UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE COAHUILAESCUELA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

TORREÓN, COAHUILA

Trabajo:"Tipos de Evaporadores"

Materia: Operaciones Unitarias 2

Docente: Ing. Pascual Ávila Pérez

Alumno: Francisco Javier Olvera Alvarado

Semestre y Sección: 6to B

Fecha de entrega: 23/03/2015

TIPOS DE EVAPORADORES

La evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. 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. La evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido -a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales. Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha.

Evaporador de tubos horizontales cortos

Características: Estos evaporadores están formados por una cámara, cuya parte inferior está

atravesada por un banco de tubos horizontales e interiores a través de los cuales circula vapor como fluido de calefacción.

Por encima de los tubos está un espacio que permite la separación por gravedad de las gotas arrastradas por el vapor liberado en la base por un banco de tubos horizontales interiores, por los que circula vapor.

Bafles de impacto se acomodan para facilitar la separación de las gotas.

Ya que el banco de tubos dificulta la separación del líquido, estos evaporadores presentan pobres coeficientes de transferencia de calor global.

Ventajas: Muy baja altura. Gran área desacoplada líquido vapor tipo tubo sumergido. Relativamente bajo costo. Fácil desincrustación semiautomática.

Desventajas: Inadecuado para líquidos con incrustaciones. Baja capacidad.

Aplicaciones: Usualmente se emplean para concentrar líquidos de baja viscosidad.

Evaporador de circulación natural tubos cortos verticales

Características: En los evaporadores de circulación natural se distribuyen tubos cortos en vertical,

normalmente de uno o dos metros de longitud, dentro de un cuerpo de vapor (calandria).

La calandria se localiza en el fondo del recipiente.

Cuando se calienta el producto éste asciende a través de los tubos por circulación natural mientras que el vapor condensa por el exterior de los tubos.

El alimento liquido puede precalentarse antes de ser introducido al evaporador mediante un cambiador de calor tubular normal, situado fuera del evaporador principal.

El producto se va concentrando mientras se produce la evaporación dentro de los tubos.

El líquido concentrado retorna al fondo del recipiente a través de una sección anular central.

El vapor se condensa en el exterior de los tubos verticalmente arreglados dentro de la cámara de evaporación.

La calandria tiene un gran tubo central de retorno a través del cual un líquido más frío que el líquido que circula en los tubos de calentamiento ascendente, formando así corrientes de circulación natural.

La longitud de los tubos usualmente varían entre 0.5 y 2 m, con un diámetro de 2.5 a 7.5 cm, mientras que el tubo central presenta una sección transversal entre 25 y 40 % de la sección total ocupada por los tubos.

Estos evaporadores muestran adecuadas velocidades de evaporación para líquidos no corrosivos con viscosidad moderada.

Los evaporadores de tubos cortos verticales usualmente se emplean para la concentración de jugos de azúcar de caña y remolacha, así como también en la concentración de jugos de frutas, extractos de malta, glucosa y sal.

Ventajas: Altos coeficientes de transferencia de calor a altas diferencias de temperatura. Baja altura. Desincrustación mecánica fácil. Relativamente baratos.

Desventajas: Pobre transferencia de calor a bajas diferencias de temperatura y bajas temperaturas. Alto peso y espacio de suelo. Relativamente alta retención. Pobre transferencia de calor con líquidos viscosos.

Aplicaciones: Líquidos claros. Líquidos relativamente no corrosivos, ya que el cuerpo es grande y caro si se

construye de materiales diferentes al acero dulce o hierro fundido. Las soluciones que descaman levemente requieren de limpieza mecánica ya que los

tubos son cortos y grandes en diámetro.

Evaporadores de circulación forzada

Características: En estos evaporadores la circulación se realiza mediante una bomba que impele la

solución a través de la calandria dentro de la cámara de separación donde el vapor y el concentrado se separan.

Los evaporadores de circulación forzada pueden no ser tan económicos, pero son necesarios cuando los productos involucrados en la evaporación tienen propiedades incrustantes, altas viscosidades, precipitaciones, cristalizaciones o ciertas características térmicas que imposibilitan una circulación natural.

Los costes de fabricación y de operación de este tipo de evaporadores son muy bajos en comparación con otros tipos de evaporadores.

El evaporador de circulación forzada consta de un cambiador de calor con calefacción indirecta en el que el liquido circula a elevadas velocidades. La diferencia de temperaturas a lo largo de la superficie de calentamiento en el cambiador de calor es generalmente 3-5 ºC .

Dentro del separador, se mantiene un presión absoluta ligeramente inferior a la existente en el haz de tubos, de tal manera que el liquido que entra al separador se evapora instantáneamente.

La carga hidrostática existente en la parte superior de los tubos elimina cualquier posibilidad de ebullición del liquido.

