El documento describe el proceso de evaporación para concentrar disoluciones. La evaporación involucra el paso del disolvente de la fase líquida a la fase de vapor mediante la aplicación de calor. Esto reduce el volumen de la disolución y aumenta la concentración del soluto. El documento explica factores como la temperatura de ebullición, el coeficiente de transmisión de calor y cómo afectan la velocidad del proceso de evaporación.

1. Evaporación
ING. M. ANTONIO ADRIANZEN.

2. EVAPORACION
la evaporaciones es una operación de
concentración de una disolución, por paso de
parte del disolvente presente en la misma a
fase de vapor. Para ello es necesario
suministrar en forma de calor la energía
asociada al cambio de estado liquido – vapor.
En evaporación la volatilidad relativa, disolvente/soluto es tan grande que
suele considerarse que la fase vapor producida esta libre de soluto.
La evaporación es la operación tradicional mas utilizada en la industria
alimentaria como método de concentración de disoluciones ( ejemplo:
productos de la leche, sal, azúcar, zumos de frutas, algarrobina, pastas a
partir de vegetales).

3. La evaporación es una operación de
transferencia de materia, ya que uno de los
componentes, el disolvente tiene que
transportarse desde el seno de la disolución
hasta la fase vapor. Sin embargo previamente
ha de producirse un transporte de calor desde
el agente calefactor hasta la disolución.
La etapa controlante es el transporte de calor. (en el diseño de evaporadores similar
a cambiadores de calor).
La evaporación presenta la desventaja de requerir un mayor consumo energético,
así como de poder provocar alteraciones no deseadas en determinadas sustancias
al someterlas a temperaturas relativamente altas.
Mediante la evaporación es posible alcanzar concentraciones de soluto muy
elevadas, hasta de 80 - 90 % ya que el objetivo fundamental de la evaporación es
modificar la composición de la disolución.
Con la evaporación: disminuye el volumen del alimento, reduce costos de envasado,

4. Transporte, almacenamiento y aumenta la estabilidad biológica del producto.
ENERGIA NECESARIA EN LA EVAPORACION
V
Caudales masicos de corrientes
W: agente calefactor (vapor de agua saturado)
F: alimentación (disolución diluida)
L: Producto (disolución concentrada)
V: disolvente vaporizado
Q: calor intercambiado entre las dos zonas del evaporador
W
W
𝐹, 𝑥𝐹, 𝑇𝐹
𝐿, 𝑋𝐿
Zona evaporación
Zona calefacción
𝑇𝑤
Q
𝑇𝐸𝐷

5. El calor (Q) necesario para llevar acabo esta operación puede considerarse como.
𝑄 = 𝑄1 + 𝑄2
𝑄1: Calor sensible
𝑄2: Calor latente
Calor sensible (𝑄1):Representa la energía necesaria para calentar la disolución
inicial desde su temperatura a la entrada del evaporador (𝑇𝐹) hasta su temperatura
de ebullición (𝑇𝐸𝐷). Suponiendo un calor especifico medio (𝐶𝑃𝐹) para la disolución
diluida 𝑄1 será:
𝑄1 = 𝐹𝐶𝑃𝐹 𝑇𝐸𝐷 −𝑇𝐹 (1)
Calor latente (𝑄2): Es el calor necesario para evaporar el disolvente y generar la
corriente de vapor (V). Se puede determinar a partir del calor latente de vaporización
del disolvente a la temperatura de ebullición de la disolución (𝜆𝑒𝑇𝐸𝐷
)
𝑄2= 𝜆𝑒𝑇𝐸𝐷
En el caso del agua : 𝜆𝑒= 606,5 – 0,695 T
Donde: 𝜆𝑒 en Kcal/Kg y T en ºC

6. VELOCIDAD DE INTERCAMBIO DE CALOR
La velocidad de intercambio de calor entre las dos zonas del evaporador se expresa
mediante la ecuación del diseño del mismo.
𝑄 = 𝑈𝐴Δ𝑇
Donde:
A = es el área de transmisión de calor
𝑈 = es el coeficiente global de transmisión de calor
Δ𝑇 = es la diferencia de temperatura existente entre ambas zonas del evaporador,
que actúa como fuerza impulsora del trasporte de calor
Δ𝑇 = 𝑇𝑤 − 𝑇𝐸𝐷
𝑇𝑤 = Temperatura del vapor utilizado como agente de calefacción
𝑇𝐸𝐷 = Temperatura de ebullición de la disolución

7. FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA TEMPERATURA (Δ𝑇)
◦ Temperatura de ebullición del disolvente ( T ) :
Es función de la naturaleza del disolvente y de la presión reinante en la zona de
evaporación. Con frecuencia la evaporación se lleva a cabo a presión reducida con el
objetivo de reducir dicha temperatura. Lo que además de favorecer la trasmisión de
calor, evita o minimiza el posible deterioro de sustancias sensibles a la temperatura.
Relación de la temperatura de ebullición del agua con la presión:
ln 𝑃= 18,3036 -
3,816.4
𝑇𝐸 −46.13
( ecuación de Antoine)
Existe un limite económico al disminuir la temperatura elevando el vacío.
Presencia de solutos : La existencia de solutos en una disolución provoca un
incremento en el punto de ebullición (Δ𝑇𝐸) respecto al disolvente puro, este efecto es
desfavorable, ya que al aumentar la temperatura de la disolución existe el riesgo de
degradación de determinados componentes, así como también disminuye la fuerza
impulsora del transporte de calor.

