica y cortos tiempos de
residencia. Esto unido a la rapidez y facilidad con que se desmonta la
unidad y a la poca superficie de suelo que ocupa, ha hecho que este
evaporador sea muy popular.

 Flujo expandido: El líquido adquiere altas velocidades, que forman

delgadas películas turbulentas del líquido en evaporación, que permite
elevadas velocidades de transferencia de calor y cortos tiempos de
residencia.
 Película delgada mecánica: Estos tipos de evaporadores se están
empleando cada vez más en la concentración de productos sensibles al
calor, como pastas de tomate, café, leche, suero, malta y productos
azucarados. La principal ventaja de los evaporadores de película
delgada mecánica es su capacidad para manipular líquidos altamente
viscosos (50 -100 kg/ms), con altas velocidades de transferencia de
calor. Los principales inconvenientes son el elevado costo y la limitada
capacidad de la mayor parte de los equipos existentes.

 A baja temperatura: Algunos productos muy sensibles al calor, como

jugos de frutas cítricas, pueden resistir temperaturas mucho más
elevadas, de las que se consideran posibles, siempre y cuando los
tiempos sean suficientemente cortos.
Puesto que es más económico trabajar con temperaturas de ebullición,
se ha declinado el uso de estos evaporadores para alimentos sensibles
al calor.
Parámetros que se deben tener en cuenta para elegir un evaporador
Características del líquido que se concentra: Debido a la gran variedad de
propiedades de las disoluciones, se deben tener en cuenta algunos
parámetros.

 Concentración: La densidad y la viscosidad aumenta con el contenido de

sólido, hasta que la disolución o bien se transforma en saturada o resulta
inadecuada para una transmisión de calor adecuada. La ebullición continuada
de una disolución saturada, da lugar a la formación de cristales, que se debe
tener en cuenta porque puede obstruir los tubos. La temperatura de
ebullición de la disolución puede aumentar considerablemente, al aumentar
el contenido de sólido, de forma que la temperatura de ebullición de una
disolución concentrada, puede ser mucho mayor , que la del agua a la misma
presión.

 Viscosidad: Los líquidos muy viscosos tienden a reducir las velocidades de

circulación y también los coeficientes de transferencia de calor.
 Formación de espuma: Algunas sustancias orgánicas forman espuma
durante la vaporización. Una espuma estable acompaña al vapor que sale
del evaporador, dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos
toda la masa de líquido puede salir con el vapor y perderse.

 Formación de costras: Algunas disoluciones depositan costras sobre las

superficies de calefacción. En estos casos, el coeficiente global disminuye
progresivamente, hasta que llega un momento en que es preciso
interrumpir la operación y limpiar los tubos. Cuando las costras son duras e
insolubles, la limpieza resulta difícil y costosa.

 Sensibilidad a la temperatura: Muchos productos alimenticios se dañan

cuando se calienta a temperaturas moderadas durante tiempos
relativamente cortos. En la concentración de estos productos, se necesita
técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido, como el
tiempo de calentamiento.
 Calor específico: Es necesario conocer este parámetro, porque nos
permitirá calcular la cantidad de energía requerida, para incrementar la
temperatura del alimento a evaporar.

 Temperatura de ebullición: Hay muchos factores que influyen en el punto

de ebullición como lo son:
 Presión externa: Permite calcular la cantidad de energía requerida
para incrementar la temperatura del alimento a evaporar.
 Elevación del punto de ebullición: La presión de vapor de la mayor
parte de las disoluciones acuosas, es menor que la del agua, a la
misma temperatura. Por tanto, para una presión dada, la temperatura
de ebullición de las disoluciones es mayor que la del agua pura.

 Liberación de gas durante de ebullición.

