Este documento describe los diferentes tipos de evaporadores y factores a considerar al seleccionar un evaporador para un proceso específico. Explica evaporadores por lotes, tubulares horizontales y verticales, de película descendente, de placas empacadas y de película delgada agitados. Al seleccionar, se debe considerar las características del producto como sensibilidad al calor, viscosidad y tendencia a formar espuma o incrustaciones, así como los requisitos del proceso como capacidad, tiempo de residencia y prevención de pérd

1. Selección de evaporadores
para aplicaciones en procesos
Universidad de Sonora
Departamento de ingeniería química y metalurgia
Marco Molina Pérez
8vo Semestre
Operaciones unitarias II
Marco Antonio Esquer
Marco Antonio Núñez Esquer

2. Información del artículo
Selecting Evaporators for Process Applications
William B. Glover
Estados Unidos
Chemical Engineering Progress, Diciembre de 2004

3. Índice
Definiciones.
Requerimientos mínimos para el diseño de un evaporador.
Operación crítica y características de productos.
Evaporadores batch o por lotes.
Tubo horizontal.
Tubo vertical corto.
Tubo vertical largo.
Evaporador de película descendente.
Evaporador de película ascendente / descendente.
Evaporadores de placas empacadas.
Evaporadores de película delgada agitados.
Requisitos del proceso.
Seleccionando un evaporador.

4. Evaluar las características del producto y los
requisitos del proceso para seleccionar entre los
diversos diseños de evaporadores
• Los evaporadores se utilizan en una
amplia gama de procesos, incluidos
procesos farmacéuticos, alimentos,
papel, productos químicos, polímeros,
resinas, sales inorgánicas, ácidos,
bases y una variedad de otros
materiales.
• Este artículo explica primero los
requisitos del proceso que un
evaporador debe cumplir, y analiza el
funcionamiento crítico y
características del producto y sus
efectos en el evaporador selección.

5. Definiciones
• La evaporación es una operación utilizada para concentrar una
solución de un soluto no volátil y un solvente volátil, que en
muchos casos es agua. Una porción del solvente se vaporiza para
producir una solución concentrada.
• Un evaporador consiste en un intercambiador de calor o baño
calentado, válvulas, colectores, controles, bombas y condensador.
Los diseños más comunes son tanques con chaqueta,
intercambiadores de calor tubulares, intercambiadores de calor de
placa con marco y agitados evaporadores de película delgada.

6. Requerimientos mínimos para el diseño de un
evaporador
• Transferir de manera efectiva el calor a un área de superficie
mínima para ser rentable para la instalación, operaciones y
mantenimiento.
• Separar eficazmente el vapor del concentrado líquido.
• Producir un producto que cumpla con la calidad requerida.
• Ser eficiente en el consumo de energía.
• Materiales que sean adecuados para minimizar corrosión.

7. Operación crítica y características de
productos
• Sensibilidad al calor: Muchos alimentos, productos farmacéuticos,
químicos y resinas son sensibles al calor y requieren bajas temperaturas
de calentamiento o un corto tiempo expuestos al calor, o ambos. Esto se
puede lograr mediante una combinación de minimizar el volumen de
producto en el evaporador en cualquier momento, minimizar el tiempo
en el evaporador y reducir la temperatura de ebullición del producto
haciendo funcionar el evaporador a presiones reducidas. La reducción de
la presión de funcionamiento interna también puede permitir el
funcionamiento a temperaturas de calentamiento más bajas,
manteniendo al mismo tiempo una fuerza impulsora de transferencia de
calor razonable.

8. • Residuos: Ensuciamiento de las superficies de transferencia de calor
generalmente es causado por los sólidos en la alimentación, la
precipitación de sólidos en el concentrado o la degradación del
producto. Una acumulación lenta en las superficies de transferencia de
calor provocará una reducción en el coeficiente global de transferencia
de calor.
• Espuma: Espuma de producto durante la vaporización es común. La
espuma a menudo se puede minimizar mediante diseños especiales para
la entrada de alimentación y el área de separación de vapor / líquido
Además, reducir la intensidad de ebullición del líquido en la superficie
de transferencia de calor y la velocidad del vapor en los tubos.