Para mantener elevadas velocidades de circulación se utilizan bombas de flujo axial , alcanzándose velocidades lineales de 2-6 m/s, altas si se comparan con las velocidades de 0,3-1 m/s existentes en los evaporadores de circulación natural. La bomba hace circular al fluido a velocidades entre 2 y 6 m/s; cuando pasa a través del banco de tubos el fluido gana suficiente calor como para recalentarse, pero el líquido está sujeto a una carga estática que evita la ebullición dentro de los tubos. Sin embargo, cuando el fluido alcanza la cámara, hay una evaporación súbita y la placa de impacto facilita la separación de la fase líquida del vapor.

Estos evaporadores son capaces de concentrar líquidos viscosos donde la bomba impele al líquido a una velocidad adecuada.

Si los líquidos presentan baja viscosidad se usan bombas centrífugas.

Si el líquido tiene más alta viscosidad, se deberían usar bombas de desplazamiento positivo.

Ventajas: Altos coeficientes de transferencia de calor. Circulación positiva. Relativa libertad con las incrustaciones y ensuciamiento.

Desventajas: Alto costo. Se requiere potencia para la circulación de la bomba. Relativamente alto tiempo de residencia.

Aplicaciones: Productos que cristalizan. Soluciones corrosivas. Soluciones viscosas.

Principales dificultades: Taponamiento de la entrada de los tubos por depósitos salinos desprendidos de las

paredes del equipo. Pobre circulación debido a las pérdidas de calor mayores a las esperadas. Acumulación de sales por ebullición en los tubos. Corrosión erosión.

Evaporadores de tubos largos verticales

Características:

Estos intercambiadores consisten en una cámara vertical hecha de un intercambiador tubular y una cámara de separación.

El líquido diluido se precalienta antes de entrar a los tubos, hasta casi la temperatura de ebullición.

Una vez dentro de los tubos, el líquido comienza a hervir y la expansión debido a la vaporización produce la formación de burbujas de vapor que circulan a alta velocidad y arrastran el líquido, que continua concentrándose mientras se mueve hacia adelante.

La mezcla líquido-vapor entra a la cámara de separación donde los bafles facilitan la separación del vapor.

El líquido concentrado obtenido puede ser extraído directamente o puede mezclarse con líquido no concentrado y ser recirculado, o puede ir a otro evaporador para aumentar la concentración.

Ventajas: Bajo costo. Grandes superficies de calentamiento en un sólo cuerpo. Bajo tiempo de retención. Pequeño espacio de piso. Buenos coeficientes de transferencia de calor a diferencias de temperatura razonable

(película ascendente). Buenos coeficientes de transferencia de calor para todas las diferencias de

temperatura (película descendente).

Desventajas: Mucha altura. Generalmente inadecuados para líquidos que ensucian. Pobres coeficientes de transferencia de calor para los de película ascendente a bajas

diferencias de temperatura. Los de película descendente usualmente requieren de recirculación.

Aplicaciones: Líquidos claros. Líquidos espumantes. Soluciones corrosivas. Altas diferencias de temperatura: película ascendente. Bajas diferencias de temperatura: película descendente. Operación a baja temperatura: película descendente.

Dificultades: Sensibilidad de las unidades de película ascendente a los cambios en las condiciones

de operación. Pobre distribución de la alimentación para las unidades de película descendente.

Evaporadores de película

Características: Generalmente, tienen coeficientes de transferencia de calor altos.

El producto no se ve afectado por el calor, por lo tanto, estos evaporadores son útiles para evaporar líquidos sensibles al calor.

---Evaporadores de película ascendente---

Características: En los evaporadores de película, el tiempo de residencia del líquido tratado en la zona

de calentamiento es corta ya que circula a gran velocidad.

En los evaporadores de película ascendente el líquido entra por el fondo de los tubos.

Las burbujas de vapor que ascienden a través del centro del tubo comienzan a formarse, creando una delgada película sobre la pared del tubo que asciende a gran velocidad.

El principio teórico que tienen estos evaporadores se asimila al 'efecto sifón', ya que cuando la alimentación se pone en contacto con los tubos calientes, comienza a producirse la evaporación, en donde el vapor se va generando paulatinamente hasta que el mismo, empieza a ejercer presión hacia los tubos, determinando de esta manera, una película ascendente. Esta presión, también genera una turbulencia en el producto que está siendo concentrado, lo que permite mejor la transferencia térmica, y por ende, la evaporación.

Se utiliza para alimentos líquidos de baja viscosidad, los cuales hierven en el interior de tubos verticales de 10-15 metros de longitud.

La altura de los tubos es limitada, ya que la capacidad del vapor en arrastrar la película formada hacia la parte superior del equipo no es suficiente y determina la altura máxima posible para el diseño.

Los tubos se calientan con el vapor existente en el exterior , de tal manera que el liquido asciende por el interior de los tubos arrastrado por los vapores formados en la parte inferior.

El alimento líquido puede recircularse hasta alcanzar la concentración deseada si esta no se consigue en el primer paso.

Para alcanzar una película bien desarrollada es necesaria una diferencia de temperatura entre el producto y el medio de calefacción de al menos 14ºC.

El movimiento ascendente de los vapores produce una película que se mueve rápidamente hacia arriba.