 Peligros de explosión.
 Objetivos de Control

qve2 qve3
qve

qse qse2 qse3

H1 H2 H3

X1 X2 Xss
Lazos de Control Tipicos
Diagrama de Bloques

• Control de Nivel
• Control de Concentracion
 Lazos de Control Avanzado

• Control Feedforward
Diagrama de Bloques
• Control de Relacion
Diagrama de Bloques
• Control en Cascada
Diagrama de Bloques
 Otras Estrategias de Control

• Control de Ascenso del punto de Ebullicion

Diagrama de Bloques
• Control de la composición de entrada con un compensador dinámico
Diagrama de Bloques
 Evaporacion en el Proceso de la Pulpa de Papel

Caldera
Materia Prima

Soda Caldera de Turbina

Digestor
CausticaVapor Recuperacion

Lavado Energia
Evaporación
Electrica

Oxigenacion Carga Quimica

Post – Oxigenacion Maquina de

Blanqueamiento Secado
Papel
 Evaporación en el proceso de azúcar

Caña de azúcar Preparación de Molienda Bagazo

Caña de azúcar

Calentamiento de Sulfitación y Jugo diluido

jugo alcalización de jugo

Evaporación jugo Meladura Calentamiento de

clarificado Meladura

Miel final Cristalización y Sulfitación y

centrifugación talofiltrado Meladura

Azúcar
 Modelo Matemático
Para desarrollar el siguiente modelo se tienen en cuenta las siguientes
consideraciones:

 No hay iteración entre los tubos en cuanto a transferencia de solución en

los tubos se refiere
 Un tubo representa todos los demás tubos de la calandria
 El coeficiente de transferencia de calor es considerado constante. La
transferencia de calor en la superficie de los tubos se representa así:
q
 U (TV  TB )
A
Donde: q: flujo de vapor transferido a los tubos
A: Área externa de los tubos
U: Coeficiente de transferencia de calor
TV: temperatura del vapor fuera de los tubos
TB: Temperatura de la solución
 Se asume que existe una mezcla perfecta en el sistema dentro de los tubos
 No hay acumulación de condensados
 La temperatura del fluido es uniforme en todos sus puntos
 Los cambios en energía cinética, viscosidad de disipación y la conducción
longitudinal de calor, son despreciables.
 El comportamiento de la capacidad calorífica es considerada constante.
 Balance de Energía

Variacion de Energia  Flujo de Energia   Flujo de Energia 

     
acumulada en la   a la entranda de    a la salida de la 
camara de vapor  la camara de vapor camara de vapor 
     

Basados en las condiciones mencionadas, el balance de energía en la

cámara de vapor es:

d
MvCpv Tv  qve(t )CpveTve(t )  qc(t )CpcTc(t )  UA(Tv  Tb)
dt
Mv: Masa de Vapor (Ton)
Cpv: Capacidad calorifica del Vapor (cal/gr-C, Btu/pound - F)
Tv: Temperatura del Vapor (C, F)
qve: Flujo de vapor de entrada (Ton/H)
Cpve: Capacidad calorifica del vapor de entrada (cal/gr-C, Btu/pound - F)
Tve: Temperatura del vapor de entrada (C, F)
qc: Flujo de concentrados (Ton/H)
Cpc: Capacidad calorifica de los condensados (cal/gr-C, Btu/pound - F)
Tc: Temperatura de los condensados (C, F)
U: Coeficiente de transferancia de calor (J/s-m-C)
A: Área de transferencia de calor (m)
Tb: Temperatura dentro de los tubos de la calandria (C)

El coeficiente de transferencia de calor es principalmente una función de los

cambios de temperatura, los cuales son mínimos en la calandria, por esto este
coeficiente es considerado constante.
 El balance de energía de la solución (dentro de los tubos) es:
 Energia Acumulada 
 vapor de
   Solucion de Entrada vapor producido    solucion de salida 
 dentro de los tubos  
 entrada 

Así:
d
MsCps Tb  qse(t )CpseTse(t )  qvp(t )CpvpTvp(t )  UA(Tv  Tb)  qss (t )CpssTss (t )
dt
Ms: Masa de la solución (Ton)
Cps: Capacidad calorifica de la solución (cal/gr-C, Btu/pound - F)
Tb: Temperatura dentro de los tubos (C)
qse: Flujo de la solución de entrada (Ton/H)
Cpse: Capacidad calorifica de la solución a la entrada (cal/gr-C, Btu/pound - F)
Tse: Temperatura de la solución de entrada (C)
qvp: Flujo del vapor producido (Ton/H)
Cpvp: Capacidad calorifica del vapor producido (cal/gr-C, Btu/pound - F)
Tvp: Temperatura del vapor producido (C)
qss: Flujo de la solución de salida (Ton/H)
Cpss: Capacidad calorifica de la solución de salida (cal/gr-C, Btu/pound - F)
Tss: Temperature de la solución de salida (C)
 Balance de Masa
Puede ser expresado así:
 Flujo de masa 
Variacion de masa   Flujo de masa de   
    a la salida de 
acumulada en la unidad  entrada a la unidad  la unidad 
 
