Un evaporador de placas de película ascendente/descendente es un tipo especializado de evaporador en el que una fina película de líquido pasa sobre una placa ascendente y descendente para permitir que se produzca el proceso de evaporación. Es una extensión del evaporador de película descendente y tiene aplicación en cualquier campo en el que el líquido que se va a evaporar no pueda soportar una exposición prolongada a altas temperaturas, como la concentración de zumos de frutas.
El diseño básico del evaporador de placas de película ascendente/descendente consta de dos fases. En la fase ascendente, el líquido que se alimenta se calienta mediante un flujo de vapor a medida que asciende a través de una placa corrugada. En la fase descendente posterior, el líquido fluye hacia abajo a alta velocidad bajo la fuerza de la gravedad. La evaporación y el enfriamiento se producen rápidamente en la fase descendente.
Existen varias variaciones de diseño que se utilizan comúnmente en el campo industrial. Entre ellas se incluyen los evaporadores de efecto simple y de efecto múltiple. La elección del diseño del evaporador está determinada por las limitaciones del proceso. Básicamente, hay cuatro factores que intervienen en el diseño de este evaporador:
La principal ventaja del evaporador de placas de película ascendente/descendente es su corto tiempo de residencia. Dado que el líquido de alimentación no permanece en el evaporador durante mucho tiempo, este evaporador es adecuado para materiales sensibles al calor/temperatura. Por lo tanto, este evaporador se utiliza ampliamente en las industrias de alimentos, bebidas y farmacéutica. Además de eso, también se pueden conservar el color, la textura, el contenido nutricional y el sabor del líquido de alimentación. A pesar de su funcionalidad, este evaporador tiene algunos inconvenientes, como un gran consumo de energía. El desarrollo futuro compromete la instalación de una gran cantidad de efectos de vapor y el reciclaje del vapor siempre que sea posible para una mejor eficiencia energética.
Los diseños de evaporadores de placas de película ascendentes/descendentes se pueden agrupar en diseños de placas de película de efecto simple y de efecto múltiple. [1]
Las operaciones para evaporadores de simple efecto pueden realizarse en lotes , semilotes o en continuo. Los evaporadores de simple efecto están indicados en cualquiera de las siguientes condiciones:
La termocompresión es útil siempre que sea necesario reducir los requisitos de energía del evaporador. Esto se puede lograr comprimiendo y reciclando el vapor de un evaporador de efecto simple en el mismo evaporador que el medio de calentamiento. La termocompresión del vapor se puede lograr aplicando un chorro de vapor o utilizando medios mecánicos como compresores.
La mejor manera de reducir el consumo de energía es mediante el uso de evaporadores de efecto múltiple. En los evaporadores de efecto múltiple, el vapor del exterior se condensa mediante el elemento calefactor del primer efecto y los vapores producidos por el primer efecto se reciclan de nuevo al segundo efecto, donde la alimentación será producto parcialmente concentrado del primer efecto. El proceso se expande hasta el último efecto, cuando se alcanza la concentración final deseada. [1] [2]
Hay varias características del proceso que deben tenerse en cuenta para que el evaporador funcione al máximo rendimiento.
La evaporación de la película líquida en los evaporadores de película es muy importante para enfriar el líquido que fluye y la superficie sobre la que fluye el líquido. También puede aumentar la concentración de los componentes en el líquido. El evaporador de placa de película ascendente/descendente está diseñado específicamente para producir una película delgada durante las fases de ascenso y descenso. [3] Para los evaporadores de película ascendente, la alimentación se introduce en la parte inferior de los tubos. La evaporación hace que el vapor se expanda, lo que hace que una película delgada de líquido suba a lo largo de los tubos. La cizalladura del vapor empujará la película delgada para que suba por la pared de los tubos. La alimentación para el evaporador de película descendente, por otro lado, se introduce en la parte superior de los tubos. El líquido fluye por los tubos y se evaporará a medida que desciende. [3] El flujo del líquido por los tubos es impulsado por la tensión de cizallamiento del vapor y las fuerzas gravitacionales. El efecto de la cizalladura del vapor y la gravedad conducirán a mayores velocidades de flujo y tiempos de residencia más cortos. El flujo de la película fina de líquido en el evaporador de película descendente es posible de dos maneras: en paralelo y en contracorriente. [4] Es en paralelo si el vapor se aspira desde la parte superior hacia la parte inferior de los tubos y viceversa para el flujo en contracorriente. El flujo en paralelo aumentará los caudales, lo que dará como resultado un tiempo de residencia más corto. [4] El tipo de flujo se puede describir en la figura 2.
