1. Explique la operacin unitaria de evaporacin

La evaporacin es una operacin unitaria que consiste en la eliminacin de agua de un alimento fluido mediante vaporizacin o ebullicin. Son varios los alimentos que se obtienen en forma de soluciones acuosas, y que para facilitar su conservacin y transporte se concentran en una etapa de eliminacin de agua.

2. Explique los usos de la evaporacin

3. Mencione los componentes bsicos de un evaporador

Un evaporador consta, esencialmente, de dos cmaras, una de condensacin y otra de evaporacin. En la de condensacin un vapor de agua se transforma en lquido, con lo que cede su calor latente de condensacin, el cual es captado en la cmara de evaporacin por el alimento, del que se desea eliminar el agua. El agua evaporada abandona la cmara de evaporacin a la temperatura de ebullicin, al mismo tiempo que se obtiene una corriente de solucin concentrada.

4. Mencione los factores principales que afectan la velocidad de evaporacin

5. Explique la influencia de las propiedades del lquido de alimentacin en la evaporacin.

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.

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.

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.

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.

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 elevacin del punto de ebullicin. 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.

Formacin de incrustaciones y materiales de construccin. Algunas soluciones depositan materiales solidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposicin o por disminucin de la solubilidad. El resultado es una reduccin del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La seleccin de los materiales de construccin del evaporador tiene importancia en la prevencin de la corrosin.

6. Consulte los tipos de evaporadores

a) Evaporadores de circulacin natural

Existen varios tipos de evaporadores basados en la circulacin natural de los fluidos, siendo el ms sencillo el evaporador abierto. Tambin existen evaporadores de tubos, generalmente cortos, basados en este principio.

Evaporador abiertoEstos evaporadores son los ms simples, y constan esencialmente de un depsito abierto a la atmosfera, en el que el fluido se calienta directamente, o bien a travs de un serpentn o camisa externa de calentamiento. Presentan una velocidad de evaporacin baja, siendo pobre la economa trmica que presentan. A veces, y para permitir la operacin a vaco, los depsitos pueden presentar un cierre hermtico.La ventaja ms importante de estos evaporadores es que son de gran utilidad cuando se requieren unidades de baja capacidad. Sin embargo, en unidades de gran capacidad el calentamiento es poco efectivo, ya que la relacin superficie de transmisin de calor a volumen de lquido es baja. Adems, en las unidades que llevan instalados serpentines internos, se reduce la transferencia de calor, ya que dificultan la circulacin del lquido. En la industria alimentaria, este tipo de evaporadores, se utilizan en la concentracin de pulpa de tomate, preparacin de sopas y salsas, y en la ebullicin de mermeladas y productos de confitera.

Evaporador de tubos cortos horizontalesEstos evaporadores estn formados por una cmara, cuya parte inferior est atravesada por un banco de tubos horizontales (figura 1), circulando por su interior vapor de agua, que sirve de fluido calefactor. Por encima de los tubos existe un espacio que permite la separacin por gravedad de las gotas arrastradas con el vapor desprendido en la base.

Figura 1. Evaporador de tubos cortos horizontales (adaptado de Brennan et al., 1980).

Al objeto de facilitar la separacin y el arrastre de las gotas, se hallan dispuestas unas lminas de choque. Debido a que el banco de tubos dificulta la circulacin del lquido, estos evaporadores presentan unos coeficientes globales de transmisin de calor bajos. Se suelen utilizar en la concentracin de lquidos que posean una viscosidad baja.

Evaporador de tubos cortos verticalesEn la figura 2 se representa esquemticamente un evaporador de este tipo, en el que el vapor de calefaccin condensa en el exterior de unos tubos que se encuentran dispuestos verticalmente en el interior de la cmara de evaporacin. El conjunto de tubos, denominado calandria, posee un gran tubo central de retorno, por el que circula un lquido que est ms frio que el de los tubos calentadores de ascenso, lo que provoca la aparicin de corrientes de circulacin natural. La longitud de los tubos suele oscilar entre 0,5 y 2 metros, con un dimetro de 2,5 a 7,5 cm; mientras que el tubo central presenta una seccin transversal de entre 25 y 40% de la seccin total que ocupan los tubos.Presentan unas velocidades de evaporacin adecuadas con lquidos de viscosidad moderada, y no corrosivos. Las unidades pueden equiparse con calandrias de cesta que facilitan la limpieza, ya que se pueden desmontar fcilmente.Se suelen utilizar en la concentracin de soluciones de azcar de caa y remolacha, as como en la concentracin de zumos de fruta, extracto de malta, glucosa y sal.

Figura 2. Evaporador de tubos cortos verticales (adaptado de Brennan et al., 1980).Evaporador con calandria exteriorEn este tipo de evaporador (figura 3) el conjunto de tubos se halla fuera del espacio separador de vapor. Suelen operar a presiones reducidas, siendo muy fcil el acceso al conjunto de tubos. Adems, la calandria puede sustituirse por un intercambiador de calor de placas, que es muy til en el caso que se prevea que pueden formarse costras, pues son fciles de desmontar y limpiar.Como pueden operar bajo vaco, se utilizan en la concentracin de productos alimentarios sensibles al calor, como pueden ser leche, extractos de carne y zumos de fruta.

