Evaporacion Y Secado 22533p

La evaporación es la operación de concentrar una solución mediante la eliminación de disolvente por ebullición (McCabe, 1982).  El objetivo de 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.

Un evaporador consiste básicamente de un intercambiador de calor capaz de hervir la solución y un dispositivo para separar la fase vapor del liquido en ebullición. En su forma más simple puede ser una charola de líquido colocada sobre una placa caliente.

alimentación

vapo r calor liquido

En la evaporación se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida de la que se obtiene una solución más concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.

La concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. En estos casos, la solución concentrada es el producto deseado y el agua evaporada suele desecharse.

En otros, el agua que contiene pequeñas cantidades de minerales se evapora para obtener agua libre de sólidos que se emplea en la alimentación de calderas, para procesos químicos especiales, o para otros propósitos. Actualmente se están desarrollando y usando procesos de evaporación de agua de mar para obtener agua potable. Ocasionalmente, el principal objetivo de la evaporación consiste en concentrar una solución de manera que al enfriarse ésta se formen cristales que puedan separarse. Este proceso especial de evaporación se llama cristalización.

El objetivo de 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. Sin embargo, en algún caso concreto puede ocurrir lo contrario. El agua salubre se evapora con frecuencia para obtener un producto exento de sólido para la alimentación de calderas, para procesos con requerimientos especiales o para el consumo humano. Esta técnica se conoce con frecuencia con el nombre de destilación de agua, pero se trata en realidad de evaporación. Se han desarrollado procesos de evaporación a gran escala utilizándose para la recuperación de agua potable a partir de agua de mar. En este caso el agua condensada es el producto deseado. Solamente se recupera una fracción del agua contenida en la alimentación, mientras que el resto se devuelve al mar.

Las propiedades físicas y químicas de la solución que se esta concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso.

. Por lo general, la alimentación líquida 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 evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminución del coeficiente de transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.

A medida que se calienta la solución y aumenta la concentración del soluto o sal, puede excederse el límite de solubilidad del material en solución y se formaran cristales. Esto limita la concentración máxima que puede obtenerse por evaporación de la solución.

. Muchos productos, en especial los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando ésta sube o el calentamiento es muy prolongado. Entre ellos están los materiales farmacéuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos orgánicos delicados. La cantidad de degradación está en función de la temperatura y del tiempo.

. En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones cáusticas, soluciones de alimentos como leche desnatada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición. Esta espuma es arrastrada por el vapor que sale del evaporador y puede producir pérdidas de material.

. El punto de ebullición de la solución está relacionado con la presión del sistema. Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición. Además, la temperatura de ebullición también se eleva a medida que aumenta la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación.

. Algunas soluciones depositan materiales sólidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es una reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión.

Evaporación de Simple Efecto: Este es el proceso donde se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente del líquido en ebullición se condensa y desecha. Este método recibe el nombre de evaporación. Evaporación de Múltiple efecto: Si vapor procedente de uno de los evaporadores se introduce como alimentación en el elemento calefactor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se envía al condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. Al utilizar una serie de evaporadores entre el suministro de vapor vivo y el condensador el proceso recibe el nombre de evaporación en múltiple efecto.

Evaporación de Simple Efecto

Con un paso a través

De circulación forzada

Distintos modelos de alimentación en evaporación de múltiple efecto

Alimentación directa

Alimentación inversa

Alimentación mixta

Alimentación paralela

1. Marmita abierta o artesa. La forma más simple de un evaporador es una marmita abierta o artesa en la cual se hierve el líquido. El suministro de calor proviene de la condensación de vapor de agua en una chaqueta o en serpentines sumergidos en el líquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo. Estos evaporadores son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se usan paletas o raspadores para agitar el líquido.