9. • Viscosidad: Cualquier aumento en la viscosidad del concentrado reducirá el
coeficiente global de transferencia de calor.
• Relación de destilado a concentrado: Debe haber suficiente líquido pasando a
través del evaporador para mantener humedecidas las paredes calientes. La
falta de humectación de la pared y la velocidad del fluido pueden causar
incrustaciones graves y salazón de sólidos en las superficies de transferencia de
calor.
• Medio de transferencia de calor: El medio puede afectar la selección del tipo
de evaporador. Si el producto es estable a la temperatura, entonces el
calentamiento con aceite caliente puede permitir temperaturas más altas
• Materiales de construcción: El material de la superficie de transferencia de
calor es extremadamente importante, porque afecta al costo de material,
determina la conductividad térmica de éste, lo que afecta el coeficiente global
de transferencia de calor y el área de superficie requerida.

10. Evaporadores batch o por lotes
• El diseño más simple y uno de los más
antiguos es el evaporador por lotes,
Consiste en un recipiente con chaqueta
que se calienta con un medio de
calentamiento líquido (H). El producto
se alimenta en un tanque a través de
una boquilla (F). Se aplica calor y se
permite que el lote se caliente hasta
su punto de ebullición; los vapores se
eliminan hasta que se alcanza la
concentración deseada. El concentrado
se bombea fuera del tanque a través
de una boquilla (C).

11. Evaporadores tubulares de circulación natural
• La circulación natural se utiliza normalmente para aplicaciones
simples en las que el producto es limpio y estable a la
temperatura, mientras que los evaporadores de circulación forzada
se utilizan para productos viscosos, de salazón y de formación de
incrustaciones.
Los evaporadores tubulares de circulación natural más comunes son:
1. Tubo horizontal
2. Tubo vertical de calandria (o corto)
3. Tubo vertical largo.

12. Tubo horizontal
• El evaporador de tubo horizontal es el
único tipo de evaporador químico en el
que el medio de calentamiento está
dentro de los tubos. La ventaja
principal de los evaporadores de tubos
horizontales radica en el volumen
relativamente pequeña que requieren.
El evaporador horizontal es menos
eficiente para fluidos que forman
incrustaciones o depositan sal. Es
adecuado para procesos en los que el
producto final es un líquido en lugar
de un sólido.

13. Evaporadores verticales de tubo corto
• El evaporador vertical de tubo corto es uno
de los primeros tipos en uso comercial
generalizado. Se caracteriza por placas de
tubos que se extienden por todo el cuerpo y
una bajante central. El líquido está en los
tubos y el medio de calentamiento fuera de
estos. El condensado se retira de cualquier
lugar conveniente en la parte inferior de la
placa de tubos (C), y los gases no
condensados normalmente se ventilan desde
algún lugar cerca de la placa tubular superior
(por ejemplo, D). Las posiciones exactas de
la alimentación (F) y la descarga (C) son
variables, pero las posiciones que se
muestran son las más comunes. El nivel de
operación del líquido normalmente se
encuentra cerca de la parte superior de la
placa tubular superior

14. Evaporadores verticales de tubo largo
• El evaporador vertical de tubos largos o de película
ascendente es uno de los evaporadores tubulares
más utilizados.
• La alimentación diluida entra en la parte inferior
de la placa de tubos y fluye hacia arriba a través
de los tubos, con el medio de calentamiento en el
lado de la carcasa. En la parte inferior de los
tubos, la alimentación se calienta hasta su punto
de ebullición. Cerca de la parte superior de los
tubos, las burbujas crecen rápidamente. En esta
zona de burbujas, estas se elevan rápidamente a
través de los tubos y se descargan a gran velocidad
desde la parte superior, donde chocan contra un
separador de líquido / vapor que tiende a romper
cualquier espuma. Esto permite el uso de este tipo
de evaporador para productos que tienden a
formar espuma.

15. Evaporadores tubulares de circulación forzada
• Al diseñar un evaporador tubular, se debe evaluar el valor de la recirculación mecánica. A primera vista, la adición de una
bomba y controles adicionales aumentarán los costos de instalación, operación y mantenimiento.
La velocidad incrementada del líquido en los tubos (típicamente en el rango de 4-10 pies / s) también puede reducir o
eliminar cualquier posible incrustación, manteniendo así la capacidad y reduciendo el tiempo de inactividad.
En la mayoría de los casos en que la alimentación contiene sólidos o hay cristalización, se debe usar circulación forzada.
Las ventajas de usar un evaporador de circulación forzada son:
• Altos coeficientes de transferencia de calor
• Reducción de incrustaciones.
Las principales desventajas de la circulación forzada son:
• Posiblemente mayor costo
• Consumo de energía para la bomba
Las aplicaciones típicas en las que se debe utilizar la circulación forzada son en los procesos del sulfato de sodio, urea,
cloruro de sodio, sulfato de amonio, cloruro de magnesio, ácido cítrico, etc.