Figura 3. Evaporador con calandria exterior. A, entrada de vapor; B, entrada del lquido de alimentacin; C, salida del lquido concentrado; D, salida del vapor; E, salida del condensado, y F, salida de gases incondensables (adaptado de Brennan et al., 1980).

b) Evaporadores de circulacin forzada

En estos evaporadores la circulacin se logra mediante una bomba que impulsa el alimento a travs de la calandria de tubos, para entrar posteriormente a una cmara de separacin, en la que se obtiene la separacin del vapor y del concentrado (figura 4). La bomba hace que el fluido circule a una velocidad de entre 2 y 6 m/s, y cuando pasa por el haz tubular adquiere el calor suficiente para recalentarlo, pero estn diseados para que el lquido este sometido a una carga esttica que impide su ebullicin en los tubos. Sin embargo, cuando llega a la cmara, existe una evaporacin sbita, en la que una pantalla de choque facilita la separacin de la fase liquida del vapor.

Figura 4. Evaporador de circulacin forzada (adaptado de Brennan et al., 1980).

Estos evaporadores son capaces de concentrar lquidos viscosos, siempre y cuando la bomba infiera al lquido la velocidad adecuada. Por ello, si los lquidos son poco viscosos, se utilizan bombas centrifugas, pero si los lquidos presentan una viscosidad ms elevada deben utilizarse bombas de desplazamiento positivo.

c) Evaporadores de tubos largos

Son evaporadores que constan de una cmara vertical provista de un intercambiador tubular y de una cmara de separacin. El lquido diluido, antes de entrar a los tubos, es precalentado hasta prcticamente su temperatura de ebullicin. Una vez en el interior de los tubos empieza a hervir, y la expansin debida a la vaporizacin hace que se formen burbujas de vapor que circulan a gran velocidad y arrastran el lquido, que se va concentrando al avanzar en su trayecto. La mezcla liquido-vapor pasa a la cmara de separacin, en la que existen placas deflectoras que ayudan a separar el vapor. El lquido concentrado que se obtiene, puede extraerse directamente, o bien mezclarse con liquido no concentrado y se recircula, o bien puede pasar a otro evaporador donde se aumenta su concentracin.Los evaporadores de tubos largos pueden ser de pelcula ascendente, pelcula descendente, o bien de pelcula ascendente-descendente. En los evaporadores de pelcula ascendente el lquido penetra por la parte inferior de los tubos, y se empiezan a formar burbujas de vapor, que ascienden por el centro del tubo, crendose as una fina pelcula en la pared del tubo, que asciende a gran velocidad. En los evaporadores de pelcula descendente, la alimentacin se realiza por la parte superior de los tubos, en el que el vapor formado desciende por el centro de los mismos en forma de chorro a una gran velocidad. Cuando se desean conseguir altas velocidades de evaporacin se utilizan evaporadores de pelcula ascendente-descendente, en donde se combina la evaporacin de pelcula ascendente, obtenindose un lquido de concentracin intermedia, con una viscosidad alta. Este lquido se lleva a evaporacin en tubos por los que circula en forma de pelcula descendente.Generalmente, los coeficientes globales de transmisin de calor son altos. En los evaporadores de pelcula, el tiempo de residencia del lquido que se est tratando en la zona de calentamiento es corto, ya que circula a gran velocidad. Esto hace que el producto no se vea tan afectado por el calor, y son por tanto, muy tiles en la evaporacin de lquidos sensibles al calor. Los evaporadores de pelcula descendente son muy utilizados en la concentracin de productos lcteos.

d) Evaporadores de placas

Tal como su nombre indica constan de un conjunto de placas, que se distribuyen en unidades, en las que el vapor condensa en los canales formados entre placas, y el lquido calentado hierve sobre las superficies de las placas, ascendiendo y descendiendo en forma de pelcula sobre las mismas. La mezcla de lquido y vapor que se forma pasa a un evaporador centrfugo.Estos evaporadores son tiles para concentrar productos sensibles al calor, pues se consiguen altas velocidades de tratamiento, lo que permite una buena transmisin de calor y cortos tiempos de residencia del producto en el evaporador.Adems, ocupan poca superficie en el suelo, y son de fcil manejo en la operacin de limpieza, ya que su desmontaje y montaje es fcil y rpido. Se suelen utilizar en la concentracin de caf, caldos de sopa, mermelada ligera y en zumos de ctricos.Adems de los evaporadores descritos, tambin se utilizan de otros tipos, como pueden ser los evaporadores de flujo expandido, los de superficie rascada o incluso aquellos basados en el funcionamiento de bomba trmica, utilizados para la evaporacin de productos muy sensibles al calor.

e) Evaporadores de flujo expandidof) Evaporadores de pelcula delgada mecnicag) Evaporadores a baja temperatura