Entonces:
d
Ms  qse(t )  qss (t )
dt
En términos de la solución:

d
sA h(t )  qse(t )  qss (t )
dt
Donde:
s : Densidad de la solución(kg/m)
A: Area transversal de los tubos (m)
h: Nivel de la solución en la unidad (m)
El balance de masa, con fracciones molares:

d
MsXs (t )  Xse(t )qse(t )  Xss(t )qss (t )  Xvs(t )qvs(t )
dt

donde:
Xs: Composición de la solución (%, Brix)
Xse: Composición de la solución de entrada (%, Brix)
Xss: Composición de la solución de salida (%, Brix)
Xvs: Composición del vapor de salida (%, Brix)
qvs: Flux of the outlet steam (TN / H)

 Modelo Estático
 Balance de Masa

Masa de entrada  Masa de salida

En fracciones molares

Xse  qse  Xss  qss  Xvp  qvp

Donde:
Xse: Concentración de la solución de entrada (Brix)
Xss: Concentración de la solución de salida (Brix)
Xvp: Concentración del vapor producido (Brix)

 Balance de Energía

Calor de entrada  Calor de salida

qse  hse  qve  hve  qvp  hvp  qsshss  qcp  hcp

Donde:

hse: Entalpía de la solución de entrada (J/kgmol)

hve: Entalpía del vapor de entrada (J/kgmol)
hvp: Entalpía del vapor de salida (J/kgmol)
hss: Entalpía de la solución de salida (J/kgmol)
hcp: Entalpía del condensate producido (J/kgmol)
qcp: Flujo de los condensados producidos (Ton /H)
 CONCLUSIONES
 El uso de evaporadores en la industria es muy extensa, otras industrias que
lo utilizan en sus procesos son:
Industria Lechera: Leche entera y descremada, Leche condensada, Proteínas
de la leche, Mezclas de productos lácteos, Mantecas, Suero de queso, Suero
de queso previamente cristalizado, Proteínas de suero, Soluciones de lactosa,
Dulce de leche de producción continua y discontinua.
Industria de Jugos de Fruta: Leche de soja, Jugo de manzana, de naranja y
otros citrus, Jugos mezclas, de tomates, de zanahoria
Hidrolizados: Proteína Hidrolizada, Proteína láctea hidrolizada, Suero
hidrolizado, Molienda húmeda del maíz, Jarabe de glucosa, Jarabe de
Dextrosa 42 y 55, Agua de Macerado.
Industria Frigorífica: Extracto de carne y huesos, Plasma sanguíneo.
Extractos: Extractos de café o té, de carne o hueso, de malta, de levaduras.
Industria Avícola: Concentración de huevo entero, Concentración de clara de
huevo.
Otras: Vinazas alcohólicas.
 CONCLUSIONES

 En el diseño de evaporadores, los principales parámetros para su construcción

son la economía de vapor, el área de transferencia de calor y las
características químicas y físicas del fluido a concentrar.

 Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta,

una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que
tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y
calidad del producto.

 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 de múltiple efecto.
 CONCLUSIONES

 El aumento de economía en el vapor, mediante la evaporación de múltiple

efecto se consigue a costa de una capacidad reducida. Es claro que
aumentando varias veces la superficie de calefacción aumentará la capacidad
de evaporación.

 Para reducir el alto consumo de energía, la evaporación se realiza con un

procedimiento en múltiple efecto, en el cual algunos evaporadores son
operados en serie. El vapor del primer evaporador es usado como “vapor” en
el segundo evaporador y así sucesivamente. Para esto en cada evaporador la
presión y la temperatura, necesitan ser menor que en el anterior.