2 . Evaporador de tubos horizontales con circulación 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 solución a ebullición está por fuera de ellos. El vapor se desprende de la superficie líquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos de tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de líquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente económico, puede utilizarse para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos. En casi todos los casos, tanto este evaporador como los que se estudian después operan con régimen continuo, con alimentación a velocidad constante y salida de concentrado a velocidad constante.

2 . Evaporador de tubos horizontales con circulación natural.

3. Evaporador vertical con circulación natural. En este tipo de evaporador se usan tubos verticales en lugar de horizontales y el líquido esta dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a la ebullición y a la disminución de densidad, el líquido se eleva en los tubos por circulación natural, y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulación natural incrementa el coeficiente de transferencia de calor. No es útil con líquidos viscosos. Este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos.

3. Evaporador vertical con circulación natural.

4. Evaporador vertical de tubos largos. Puesto que el coeficiente de transferencia de calor del lado del vapor es muy alto en comparación con el del lado del líquido que se evapora, es conveniente contar con velocidades altas para el líquido. En un evaporador de tipo vertical con tubos largos como, el líquido esta en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el líquido pasa por los tubosuna sola vez y no se recircula. Los tiempos de o suelen ser bastante breves en este modelo. En algunos casos, como cuando la relación entre la velocidad de alimentación y la velocidad de evaporación es baja, puede emplearse recirculación natural del producto a través del evaporador, añadiendo una conexión de tubería entre la salida del concentrado y la línea de alimentación. Éste es un método muy común en la producción de leche condensada.

4. Evaporador vertical de tubos largos.

Métodos de operación para evaporadores 1. Evaporadores de efecto simple. En la figura se muestra evaporador de una sola etapa o de efecto simple. La alimentación intercambio de calor entra vapor saturado a Ts. El vapor condensado chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador está producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura esta en equilibrio con la solución en ebullición. La presión es Pt, solución a T1. Si se supone que la solución que se va a evaporar es bastante vapor de agua producirá aproximadamente 1 kg de vapor al condensarse, la alimentación tenga una temperatura TF cercana al punto de ebullición. En el cálculo de la velocidad de transferencia de calor en un evaporador un coeficiente total de transferencia de calor. Se establece entonces q = UA ΔT = U A(Ts – T1)

q = velocidad de transferencia de calor en W, (btu/h)

U = coeficiente total de transferencia de calor en W/m2 ºK, (btu/h ft2 ºF)

A = área de transferencia de calor en m2, (ft2) Ts = temperatura del vapor que se condensa en ºK (ºF) T1 = es el punto de ebullición del líquido en ºK (ºF)

Los evaporadores de efecto simple se usan con frecuencia cuando la capacidad necesaria de operación es relativamente pequeña o el costo del vapor es relativamente barato comparado con el costo del evaporador. Sin embargo, la operación de gran capacidad, al usar más de un efecto, reducirá de manera significativa los costos del vapor.

2. Evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia adelante. Si la alimentación del primer efecto esta a una temperatura cercana al punto de ebullición y a la presión de operación de dicho efecto, 1 kg de vapor de agua evaporará 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.

El resultado es un aumento de la economía de vapor de agua, que es kg de vapor evaporado/kg de vapor de agua usado.

De cesta



Un evaporador de película ascendente consta de una calandria de tubos dentro de una carcasa, la bancada de tubos es más larga que en el resto de evaporadores(10-15m).



El producto utilizado debe ser de baja viscosidad debido a que el movimiento ascendente es natural.



Los tubos se calientan con el vapor existente en el exterior de tal forma que el líquido asciende por el interior de los tubos, debido al arrastre que ejerce el vapor formado. El movimiento de dichos vapores genera una película que se mueve rápidamente hacia arriba.

Estos generan una fina película de líquido dentro de los tubos, la cual desciende por gravedad.

Particularidades de la serpentina:

Evaporadores de vacío con recubrimiento anticorrosivo y desincrustante.

Constituye uno de los métodos que permite separar un líquido de un sólido. Entendiéndose por secado la separación de la humedad de los sólidos (o de los líquidos) por evaporación en una corriente gaseosa.

