Economía de la Evaporación

ECONOMIZACIÓN DEL
PROCESO DE
EVAPORACIÓN
El mayor gasto económico en una operación de
evaporación, está dado por el consumo de vapor de
calentamiento necesario para evaporar el
producto en cuestión
Economía de vapor del Sistrema = ms /mv
Para reducir el consumo de vapor de calentamiento
puede aprovecharse el calor contenido en el vapor
extraído del alimento durante la evaporación,
utilizándose como medio de calentamiento para
evaporar mas agua del mismo alimento, siempre
que exista una diferencia de temperatura (T)
suficiente entre este vapor y el líquido a evaporar.
Existen 2 métodos para aprovechar este
vapor en el mismo sistema de
evaporación:
1) Re-compresión del vapor
2) Evaporación de Múltiples Efectos
RE-COMPRESIÓN
DEL
VAPOR
RE-COMPRESIÓN DEL VAPOR
El vapor desprendido por el producto que se esta
evaporando, se comprime para aumentar
su Presion ( y por ende su Temperatura)
con objeto de volverlo a utilizar como medio
de calentamiento del mismo producto.
La Re-Compresión del vapor puede ser:
1) Re-compresión Mecánica
2) Re-compresión Térmica
1) RE-COMPRESIÓN MECÁNICA
 - Evaporación del agua del alimento
 mv1 = masa de vapor del producto a P1 y T1
- RE-COMPRESIÓN MECÁNICA DEL VAPOR
 vapor sobrecalentado (no recomendable como medio de calentam.)
- saturación del vapor (mezcla con el condensado )
 vapor saturado a P2 y T3 (puede servir como medio de calentam.)
  condensación del vapor al ceder su , para evaporar producto
RE-COMPRESIÓN MECÁNICA DEL VAPOR
RE-COMPRESIÓN MECÁNICA DEL VAPOR
LIMITANTES:
1)
El volúmen del vapor a ser comprimido resulta excesivo para
los
compresores normales, por lo que únicamente una fracción de
dicho vapor puede ser re-comprimido.
Presión del vapor
0 mmHg
38
25
Temp.ebulición.
100 °C
82
56
Volumen específico
1.7 m3 / kg
3.2
9.0
2) Con la compresión mecánica se logran T bajas (del orden de 58°C) que únicamente sirven para la evaporación de soluciones
diluídas y no viscosas.
3) Los costos de adquisición y mantenimiento de los compresores
son muy altos comparados con el resto del sistema de evaporación.
2) RE-COMPRESIÓN TÉRMICA DEL VAPOR
Eyector
De Vapor
o
Termocompresor
RE-COMPRESIÓN TÉRMICA DEL VAPOR
El Eyector de Vapor hace efecto Venturi,
con lo que aumenta la Presión del vapor del
producto, a costa de perder Presión del vapor
procedente de la caldera.
Para el funcionamiento del Eyector de Vapor es
necesario que la Presión de Alta sea de al menos
8 atm (P absoluta)  7 kg/cm2 (P manométrica)
y esto limita su aplicación práctica.
Este método de Re-Compresión del vapor
requiere menos capital de inversión, pero
produce una menor recuperación del calor
(menor economia de vapor del sistema)
Evaporador de doble efecto
con termocompresor para
concentración de alimentos
líquidos
Los termocompresores son bombas a chorro de
vapor que utilizan vapor de alta presión que se
expande para arrastrar y comprimir vapor de
baja presión a una presión intermedia.
Los termocompresores son ampliamente
empleados en evaporadores de leche y
alimentos para captar y recomprimir vapores
perdidos.
EVAPORACIÓN DE MÚLTIPLES
EFECTOS
Evaporador de Placas Sigmastar® de 5 efectos para la
concentración de jugos de fruta con recuperación de aroma
Evaporador de Película
Descendente
de 3 Efectos
Evaporación de Múltiples Efectos
con alimentación hacia adelante (concurrente)
Condición Indispensable:
P1  P2  ........
y  T1  T2  .......
 Pn
 Tn
El Sistema de Evaporación de Múltiples Efectos con
alimentación hacia delante, es el más común para la
evaporación de alimentos.
En este Sistema, la viscosidad del líquido que está siendo
evaporado aumenta durante su paso a través de los
efectos debido al aumento en su concentración y a la
disminución progresiva de temperatura entre un efecto y
otro.
Esto provoca una ligera disminución en el valor de U con
cada efecto.