En este tipo de evaporadores se alcanzan elevados coeficientes de transferencia de calor.

---Evaporadores de película descendente---

Características: Los evaporadores de película descendente permiten instalar un mayor número de

efectos que el evaporador de película ascendente. Por ejemplo: si el vapor disponible se encuentra a 110ºC y la temperatura de ebullición en el último efecto es de 50ºC , la diferencia de temperatura total disponible es de 60ºC. Teniendo en cuenta que los evaporadores de película ascendente necesitan una diferencia de temperatura de 14ºC , solo es posible disponer 4 efectos. Con evaporadores de película descendentes podrían instalarse 10 o incluso más.

El evaporador de película descendente puede procesar líquidos mas viscosos que el de película ascendente, siendo el sistema mas apropiado para el procesado de productos altamente sensibles al calor , como por ejemplo el jugo de naranja.

El tiempo de residencia en un evaporador de película descendente es de 20-30s en

comparación con los 3-4 minutos necesarios en un evaporadores de película ascendente.

Los evaporadores de película descendente desarrollan una fina película de liquido dentro de los tubos verticales que desciende por gravedad.

El diseño de estos evaporadores es complicado ya que la distribución de liquido en una película uniforme fluyendo hacia abajo en un tubo es difícil de lograr. Para lograrlo se utilizan unos distribuidores especialmente diseñados denominados boquillas de pulverización. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad de los tubos trae aparejado posibles sitios en donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos.

En los evaporadores de película descendente, la alimentación se realiza por la parte superior de los tubos, de manera que el vapor formado desciende a través del centro de los tubos como un jet a gran velocidad.

Los evaporadores de película descendente son usados ampliamente para concentrar productos lácteos.

---Evaporadores de película ascendente-descendente---

Características: Cuando se desean altas velocidades de evaporación, se usan los evaporadores de

película ascendente-descendente.

La evaporación de película ascendente se usa para obtener un líquido de concentración intermedia con alta viscosidad. Este líquido se evapora posteriormente en los tubos, cuando circula como película descendente.

Evaporadores de placas

Características:

Los evaporadores de placas utilizan los principios de los evaporadores de película ascendente y descendentes, película agitada y de circulación forzada.

La configuración en placas le proporciona ciertas características que las hacen mas aceptables que la configuración tubular. En este sentido, un evaporadores de placas de película ascendente/descendente es más compacto, necesitando menos superficie que la unidad tubular, a la vez que pueda inspeccionarse mas fácilmente su superficie de transferencia de calor .

No es difícil encontrar un evaporadores de placas de película descendente con una capacidad de 25000-30000 kg de agua/hora .

Los evaporadores de placa consisten en un set de placas distribuidos en unidades en las cuales el vapor condensa en los canales formados entre placas.

El líquido caliente hierve sobre la superficie de las placas, ascendiendo y descendiendo como una película.

La mezcla de líquido y vapor formados va hacia un evaporador centrífugo.

Estos evaporadores se usan para concentrar productos sensibles al calor, ya que se alcanzan altas velocidades de tratamiento permitiendo buena transferencia de calor y cortos tiempos de residencia del producto en el evaporador.

Los evaporadores de placas ocupan poco espacio sobre el piso y son fácilmente manipulables para la limpieza pues se montan y desmontan fácil y rápidamente.

Evaporadores de flujo expandido

Características: Este aparato diseñado para la concentración de productos lácteos zumos de frutas,

etc., el liquido y el vapor fluyen por espacios alternados de forma similar a como ocurre en el evaporador de placas. Las placas, sin embargo, se sustituyen por delgados conos invertidos de acero inoxidable, provistos de juntas de cierre para evitar fugas.

El líquido de alimentación penetra por el eje de giro central situado en la base de la pila de conos y entra a través de boquillas de alimentación en los espacios de los conos calentados, fluyendo hacia arriba y fuera sobre las superficies calentadas por el vapor.

Puesto que se opera a vacío, el líquido alcanza rápidamente el punto de ebullición. Del sistema de conos sale tangencialmente, pasando el vapor separado hacia la parte superior por donde sale de la cámara interna a la externa.

La alta velocidad que adquiere el líquido en los espacios entre los conos determina la formación de delgadas películas turbulentas del líquido en evaporación que permiten elevadas velocidades de transferencia de calor y cortos tiempos de residencia. La unidad se ha diseñado para su limpieza in situ (en el lugar).

Evaporadores de película agitada

Características: Cuando se utilizan alimentos líquidos muy viscosos , la alimentación se dispersa en el

interior de la superficie de calentamiento cilíndrica mediante paletas rotatorias. Se obtienen de esta manera altas velocidades de transferencia de calor.

La configuración cilíndrica del sistema produce menores áreas de transferencia de calor por unidad de volumen de producto , siendo necesario utilizar vapor a alta presión como medio de calefacción con el fin de conseguir elevadas temperaturas en la pared y, por tanto, velocidades de vaporación razonables.

La mayor desventaja de este sistema son los elevados costes de fabricación y mantenimiento, así como la baja capacidad de procesamiento.