Este documento describe el proceso de evaporación. Define evaporación como la operación en la cual se elimina el vapor formado por ebullición de una solución líquida para obtener una solución más concentrada. Explica que la evaporación es comúnmente usada para remover agua de productos líquidos diluidos. También presenta ejemplos de aplicaciones de evaporación en diversas industrias como la agroalimentaria, farmacéutica, química y de polímeros. Finalmente, describe los diferentes tipos de evaporadores y las ecuaciones de balance de materia

1. UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES
VELASQUEZ
EVAPORACIÓN
Ing. Romualdo Vilca Curo

2. CONCEPTO
 Operación en la cual se elimina el vapor
formado por ebullición de una solución
líquida de la cual 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.

3. IMPORTANCIA
 La evaporación es una importante
operación unitaria comúnmente empleada
para remover el agua de productos líquidos
diluidos para obtener productos líquidos
concentrados.
 La remoción de agua de los alimentos
provee estabilidad microbiológica y reduce
los costos de almacenamiento y transporte.

4. Ejemplos de Evaporación
(Industria Agroalimentaria)
 Concentración de soluciones acuosas de azúcar.
 Concentración de leche y jugo de naranja.
 Concentración de jugo de tomate de 5-6 % de
sólidos totales a 35-37 %.
 Concentración de monogliceridos.
 Obtención de vitamina E
 Evaporación de metil esteres (biodiesel)
 Obtención de lecitina.
 Evaporación de glicerina.

5. Ejemplos de Evaporación
(Industria Farmacéutica).
 Eliminación de color
 Evaporación de disolventes en productos
que puedan sufrir degradación térmica.
 Evaporación de disolventes de principio
activo.

6. Ejemplos de Evaporación
(Sector Químico).
 Concentración de soluciones de hidróxido de
sodio
 Concentración de soluciones de glicerina y
gomas
 Evaporación de aguas residuales con alto
contenido en sólidos.
 Evaporación de ésteres.
 Separación de disolventes en esencias.
 Recuperación de aditivos en aceites minerales.

7. Ejemplos de Evaporación
(Sector polímeros).
 Separación de disolventes en monómeros.
 Concentración y separación de
monómeros.
 Concentración de polímeros.
 Evaporación y concentración de Ciano
Acrilatos.

8. Evaporación y Cristalización
 En todos estos casos, la solución concentrada es el
producto deseado y el agua evaporada suele desecharse.
En otros casos, 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.
 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.

9. Esquema de operación de un
evaporador
 Esencialmente el
evaporador consiste de un
intercambiador de calor
encerrado en una cámara.
 El intercambiador de calor
no tiene contacto directo
con el producto y provee
calor de vapor de baja
presión al producto.
 El producto al interior de la
cámara se encuentra a
presión de vacío

10. Esquema de operación de un
evaporador (2)
 Las condiciones de vacío
ocasionan la diferencia de
temperaturas entre el vapor y
el producto y que el producto
pueda hervir a relativas bajas
temperaturas, minimizando el
deterioro por altas
temperaturas.
 Los vapores producidos son
transportados a través de un
condensador a un sistema de
vacío. El vapor condensa al
interior del intercambiador de
calor y el condensado es
descartado

11. Esquema de un evaporador de efecto
simple
 Durante la operación
de un evaporador de
efecto simple el vapor
producido como
consecuencia de la
concentración del
producto es
descartado sin
posterior uso.

12. Esquema de un evaporador de efecto
doble
 En los evaporadores
de efecto doble, el
vapor de agua
eliminado de la
solución, es utilizado
como medio de
calentamiento para la
otra cámara de
evaporación.

13. Esquema de un evaporador de efecto
triple
 En los evaporadores
de efecto triple, el
vapor de agua
eliminado de la
solución, es utilizado
como medio de
calentamiento para
las otras cámaras de
evaporación.

14. Evaporador de Efecto Triple con
eliminación de vapor

15. Evaporador de Efecto Triple con
alimentación en paralelo

16. Evaporador de Efecto Triple con
alimentación hacia adelante

17. Evaporador de Efecto Triple con
alimentación hacia atrás

18. Evaporador de Efecto Triple con
alimentación mezclada

19. Evaporador de Efecto Triple con
alimentación hacia atrás

20. Evaporación en paralelo
Ventajas
 Utilización de mayor cantidad de vapor
 La presión se distribuye
 El mismo vacío hace que fluyan los concentrados
Inconvenientes
 La transmisión de calor está dificultada por el
incremento en: coeficiente de trasferencia de calor,
diferencial de temperatura
 La viscosidad del producto aumenta y el coeficiente
de transferencia de calor disminuye.