El rendimiento de transferencia de calor del evaporador de placa de película ascendente y descendente se ve afectado por varios factores, incluida la altura de la alimentación dentro del tubo y la diferencia de temperatura. La altura del agua de alimentación está inversamente relacionada con la altura de la película ascendente. [5] La baja altura del agua de alimentación conducirá a la alta altura de la película ascendente. Una mayor altura de la película ascendente aumentará el porcentaje de la región de ebullición de flujo saturado, por lo tanto, conducirá a un aumento en el coeficiente de transferencia de calor local. Se ha descubierto que la relación de altura óptima del agua de alimentación es R h = 0,3 . [5] Cualquier relación de altura inferior a 0,3 hará que el coeficiente de transferencia de calor local disminuya. Además de eso, un pequeño contenido de líquido en el tubo puede minimizar el problema de la formación de espuma.
La combinación de evaporador de película ascendente y descendente permite que el evaporador funcione dentro de un amplio rango de temperaturas. Los evaporadores pueden funcionar en una pequeña diferencia de temperatura entre el medio de calentamiento y el líquido. Esto se debe a la falta de caída de presión hidrostática en el evaporador. La falta de caída de presión hidrostática eliminará la caída de temperatura, lo que hará que la temperatura sea relativamente uniforme. [4] Además de eso, el coeficiente de transferencia de calor local dentro del tubo depende del cambio de temperatura. Luopeng Yang encontró un umbral mínimo de cambio de temperatura ( ΔT ) de 5 °C en uno de sus experimentos. [5] Si el cambio de temperatura es menor de 5 °C, la película de líquido no podrá viajar por los tubos, lo que dará como resultado una caída del coeficiente de transferencia de calor local en el tubo.
Dado que el evaporador se utiliza principalmente en procesos que tratan con materiales sensibles al calor, el tiempo de residencia debe mantenerse lo más bajo posible. [6] El tiempo de residencia es el tiempo que tarda el producto en estar en contacto con el calor. Para mejorar la calidad del producto, un período corto de contacto con el calor a partir de una operación de una sola pasada puede minimizar el deterioro del producto. El evaporador de placa de película ascendente y descendente es capaz de satisfacer este requisito. Se puede lograr un tiempo de residencia corto mediante mayores caudales de líquido por el tubo en el evaporador de película descendente. [4] El efecto de la fuerza gravitacional aumentará el caudal del líquido, lo que dará como resultado un tiempo de residencia corto.
Al diseñar un evaporador de placas de película, es necesario controlar el uso de líquido sobrecalentado para evitar la ebullición nucleada. La ebullición nucleada provocará el deterioro del producto como resultado de los aumentos en las velocidades de reacción química que se producen por el aumento de la temperatura. La ebullición nucleada provocará la aparición de incrustaciones, lo que afectará la velocidad de transferencia de calor del proceso. Para evitar la ebullición nucleada, el sobrecalentamiento del líquido debe estar en el rango de 3 a 40 K, según el líquido utilizado. [4]
Minimizar el tiempo de residencia es importante para minimizar la ocurrencia de reacciones químicas entre el material de alimentación y los materiales del evaporador, reduciendo así la formación de incrustaciones en el evaporador. Esta directriz es especialmente importante en la industria de procesamiento de alimentos, donde la pureza del producto final es primordial. [4] En esta aplicación, el tiempo de residencia afecta directamente a la calidad del producto, por lo que es importante que el evaporador de placas de película ascendente y descendente tenga un tiempo de residencia bajo. [7]
El condensado es el desecho que se ha descargado a través de la corriente de desechos en el evaporador de película ascendente y descendente. Este evaporador descargará vapor a medida que el condensado pasa a través del tubo con mayor rapidez que el líquido.