16. Evaporador de película descendente
• El evaporador de película descendente de
tubo largo es una variación del evaporador
de película ascendente de tubo largo, en el
cual el equipo se gira boca abajo para que el
intercambiador de calor tubular esté encima
de la sección de separador de vapor /
líquido. La alimentación entra en la parte
superior.
• El evaporador de película descendente tiene
la ventaja de que la gravedad tira de la
película hacia abajo. Esto da como resultado
una película más delgada y de movimiento
más rápido y proporciona una alta
transmisión de calor coeficientes y cortos
tiempos de residencia en la zona de
calentamiento.

17. Evaporador de película ascendente /
descendente
• La alimentación entra en la parte inferior de
la placa de tubos de la parte de la película
ascendente. La ebullición comienza cuando
el líquido se eleva a través de los tubos. Una
mezcla de líquido y vapor se descarga y se
redistribuye sobre la parte superior de los
tubos para el paso de la película
descendente. Los vapores del paso de la
película ascendente ayudan en la distribución
de líquido en los tubos y aumentan la
velocidad del líquido, lo que aumenta la
transferencia de calor. La mezcla de vapor y
líquido del flujo descendente se separa en un
separador externo

18. Evaporadores de placas empacadas
• Se construye montando un número de placas
estampadas con aberturas de esquina entre una
barra de transporte superior y una barra de
guía inferior. Las placas están empacadas y
dispuestas para formar pasos estrechos de flujo
cuando una serie de placas se sujetan juntas en
el marco.
• Los fluidos se dirigen a través de las capas
adyacentes entre las placas, ya sea en serie o
en paralelo, dependiendo de la junta. Las
juntas confinan los fluidos y evitan que se
escapen a la atmósfera. El medio de
calentamiento fluye entre cada otra placa..
• Con el diseño apropiado para una aplicación
específica, se pueden alcanzar altas
velocidades y coeficientes de transferencia de
calor elevados.

19. Evaporadores de película delgada agitados
• La evaporación agitada de película delgada supera con éxito
los problemas con productos difíciles de manejar. La
separación se realiza normalmente en condiciones de vacío
para maximizar la diferencia de temperatura
• El evaporador de película delgada agitada consta de dos
conjuntos principales: un cuerpo calentado y un rotor. Ambos
diseños verticales y horizontales están disponibles.
• La alimentación ingresa a la unidad por encima de la zona
calentada y se distribuye uniformemente sobre pared del
cuerpo por el rotor El producto cae en espiral por la pared,
mientras que las ondas desarrolladas por las palas del rotor
generan un flujo turbulento, lo que genera un flujo de calor
elevado. Los componentes volátiles se evaporan
rápidamente. Los vapores pueden fluir en paralelo o en
contracorriente, y están listos para la condensación o el
procesamiento posterior a medida que salen de la unidad. Los
componentes no volátiles se descargan en la salida inferior.

20. Requisitos del proceso
El proceso debería ser un producto de calidad con un buen rendimiento y
un desperdicio mínimo. Se deben considerar los siguientes factores:
• Tiempo de inicio para que el proceso maximice el tiempo del proceso y
minimice la pérdida de producto durante la estabilización del mismo
• Corto tiempo de residencia para minimizar la pérdida de producto
debido a la degradación
• Prevención de incrustaciones que causa la pérdida de tiempo por
limpieza
• Capacidad de eliminar los volátiles a niveles bajos en el concentrado

21. Seleccionando un evaporador
• Elegir el mejor evaporador puede ser fácil o
complejo. Las características del producto tales
como altas viscosidades o sólidos pesados dan
alguna dirección.
• Típicamente, la opción más económica para la
producción por lotes de baja capacidad es el
evaporador discontinuo. Es simple, de bajo costo, y
manejará una cantidad de productos con
características variables y condiciones de
operación.
• Donde se requiere alta capacidad, generalmente se
usa un proceso continuo. Los evaporadores
tubulares son la primera opción donde son
aplicables.
• Donde el producto es difícil de manejar debido a
sensibilidad a la temperatura extrema, alta
viscosidad, pesado sólidos, o una alta tendencia a la
falta, una tecnología como el evaporador de
película delgada agitado y de placa y marco puede
ser requerido.

22. Gracias por su atención