21. Evaporación en contracorriente.
Ventajas
 Mejora la transmisión de calor
 Se compensa el gradiente de
temperatura.
Inconvenientes
 Se debe adicionar bombas para que
fluya el concentrado.

22. Factores que intervienen en la
Evaporación
 Propiedades físicas y químicas de la solución.
 Las características del producto líquido.
 Elevación del punto de ebullición.
 Sensibilidad al calor.
 La acumulación de concentrado sobre la
superficie del intercambiador.
 La capacidad de formar espumas durante el
proceso de evaporación.

23. Elevación del punto de ebullición
(EPE) o Boiling-Point Elevation
 La elevación del punto de ebullición de una
solución (producto líquido) es definido como el
incremento en el punto de ebullición en relación
al del agua pura, a una determinada presión.
 Un método simple para la estimación de la
elevación del punto de ebullición es el uso de la
regla de Dühring.

24. Regla de Dühring
 Esta regla establece que existe una relación
lineal entre la elevación del punto de ebullición
de una solución y la temperatura de ebullición
del agua a la misma presión.
 Esta relación no abarca un amplio rango de
temperaturas, pero es aceptable cuando se
trabajan en pequeños valores.

25. Esquema evaporador de efecto
simple

26. Ecuaciones de Balance de Materia
 Balance de materia
F  L V
 Balance de componentes
F  x F  L  x L V  y V
 Pero yV = 0, entonces:
F  x F  L x L

27. Ecuaciones de Balance de Energía
 Balance de Energía
F  hF  S  H S  L  hL V  hV  S  hS
 Reordenando:
F  hF  S  H S  hs   L  hL V  hV
F  hF S   L hL   h
V V

28. Simbología para las ecuaciones de
Balance de Energía
 HS = entalpía del vapor saturado a TS
 hS = entalpía del condensado a TS
 hF = Entalpía de la alimentación
 hF = cpF(TF – 0 ºC)
 hL = Entalpía del líquido concentrado
 hL = cpL(TL – 0 ºC)
 hV = Entalpía del vapor a temperatura T1
 = HS - hS

29. Evaporación de doble efecto
 Equipo adquisidor de
datos y control de
Advantech. (GENIE)
 Sensores de Tº,
flujo,conductividad,
nivel y presión.
 Manejo de bombas y
válvulas por software.

30. Esquema evaporador de efecto
Doble

31. Ecuaciones Balance de Materia
 Balance Global F  V1  L2  V2
 Balance de componentes
F  xF  V1  yV 1  L2  xL 2  V2  yV 2
 Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
F  x F  L2  x L 2

32. Ecuaciones de Balance de Energía
Primer Efecto
 Balance de Energía en el primer efecto:
F  hF  S  H S  L1  hL1  V1  hV 1  S  hS
 Reordenando:
F  hF  S  H S  L1  hL1  V1  hV 1  S  hS
F  hF  S  1  L1  hL1  V1  hV 1
 Donde:
 hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
 hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC)
 1 = HS - hS

33. Ecuaciones de Balance de Energía
Segundo Efecto
 Balance de Energía en el segundo efecto:
L1  hL1  V1  H V 1  L2  hL 2  V1  hV 1  V2  hV 2
 Reordenando:
L1  hL1  V1  H V 1  hV 1   L2  hL 2  V2  hV 2
L1  h L1  V1   2  L 2 h L 2  V 2  hV 2
 Donde:
 hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
 hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC)
 2 = HV1 – hv1

34. Esquema evaporador de efecto Triple
con alimentación hacia adelante

35. Ecuaciones Balance de Materia
 Balance Global
 Balance de componentes
F  xF  V1  yV 1  L2  xL 2  V2  yV 2
 Pero yV1= yV2 = 0, entonces:
F  x F  L2  x L 2