En cada unidad de evaporación, el líquido ingresa desde la parte inferior de la placa de tubos y pasa a través del segmento de película ascendente y descendente. Cuando el líquido sube por el tubo, se produce un proceso de ebullición y vaporización al entrar en contacto con las placas calentadas por vapor. Luego, la mezcla que contiene líquido y vapor se descarga y se reasigna en la parte superior de los tubos de paso de película descendente. El vapor que se produce por la película ascendente se utiliza para aumentar la velocidad del líquido en los tubos de distribución de líquido con el fin de aumentar la transferencia de calor. Se utiliza un separador externo para separar la mezcla de líquido y agua que se produce en el flujo descendente.
En un evaporador de efecto múltiple, la salida de vapor de una fase del evaporador se recicla como medio de calentamiento para la siguiente fase, lo que reduce el consumo general de vapor del evaporador.
Se utiliza un condensador de superficie para condensar el vapor que se produce en el proceso de segundo efecto. Para recuperar el calor que se había utilizado en este evaporador, ambos condensados de vapor se bombean a la alimentación del precalentador para que pueda producir calor para este proceso. [7] [8] [9]
Los evaporadores de placas de película ascendente/descendente se utilizan en una variedad de aplicaciones:
Los jugos de frutas se condensan por evaporación para su almacenamiento, transporte y uso comercial. [10] Si los jugos de frutas se exponen al calor, el contenido de nutrientes como la vitamina C puede verse afectado. [11] Además, estos nutrientes se oxidan fácilmente a altas temperaturas. El evaporador puede superar esta limitación, ya que funciona con un alto caudal de alimentación y una pequeña diferencia de temperatura. Además, el cambio de color y textura de los jugos se puede evitar mediante el funcionamiento de este tipo de evaporador.
Otros productos ricos en proteínas, como el suero en polvo en suplementos dietéticos y la leche (incluida la leche desnatada y entera ), se concentran para eliminar la mayoría de los componentes líquidos para procesos posteriores. [12] La proteína se desnaturaliza fácilmente a alta temperatura porque su estructura terciaria se degrada con la exposición al calor. La evaporación mediante un diseño de placa de película ascendente y descendente puede minimizar el efecto de la desnaturalización de la proteína y, por lo tanto, optimizar la calidad del producto.
Los ingredientes instantáneos y concentrados para cocinar, como la salsa para pasta, el caldo de pollo, los purés de verduras, etc., se evaporan a través del mismo equipo de evaporación. Aunque son relativamente menos sensibles al calor, evaporarlos a baja temperatura y con un tiempo de permanencia corto es crucial para mantener la calidad, el sabor, la textura, el aspecto y el valor nutricional. [13]
Los antibióticos, las píldoras complementarias y los medicamentos que contienen compuestos orgánicos e inorgánicos se evaporan para eliminar la mayor cantidad de humedad posible para la cristalización. Esto se debe a que, en forma cristalizada, los antibióticos y los compuestos enzimáticos se conservarán bien y mejorarán en estabilidad. [14] Además, la exposición a altas temperaturas provocará la descomposición de los compuestos inorgánicos. Aunque la mayoría de los productos farmacéuticos son extremadamente sensibles a la temperatura, este tipo de evaporador sigue siendo práctico de usar, ya que varios diseños de estos evaporadores pueden funcionar a baja presión, ya que el punto de ebullición del agua es bajo a medida que disminuye la presión.
Este evaporador tiene algunas limitaciones que lo hacen no aplicable a toda la gama de procesos industriales. El evaporador debe funcionar en un rango de 26 a 100 °C y puede eliminar agua en un rango de 450 a 16 000 kg/h. Para proporcionar las características de ascenso/descenso adecuadas, la mayoría de los evaporadores son bastante altos y solo se pueden instalar en un espacio de 4 metros (13 pies) de altura. El sólido suspendido en la alimentación líquida debe ser bajo y puede pasar a través de una malla de 50.
Existen varios problemas relacionados con los evaporadores de placas de película ascendentes y descendentes. Uno de ellos es el sistema de alto consumo de energía. Para mejorar la productividad de la planta, es necesario reducir el consumo de energía con la intención de reducir el uso de vapor. Los investigadores han propuesto nuevas estrategias para reducir el uso de vapor y mejorar el sistema de vapor económico. Los ejemplos de estrategias operativas son la evaporación instantánea de la alimentación, el producto y el condensado, la división de la alimentación y el vapor y el uso de series de flujo de alimentación óptimas. [9]
Se han sugerido varias técnicas para minimizar el consumo de energía: [8]