8. El valor del incremento de temperatura de ebullición depende de la naturaleza del
soluto y de su concentración. Es mayor cuando se trata de solutos iónicos de bajo
peso molecular. Es muy importante en disoluciones de sales y azucares.
Carga hidrostática sobre la disolución: La formación y el crecimiento de burbujas
de vapor en un liquido en ebullición suele producirse mediante un mecanismo de
nucleación heterogénea sobre la superficie calefactora. La presión real que existe en
esa superficie es mayor que la correspondiente a la superficie libre del liquido, debido
a la carga hidrostática ejercida por la columna de liquido de altura h situada sobre la
superficie solida. Como consecuencia la temperatura real de ebullición de la
disolución es algo mayor que la correspondiente a la presión P de la zona de
evaporación.

9. Coeficiente Global de transmisión de calor (𝑈)
Esta variable depende fundamentalmente de las resistencias al
transporte de calor al sistema (fig.)
Existen 3 zonas de resistencia:
• Resistencia que opone el vapor de calefacción
• Resistencia de la pared solida que separa la zona de calefacción y de evaporación.
• Resistencia de la propia disolución en ebullición.
Q L
w
t
Z
𝑇𝐸𝐷
Tω
Disolución
Deposito
Pared
Vapor

10. Esta ultima es la mas importante, por lo que los evaporadores se diseñan
tratando de mejorar el transporte de calor a traves de la disolución,
generalmente mediante un incremento de la turbulencia existente en la
misma: generación de corrientes de circulación natural ( diferencia de
densidades), agitación provocada por la formación y desplazamiento de
burbujas o mediante un agitador o una bomba (convección forzada).
La variable que mas negativamente influye sobre el transporte de calor a
través de la disolución es su Viscosidad. El incremento de la temperatura
disminuye la viscosidad, favoreciéndola transmisión de calor, pero a medida
que se produce la evaporación, la mayor concentración del soluto conlleva un
aumento de la viscosidad y por tanto la resistencia de la disolución al
transporte de calor.
La formación de depósitos solidos sobre la superficie de calefacción
contribuye a aumentar la resistencia al transporte de calor, provocando
disminución en el coeficiente global de transmisión de calor que puede llegar
a ser de hasta 40%.

11. Teniendo en cuenta todos estos factores el 𝑈 (coeficiente global de transmisión de
calor) se puede relacionar con las deferentes resistencias mediante la expresión:
1
𝑈
=
1
ℎ𝑤
+
𝑒
𝑘𝑝
+
1
ℎ𝐷
+ 𝑅𝑑𝑠
ℎ𝑤: Coeficiente individual de transmisión de calor del vapor de calefacción.
ℎ𝐷: Coeficiente individual de transmisión de calor de la disolución.
e : Espesor de la pared solida.
𝑘𝑝: Conductividad térmica de la pared solida.
𝑅𝑑𝑠: Resistencia de los diferentes depósitos solidos que se puedan formar.
La velocidad de intercambio de calor en el evaporador determina el tiempo de
residencia de la disolución a fin de alcanzar un determinado grado de evaporación.
𝑡𝑅 =
𝑉𝐿
𝑄𝑣𝐹
∝
1
A𝑈
𝑡𝑅: Tiempo de residencia de la disolución , 𝑉𝐿: Volumen de disolución presente en el
evaporador , 𝑄𝑣𝐹: Caudal volumétrico de disolución alimento.

12. EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO
Para el diseño de un evaporador de simple efecto se suele disponer de datos de
partida como: Caudal, composición y temperatura de la disolución inicial, también
las temperaturas en las dos zonas del evaporador, la concentración de la disolución
producto y el valor del coeficiente global de transmisión de calor.
Los balances de materia total y de soluto en la zona de evaporación son:
F = L + V (1)
𝐹𝑥𝐹 = 𝐿𝑥𝑙 (2)
V, 𝐻𝑦,𝑇𝐿
F, ℎ𝐹
L, ℎ𝐿
W, 𝐻𝑤
W, ℎ𝑊
Q