 El

Secado o “desecación” consiste en la transferencia de vapor o el retiro de la humedad desde un sólido húmedo a la atmósfera que lo rodea.

 Los

mecanismos por los cuales actúa esta operación unitaria son:  la transferencia de calor  y transferencia de materia

 Las

razones por las

cuales los materiales se someten a esta operación pueden ser algunas de las siguientes:

 Conferir

determinadas propiedades a un material (mejorar la velocidad de flujo, la compresibilidad, etc.)

 Preservar

ciertos productos susceptibles de descomponerse en presencia de humedad.

 Facilitar

el manejo posterior del producto.

 Reducción

de costos de transporte y distribución.

El secado puede ser: 

Directo (Aire) Continuo  Discontinuo 



Indirecto (fuente térmica)

 El

mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de la forma de enlace de la humedad con el material: cuanto más sólido es dicho enlace, tanto más difícil transcurre el secado.  Durante el secado el enlace de la humedad con el material se altera.

 Las

formas de enlace de la humedad con el material se clasifican en:

 Químico

 Físico-químico  Físico-mecánico

 Durante

el secado se elimina como regla, solo la humedad enlazada en forma fisicoquímica y mecánica. La más fácil resulta ser la mecánica.

 La

humedad ligada químicamente es la que se une con mayor solidez al material en determinadas proporciones (estequiométricas) y puede eliminarse solo calentando el material hasta altas temperaturas o como resultado de una reacción química. Esta humedad no puede ser eliminada del material por secado.

Humedad El contenido de humedad de un sólido puede expresarse en base seca o en base húmeda. Contenido de humedad, base seca: x Contenido de humedad, base húmeda: X

 Kghumedad     Kgsólidoseco

 Kghumedad    Kghumedad     Kgsólidohúmedo  Kghumedad Kgsólidoseco

Humedad del sólido cuando su presión de vapor se iguala a la presión de vapor del gas. Es decir, humedad del sólido cuando está en equilibrio con el gas. Si la humedad del sólido es mayor que la de equilibrio, el sólido se seca, pero si es menor absorberá agua del aire hasta que alcance el equilibrio.

Cuando la presión de vapor de agua que acompaña al sólido es menor que la tensión de vapor de agua a la misma temperatura, se dice que el sólido es higroscópico, recibiendo el nombre de sólido húmedo cuando la presión de vapor del agua que acompaña al sólido es igual a la tensión de vapor de agua a esa temperatura.

Pv sólido> Pv atm  Evaporación y secado Pv sólido < Pv atm  El sólido adquiere humedad P sólido = P atm  Condiciones de

La diferencia entre la humedad del sólido y la humedad de equilibrio con el aire a condiciones dadas se denomina humedad libre.

Es la humedad del sólido que está en exceso con relación a la humedad de equilibrio. Es ésta la humedad que se puede evaporar y depende de la concentración de vapor en la corriente gaseosa.

 Humedad

ligada o agua ligada Es el valor de la humedad de equilibrio del sólido en o con aire saturado; o bien la humedad mínima del sólido necesaria para que éste deje de comportarse como higroscópico.

 Humedad

desligada o agua desligada Es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad ligada; o bien la humedad libre del sólido en o con aire saturado. Si el sólido tiene humedad desligada se comportará como húmedo.

Se define la velocidad de secado por pérdida de humedad del sólido húmedo en la unidad de tiempo (-dX/dt) a condiciones constantes. S  dX     W = velocidad de W secado A  dt  A = área de la superficie expuesta S = peso del sólido seco

Secaderos de calentamiento indirecto

Secaderos de calentamiento directo 

Secaderos de bandejas



Secaderos de bandejas al vacío.



Secaderos de lecho fluidizado



Secaderos de bandejas a presión atmosférica.



Secaderos de túnel.





Secaderos de cama vibratoria.

Secaderos por congelación.