Sin embargo, la menor temperatura de evaporación en los
últimos efectos, protege al alimento del daño térmico, por
lo que incrementa la calidad del producto concentrado.
EVAPORACIÓN DE
MÚLTIPLES EFECTOS
BALANCES
DE MASA:
Balance Global de masa:
Balance Global de sólidos:
mf = mp + mv
mf Xf = mp Xp
mv = mv1 + mv2 +... + mvn
Balances de masa y sólidos por efecto:
1er. Efecto:
mf1 = mp1 + mv1
mf1 Xf1 = mp1 Xp1
mf1 = mf
Xf1 = Xf
2do Efecto:
mf2 = mp2 + mv2
mf2 Xf2 = mp2 Xp2
mp1 = mf2
Xp1 = Xp2
n Efecto:
mfn = mpn + mvn
mfn Xfn = mpn Xpn
mpn = mp
Xpn = Xp
(último efecto)
BALANCES DE CALOR
1) Calor transmitido al producto
1er. Efecto: Q1 = mf1 Cp1 (T1 – Tf ) + mv1 1
2do Efecto: Q2 = mf2 Cp2 (T2 – T1) + mv2 2
Efecto n: Qn = mfn Cpn (Tn-1 –Tn) + mvn n
2) Calor proporcionado por el vapor de calentamiento
1er. Efecto: Q1 = ms s
2do. Efecto: Q2 = mv1 1
3er. Efecto: Q3 = mv2 2
Efecto n : Qn = mvn-1 n-1
3) Calor transferido en el evaporador
1er. Efecto: Q1 = A1 U1 T1 = A1 U1 (Ts – T1)
2do. Efecto: Q2 = A2 U2 T2 = A2 U2 (T1 – T2)
Efecto n: Qn = An Un Tn = An Un (Tn-1 – Tn)
En los Evaporadores de Múltiples Efecto
A1 = A2 = A3 = …… = An
CALCULO DE
EVAPORADORES
DE MÚLTIPLES EFECTOS:
1) Se considera el
calor sensible
2) Se desprecia el
calor sensible
- Método Algebraico
- Método Iterativo
- Método Simplificado
MÉTODO ALGEBRAICO
Es el mas exacto ya que permite tomar en
consideración:
-La elevación en el punto de ebullición
-Todo el calor transferido durante la evaporación
Sin embargo el cálculo es complicado, sobre todo a
partir de 3 o más efectos
METODO ALGEBRAICO
EVAPORACIÓN DE DOBLE EFECTO
Balances de Calor:
Calor transmitido al producto
Calor proporcionado por el
vapor de calentamiento
1er. Efecto
2do Efecto
Q1  mf1Cp1 (T1  T f )  mv11
Q1  ms s
Q2  mf 2Cp2 (T2  T1 )  mv22
Q2  mv11
Igualando Q las ecuaciones pueden escribirse:
1er. Efecto
2do Efecto
ms s  mf1Cp1 (T1  T f )  mv11
mv11  mf 2 Cp 2 (T2  T1 )  mv 2 2
METODO ALGEBRAICO
Evaporación de Doble Efecto:
Conociendo las temperaturas de: vapor calentamiento (Ts), alimentación (Tf) y
en cada efecto (T1 y T2) y  sus calores latentes de evaporación ()
ms s  mf 1Cp1 (T1  T f )  mv11
…
3 ecuaciones y
mv11  mf 2 Cp 2 (T2  T1 )  mv 2 2
…
4 incógnita
mv  mv1  mv 2
………. 
(mf1 y mv se calculan del
balance global de masa)
pero
mf 2  mp1  mf1  mv1
que sustituyendo en la ecuación
ms s  mf 1Cp1 (T1  T f )  mv11
…
mv11  (mf1  mv1 )Cp2 (T2  T1 )  mv22 … 
mv  mv1  mv 2
………. 
 da:
3 ecuaciones y
3 incógnitas
MÉTODO ALGEBRAICO
Evaporación de Triple Efecto:
Conociendo las temperaturas de: vapor de calentamiento (Ts), alimentación (Tf)
y en cada efecto (T1,T2 y T3) y  sus calores latentes de evaporación ()
ms s  mf 1Cp1 (T1  T f )  mv11
…
mv11  mf 2 Cp 2 (T2  T1 )  mv 2 2
…
… 
…… 
mv2 2  mf 3Cp3 (T3  T2 )  mv33
mv  mv1  mv2  mv3
pero
mf 2  mp1  mf1  mv1
mf 3  mp 2  mf 2  mv 2
4 ecuaciones y
6 incógnitas
(mf1 y mv se calculan del
balance global de masa)
mf 3  (mf 1  mv1 )  mv 2
 y  da:
…
ms s  mf1Cp1 (T1  T f )  mv11
…
mv11  (mf1  mv1 )Cp2 (T2  T1 )  mv22
mv2 2  (mf1  mv1  mv2 )Cp3 (T3  T2 )  mv33 ... 