36. Ecuaciones Balance de Energía en
el Primer Efecto
 Balance de energía en el primer efecto
F  hF  S  H S  L1  hL1  V1  hV 1  S  hS
 Reordenando:
F  hF  S  H S  hs   L1  hL1  V1  hV 1
F  h F  S  1  L1  h L1  V1  hV 1
 Donde:
 hL1 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del primer efecto
 hL1 = cpL1(TL1 – 0 ºC)
 1 = HS - hS

37. Ecuaciones Balance de Energía en
el Segundo Efecto
 Balance de energía en el segundo efecto
L1  hL1  V1  H V 1  L2  hL 2  V1  hV 1  V2  hV 2
 Reordenando:
F  hF  S  H S  hs   L1  hL1  V1  hV 1
F  h F  S  1  L1  h L1  V1  hV 1
 Donde:
 hL2 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del segundo efecto
 hL2 = cpL2(TL2 – 0 ºC)
 2 = HV1 – hV1

38. Ecuaciones Balance de Energía en
el Tercer Efecto
 Balance de energía en el tercer efecto
L2  hL 2  V2  H V 2  L3  hL 3  V2  hV 2  V3  hV 3
 Reordenando:
L2  hL 2  V2  H V 2  hV 2   L3  hL 3  V3  hV 3
L 2  h L 2  V 2   3  L3 h L 3  V 3  hV 3
 Donde:
 hL3 = Entalpía del líquido concentrado a la salida del tercer efecto
 hL3 = cpL3(TL3 – 0 ºC)
 3 = HV2 – hV2

39. Ecuaciones para determinar la cantidad de
calor transferido en evaporadores de efecto
simple y evaporadores de efecto múltiple.
 La cantidad de calor transferido en un evaporador de simple
efecto está dada por la siguiente ecuación:
q  U  A  TS  T1   S  H S  hS   S  
 Donde:
 q = cantidad de calor transferido
 U = coeficiente global de transferencia de calor W m-2 K-1
 A = área del intercambiador de calor

40. Ecuaciones para determinar la cantidad de
calor transferido en evaporadores de efecto
simple y evaporadores de efecto múltiple (2).
 En evaporadores de efecto múltiple se calcula la transferencia de calor en
cada efecto. Así para un evaporador de efecto triple se tiene:
q 1  U 1  A1  T S  T1   S   H S  h S   S   1
q 2  U 2  A 2  T1  T 2   V 1   H V 1  hV 1   V 1   2
q 3  U 3  A 3  T 2  T 3   V 2   H V 2  hV 2   V 2   3
 La diferencia total de temperaturas en cada efecto es:
 T1  T S  T1  T 2  T1  T 2  T3  T 2  T3
 Entonces:  T total   T1   T 2   T 3  T S  T 3

41. Ecuaciones para determinar la Economía de
vapor en evaporadores de efecto simple y
evaporadores de efecto múltiple.
 La economía de vapor (E.V.)en un evaporador de efecto
simple se calcula mediante la siguiente ecuación:
V
E .V . 
S
 En un evaporador de efecto doble: V1  V 2
E .V . 
S
 En un evaporador de efecto triple:
V1  V 2  V 3
E .V . 
S

42. Ecuación para determinar las entalpías de
los vapores de salida cuando se
trabaja considerando la EPE.
 Cuando se determinan los valores de EPE en los evaporadores
de simple o múltiple efecto, las entalpías de los vapores de
salida, Vn, se calculan utilizando la siguiente ecuación:
kJ
hVn  hV (Tablas _ vapor )  4.184  EPE
kg
 Donde:
 hV(tablas_vapor) = entalpía del vapor saturado a la temperatura
del efecto
4.184 kJ kg-1 es el calor específico del vapor sobrecalentado
EPE = elevación del punto de ebullición

43. Selección del tipo de evaporador
Tipos de evaporadores.
 Circulación natural y tubos horizontales
 tubos verticales y tubo central
 Tipo cesta
 Circulación forzada con bomba externa
 De película descendente
 De película fina
 De placas

44. Circulación natural con tubos
horizontales.

45. Tubos verticales con tubo central.

46. Evaporador tipo cesta

47. Evaporador de circulación
forzada con bomba externa

48. Evaporador de película
descendente

49. Evaporador de película fina

50. Evaporador de placas

51. Condensador