7. Explique los mtodos de operacin para evaporadores

Evaporadores de efecto simple. En la figura 5 se muestra un diagrama simplificado del evaporador de una sola etapa o de efecto simple. La alimentacin entra a TF K y en la seccin de intercambio de calor entra vapor saturado a Ts. El vapor condensado sale en forma de pequeos chorros. Puesto que se supone que la solucin del evaporador est completamente mezclada, el producto concentrado y la solucin del evaporador tienen la misma composicin y temperatura T1, 1que corresponde al punto de ebullicin de la solucin. La temperatura del vapor tambin es Tl, pues est en equilibrio con la solucin en ebullicin. La presin es Pt, que es la presin de vapor de la solucin a Tl.Si se supone que la solucin que se va a evaporar es bastante diluida y parecida al agua, 1 kg de vapor de agua producir aproximadamente 1 kg de vapor al condensarse. Esto ocurrir siempre que la alimentacin tenga una temperatura TF cercana al punto de ebullicin.En el clculo de la velocidad de transferencia de calor en un evaporador se emplea el concepto de un coeficiente total de transferencia de calor. Se establece entonces la ecuacin:

q = UA T = U A (Ts T1)

FIGURA 5. Diagrama simplifcado de un evaporador de efecto simple.donde q es la velocidad de transferencia de calor en W (btu/h), U es el coeficiente total de transferencia de calor en W/m2 * K (btu/h . pie2 . F), A es el 6rea de transferencia de calor en m2 (pie2), Ts es la temperatura del vapor que se condensa en K (F) y T1 es el punto de ebullicin del lquido en K (F).Los evaporadores de efecto simple se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operacin es relativamente pequea o el costo del vapor es relativamente barato comparado con el costo del evaporador. Sin embargo, la operacin de gran capacidad, al usar ms de un efecto, reducir de manera significativa los costos del vapor.

Evaporadores de efecto mltiple con alimentacin hacia adelante. Un evaporador de efecto simple como el que se muestra en la figura 5 desperdicia bastante energa, pues el calor latente del vapor que sale no se utiliza. No obstante, una buena parte de este calor latente se recupera y se utiliza al emplear evaporadores de efecto mltiple. En la figura 6 se muestra el diagrama simplificado de un evaporador de efecto triple con alimentacin hacia adelante. Si la alimentacin del primer efecto est a una temperatura cercana al punto de ebullicin y a la presin de operacin de dicho efecto, 1 kg de vapor de agua evaporar casi 1 kg de agua. El primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto. Nuevamente, en el segundo efecto se evapora casi 1 kg de agua, que se emplea como medio de calentamiento del tercer efecto. De manera aproximada, en un evaporador de efecto triple se evaporan 3 kg de agua por kilogramo de vapor de agua usado. Por consiguiente, el resultado es un aumento de la economa de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado. Esto tambin resulta cierto de forma aproximada para ms de tres efectos. Sin embargo, este aumento de la economa del vapor de agua en un evaporador de efecto mltiple se logra a expensas de mayor inversin en el equipo.En la operacin de alimentacin hacia adelante que se muestra en la figura 6, la alimentacin se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del flujo del vapor. ste es el mtodo de operacin que se emplea cuando la alimentacin est caliente o cuando el producto concentrado final puede daarse a temperaturas elevadas. Las temperaturas de ebullicin van disminuyendo de efecto a efecto. Esto significa que si el primer efecto est a P1 = 1 atm abs de presin, el ltimo estar al vaco, a presin P3.

FIGURA 6. Diagrama simplifcado de un triple evaporador de triple efecto con alimentacin hacia adelante.Evaporadores de efecto mltiple con alimentacin en retroceso. En la operacin de alimentacin en retroceso que se muestra para el evaporador de efecto triple de la figura 7, la alimentacin entra al ltimo efecto, que es el ms fro, y continua hacia atrs hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Este mtodo de alimentacin en retroceso tiene ventajas cuando la alimentacin es fra, pues la cantidad de lquido que debe calentarse a temperaturas ms altas en el segundo y primer efectos es ms pequea. Sin embargo, es necesario usar bombas en cada efecto, pues el flujo va de baja a alta presin. Este mtodo tambin es muy til cuando el producto concentrado es bastante viscoso. Las altas temperaturas de Pos primeros efectos reducen la viscosidad y permiten coeficientes de transferencia de calor de valor razonable.

FIGURA 7. Diagrama simplificado de un evaporador de efecto triple con alimentacin en retroceso.Evaporadores de efecto mltiple con alimentacin en paralelo. La alimentacin en paralelo en evaporadores de efecto mltiple implica la adicin de alimentacin nueva y la extraccin de producto concentrado en cada uno de los efectos. El vapor de cada efecto se usa para calentar el siguiente.Este mtodo de operacin se utiliza principalmente cuando la alimentacin est casi saturada y el producto son cristales slidos, tal como sucede en la evaporacin de salmueras para la produccin de sal.

8. Explique el funcionamiento de los evaporadores de un solo efecto9. Explique el funcionamiento de los evaporadores de mltiple efecto10. Explique tres procesos de evaporacin en la industria de alimentos