mv  mv1  mv2  mv3
…… 
que sustituyendo en las ecuaciones
4 ecuaciones y
4 incógnitas
y así sucesivamente para ´”n” efectos
A partir de 3 efectos, el método algebraico se vuelve cada vez
mas complicado, por lo que es preferible recurrir al
MÉTODO ITERATIVO:
Evaporación de Triple Efecto:
Conociendo las temperaturas de: vapor calentamiento (Ts), alimentación (Tf)
y en cada efecto (T1, T2 y T3) y  sus calores latentes de evaporación (), así
como el balance global de masa (mf, mp y mv)
ms s  mf1Cp1 (T1  T f )  mv11
mv11  (mf1  mv1 )Cp2 (T2  T1 )  mv22
mv2 2  (mf1  mv1  mv2 )Cp3 (T3  T2 )  mv33
mv  mv1  mv2  mv3
…
…
…
…
Procedimiento:
1)
Suponer un valor de ms y calcular mv1 con 
2)
Calcular mv2 con  y mv3 con
3)
Con los valores calculados, comprobar el valor de mv en 
4)
Si mv obtenido  mv del balance global, suponer otro valor de ms y volver a
empezar

METODO SIMPLIFICADO
En la evaporación de alimentos,
frecuentemente ocurre lo siguiente:
1) El producto se alimenta a la temperatura
de evaporación o cercana a ésta (ya que
proviene de operaciones como escaldado,
pasteurización)
1er. Efecto : (T – T )  0
1
f
2) La diferencia de temperaturas (T) entre
los efectos no es muy grande
(T2-T1), (T3-T2),…,(Tn-1-Tn)  muy pequeña
1er. Efecto:
ms s  mf1Cp1 (T1  T f )  mv11
2do Efecto:
mv11  mf 2 Cp 2 (T2  T1 )  mv 2 2
Efecto n:
3) La elevación en el punto de ebullición no mvn 1n 1  mf nCpn (Tn 1  Tn )  mvn n
es significativa
DESPRECIAR EL CALOR SENSIBLE
Entonces
se puede:
Y UNICAMENTE CONSIDERAR EL
CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN
EN CADA EFECTO
METODO SIMPLIFICADO: BALANCES DE CALOR
1) Calor transmitido al producto
(se desprecia calor sensible)
0
1er. Efecto: Q1 = mf1Cp1 (T1 – Tf) + mv1 1
Q1 = mv1 1
2do Efecto: Q2 = mv2 2
Efecto n: Qn = mvn n
2) Calor proporcionado por
el vapor de calentamiento
Q1 = Q2 = … = Qn
1er. Efecto: Q1 = ms s
2do. Efecto: Q2 = mv1 1
3er. Efecto: Q3 = mv2 2
Efecto n : Qn = mv(n-1) (n-1)
3) Calor transferido en el evaporador
1er. Efecto: Q1 = A1 U1 T1 = A1 U1 (Ts – T1)
2do. Efecto: Q2 = A2 U2 T2 = A2 U2 (T1 – T2)
Efecto n: Qn = An Un Tn = An Un (T(n-1) – Tn)
METODO SIMPLIFICADO
Como
Q1 = Q2 =
= Qn
A1 U1 T1 = A2 U2 T2 = = An Un Tn
y como
entonces
A1 = A2 =
= An
U1 T1 = U2 T2 = = Un Tn
Además se tiene que:
T total = T1 + T2 + ..... + Tn
T total = (Ts – T1) + (T1 – T2) +
T total = (Ts – Tn)
+ (Tn-1 – Tn)
Consumo de vapor en instalaciones de evaporación
con Múltiples Efectos y Re-Compresión del vapor
Economía de vapor del Sistema
(kg vapor / kg de agua evaporada)
No. Efectos
Sin re-
Con re-
compresión del
vapor
compresión del
vapor
1
1.1
0.6
2
0.6
0.4
3
0.4
0.3
4
0.3
0.22