13. 𝑥𝐹 𝑦 𝑥𝑙 son las fracciones másicas de soluto en la disolución inicial y final.
El balance Entalpico en el conjunto del evaporador es:
𝑊𝐻𝑤 + 𝐹ℎ𝐹 = 𝑊ℎ𝑤 + 𝑉𝐻𝑣 + 𝐿ℎ𝑙 (3)
Representándose por H las entalpias de las corrientes en estado vapor y por h las
entalpias especificas de las corrientes liquidas.
El caudal de calor(Q) intercambiado entre las dos zonas del evaporador es la
diferencia entre las entalpias de las corrientes que entran y salen de cada zona.
𝑄 = 𝑊 𝐻𝑤 − ℎ𝑤 = 𝑉𝐻𝑣 + 𝐿ℎ𝑙 − 𝐹ℎ𝐹 (4)
La ecuación; 𝑄 = 𝑈. 𝐴. Δ𝑇 proporciona el área de transmisión de calor necesaria (A)
(superficie calefactora)
Si en el balance entalpico se tienen en cuenta que la entalpia de las corrientes en
estado liquido puede ser pequeña comparada con la entalpia de las corrientes vapor,
se obtiene de una forma aproximada la sigte relación:
𝑄 ≈ 𝑊𝐻𝑤 ≈ 𝑉𝐻𝑣 (5)

14. Luego, la mayor parte de la energía suministrada con el vapor de calefacción sale
del evaporador con la corriente de vapor generado.
Ejemplo.
Se desea concentrar una disolución de sacarosa del 30 al 70% en peso, mediante
un evaporador de tubos verticales cortos (un solo efecto).
El caudal de la disolución alimento a tratar, es 1000kg/h introduciéndose al
evaporador a una temperatura de 15ºC, la evaporación se lleva a cabo a presión
reducida (0.4 atm) utilizando vapor de agua saturada a 115 ºC como agente
calefactor. Calcular el área de transmisión de calor y el caudal de vapor de
calefacción.
Datos: Calores específicos.
• Disoluciones de sacarosa = 0.89 Kcal/kg.ºC
• Vapor de agua = 0.46 Kcal/kg ºC
• Elevación del punto de ebullición de la disolución de sacarosa al 70%: 5.5 ºC
(Δ𝑇𝐸=5.5 ºC)

15. ◦ Coeficiente global de transmisión de calor: 2,246 Kcal/h m2 ºC
SOLUCION
Planteamos los balances de materia
F = L + V 1.000 = L + V (1)
𝐹𝑥𝐹 = 𝐿𝑥𝑙 (1.000)(0.3) = L(0.7) (2)
En (2)
L =
(1000)(0.3)
0.7
= 428.6 kg/h
Reemplazando L en (1)
V = 1000 – L
V = (1000 – 428.6) kg/h
V = 571.4 kg/h
Calculamos la temperatura de ebullición del disolvente a la presión del evaporador,
aplicando la Ecuación de Antoine del agua.

16. ln 𝑃 = 18.3036 −
3816.4
𝑇𝐸−46.13
ln⦋(0.4)(760)⦌ = 18.3036 −
3816.4
𝑇𝐸−46.13
(P en mm. de Hg y T en ºk )
𝑇𝐸 = 349.3 ºK 76.2 ºC
Con la ecuación: 𝑄 = 𝑊 𝐻𝑤 − ℎ𝑤 = V𝐻𝑣 + 𝐿ℎ𝑙 − 𝐹ℎ𝐹
Calculamos W y Q
Tomamos como estado de referencia asignando entalpia cero, agua liquida a la temperatura
de ebullición de la disolución.
𝑇𝑟𝑒𝑓 = 𝑇𝐸𝐷 = 𝑇𝐸 + Δ𝑇𝐸 = 76.2 + 5.5 = 81.7 ºC
Entalpias de las diferentes corrientes (calor latente)
𝐻𝑤 − ℎ𝑤 =𝜆𝑒 = 606.5 – (0.695)(115)
= 526.58 Kcal/kg
𝐻𝑣 = 𝜆𝑒, = 606.5 – (0.695)(81.7)
= 549.71 Kcal/kg
𝐻𝐿 = 0

17. 𝐻𝐹 = 𝐶𝑝𝐹 (𝑇𝐹 - 𝑇𝑟𝑒𝑓) = 0.89(15 – 81.7)
= - 59.36 Kcal/kg
Sustituyendo en el balance entalpico
w 𝐻𝑤 − ℎ𝑤 = V𝐻𝑣 + 𝐿ℎ𝑙 − 𝐹ℎ𝐹
w( 526.58) = (571.4) (549.71) –(1000)(-59.36)
w = 709.2 Kg/h
(de la ecuación 4)
Q = w (526.58) = (709.2) (526.58)
Q = 373,464 Kcal/h
Calculamos el área del intercambiador:
𝑄 = 𝑈. 𝐴. Δ𝑇 = 𝑈. 𝐴(𝑇𝑤 - 𝑇𝐸𝐷)
373,464 = (2,246) A (115 – 81.7)
A = 5 m2