Secaderos de tambor.



Secaderos con circulación a través del lecho.



Secaderos sprays.



Secaderos rotatorios.

 En

los secadores de cabina (de

lecho fijo) el producto húmedo se

extiende sobre charolas de acero inoxidable (comunmente

perforadas) en capas con un espesor aproximado de 2 a 3 cm.

 El

secado se produce por la circulación de aire caliente sobre bandejas que contienen material húmedo.

 Para

promover una corriente ascendente de aire caliente a través del material contenido en un recipiente de base perforada. El aire atraviesa el producto obteniéndose un polvo o granulado seco con un tamaño y forma de partícula homogéneo.

 Estos

secadores se han implementado para el secado rápido de productos húmedos. En esencia, constan de una cámara cerrada provista de un ventilador y calentador (colocados fuera de la cámara)

La suspensión, introducida por medio de la tobera de pulverización en la cámara de producto, da lugar a la formación de las partículas fluidizadas hasta que se vuelven a caer en el lecho fluidificado debido a su peso.

Consiste en un túnel que puede tener hasta un poco mas de 20 m de longitud con una sección transversal rectangular de, mas o menos, hasta 2 por 2 m.

 Secadores

Rotatorios

Consiste en una coraza cilíndrica sostenida sobre engranes, de manera que pueda girar sobre su propio eje. Tiene una tubería que impulsa a los sólidos alimentados para que fluyan hasta la salida del secador al mismo tiempo que los remueve para lograr un mejor secado de los mismos.

El secado por atomización es una operación básica especialmente indicada para el secado de disoluciones y suspensiones.

 Este

método consiste en dispersar el

material a secar en una niebla de

gotas muy finas, en el seno de una corriente de aire caliente (aprox. 150º C) que instantáneamente se evapora el água del sólido y lo convierte en polvo seco.

 El

equipo para secar por éste

método consiste de un sistema de

aspersión, una cámara de secado y un separador tipo ciclón.

Se utiliza para productos que no pueden verse sometidos a fuertes incrementos de temperatura y que no pueden desmenuzarse ni trocearse, ni recibir una manipulación violenta. Consisten en un arrastrador metálico encerrado en un túnel por el que se introduce el fluido térmico de secado

La corriente de aire caliente fluye desde los costados del túnel. Los hay que proveen calor desde un solo lateral, no son los mas convenientes, y los que suministran calor desde ambos lados del túnel y a lo largo del recorrido.

Consta de un tambor de metal calentado, en las paredes se evapora el líquido, mientras una cuchilla metálica, raspa lentamente el sólido, para que descienda por el tambor, hasta la salida. Este tipo de secadores son típicos del trabajo con pastas, suspensiones, y soluciones. El tambor resulta como un híbrido entre un secador y un evaporador.

Secado por lotes, funciona de manera similar al secador de bandejas. Formado por un gabinete de hierro con puertas herméticas, para trabajar al vacío y de anaqueles dónde se colocan las bandejas con los materiales húmedos. Estos secadores pueden ser utilizado s para secar materias termolábiles, como lo son algunos materiales biológicos y en ocasiones los farmacéuticos,.

La conducción de calor en este tipo de secadores es por radiación desde las paredes metálicas del secador. La humedad extraída del material es recogida por un condensador dispuesto en el interior.



Procesos de granulación húmeda (elaboración de cápsulas, polvos o tabletas).



Producción de algunos materiales (hidróxido de aluminio, lactosa seca y extractos en polvo).



Reducción del volumen y peso de los materiales (disminución del costo por transporte y almacenamiento).



Conservación y estabilidad de productos animales y vegetales para disminuir el crecimiento de hongos y bacterias.



Volver a un producto mas estable (polvos higroscópicos, sales efervescentes, aspirina, penicilinas y ácido ascórbico). Una vez eliminada el agua, el producto se mantiene a bajos niveles de humedad con ayuda de agentes desecantes o por impermeabilidad del empaque.