Este documento describe el proceso de evaporación y los componentes principales de los evaporadores, incluyendo el ebullidor tubular, el separador líquido-líquido y el área de circulación del medio de calentamiento. También explica factores que afectan la velocidad de evaporación como la diferencia de temperatura, el área de intercambio, y las propiedades del alimento. Finalmente, presenta balances de materia y energía que son importantes para el diseño y operación de evaporadores.

1. Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”
Aprendizaje Dialógico Interactivo
Programa de Ingeniería Química
Realizado por:
Prof. Ing. Yolimar Fernández
Operaciones Unitarias II

2. Evaporación
Proceso unitario que consiste en la concentración de disoluciones por ebullición; está
controlada por la velocidad de transferencia de calor y no por la correspondiente
transferencia de materia.
Evaporadores
Equipos vaporizantes que puede considerarse como un
intercambiador de calor modificado, que además de
producir un cambio de fase, puede darse otros fenómenos
asociados a la concentración de la disolución, como la
formación de sólidos o la descomposición de sustancias.
Entre sus aplicaciones más importantes se encuentran:
-Obtención de agua desmineralizada.
- Concentración de productos en industrias de alimentos y
medicamentos.

3. Componentes principales de los
evaporadores
 Ebullidor tubular: es donde ocurre el proceso
de ebullición del disolvente producto del calor Vapor
transferido por el calor latente. Geralmente
consta de un haz de tubos por donde circula la
solución a concentrar y una carcasa donde circula
Vapor de
el calor latente.
agua Separador
 Separador líquido - líquido: es donde la mezcla
líquido – vapor proveniente del ebullidor es
Ebullidor
separada, obteniendo el líquido concentrado y la
fase vapor. El separador es diseñado para evitar el
arrastre de líquido concentrado en la corriente de
vapor.
Condensado
 Área de circulación del medio de
calentamiento: vapor, electricidad, etc.
Alimentación Disolución
(disolución concentrada
diluida)

4. Factores que afectan a la velocidad de
evaporación
1. Diferencia de temperatura entre el vapor de calentamiento y el alimento (Tv– Ts).
- Ts varia durante el proceso, puesto que al concentrarse el alimento aumenta su punto de
ebullición.
- La diferencia de temperatura aumenta al operar en vacío.
2. Área de intercambio (A)
- Tipo de equipo (geometría).
- Depósito de residuos en la superficie de intercambio.
(desmineralización de proteínas, depósito de polisacáridos, etc.).
3. Coeficiente global de transferencia de calor (U)
- Propiedades físicas de los fluidos (vapor de calentamiento y alimento) y conductividad
térmica del material de la pared.
- Tipo del equipo (geometría).
- Régimen de flujo (espesor capa convectiva).

5. Factores que afectan a la velocidad de
evaporación
4. Propiedades del alimento
- Viscosidad: a mayor viscosidad menor velocidad de circulación y menores coeficientes de
transmisión de calor. La viscosidad aumenta con la concentración del alimento.
- Sensibilidad a la temperatura: las temperaturas de operación deberán ser bajas (operación
en vacío) y los tiempos de residencia cortos (evaporadores de película delgada).
- Formación de espumas: aumenta en la operación bajo vacío y reduce la transferencia de
calor. Se usan equipos con dispositivos mecánicos de rotura de espumas.
- Resistencia a la corrosión: equipos de acero inoxidable y de circulación forzada.

6. Criterios de selección de
evaporadores
Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta
una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que
tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y
calidad del producto.

7. Balances de materia y energía
Vapor
E, TE , PE , HE
(hacia el condensador)
Alimentación Tubos de intercambio
F, xF , TF , hF de calor
Vapor de agua
V, TV , PV , HV
Condensado
C, PC , TC , hC
Producto
concentrado
S, xS , TS , hS
Balance de materia global: F = E + S ; V + F = C + E + S
Balance de materia por componente (soluto): xF.F = xS.S
Balance de energía: V.HV + F.hF = C.hC + E.HE + S.hS Q = V.HV - C.hC = V.(HV - hC) = U.A. ∆T
Donde Q es el caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador

8. Transmisión de calor
El caudal de calor transmitido Q en el evaporador, puede darse a través de
la ecuación de transmisión de calor, que se expresa de la forma siguiente:
Q  U . A . T
Donde:
U = Coeficiente global de transmisión de calor. Está basado en el área
superficial externa, puede determinarse de manera experimental o
encontrarse tabulado en tablas de referencia. Se ha demostrado que el
mismo depende de las propiedades de la solución, el medio de
calentamiento, la geometría y el tipo de superficie.
A = Área para la transmisión de calor. Generalmente este valor es fijo e independiente de las condiciones de operación
en evaporadores ya construidos.
∆T = Diferencia entre la temperatura de condensación del vapor de calefacción TV y la temperatura de ebullición del
líquido en la cámara de evaporación. Este parámetro es función de los siguientes factores:
 Las condiciones del vapor de calefacción: en general en estos procesos no se encuentra a presión elevada, se
recomienda presiones bajas para disminuir temperatura de ebullición y en consecuencia el consumo de calor y
costos de equipo son menores.
 La presión de la cámara de evaporación: aconsejable presiones bajas para aumentar gradiente de temperatura
disminuyendo superficie de calefacción; si opera al vacio favorece la economía del proceso.
 La concentración de la disolución: Para disolventes puros, su temperatura de ebullición seria la correspondiente a
la presión que se mantuviera en la cámara de evaporación. Para disoluciones, la presión de vapor de la disolución
es menor que la del disolvente puro; por tanto la temperatura de ebullición de la disolución será mayor que la del
disolvente puro. La diferencia entre ambas se denomina Elevación en el punto de ebullición o Incremento del
punto de ebullición.
 Altura de líquido sobre la superficie de calefacción.

9. Datos entálpicos
Se hace necesario el conocimiento de las entalpías específicas de las corrientes tanto líquidas como vapores que entran y salen
de un evaporador.
 En el caso de la corriente esté constituida por un componente puro por ejemplo: V, C y E, normalmente son corrientes de
vapor de calefacción, de agua líquida y de vapor de agua generado, las entalpías específicas se pueden encontrar fácilmente en
la bibliografía (tablas de vapor de agua).
 Cuando las corrientes están constituidas por más de un componente se requiere la determinación experimental de las
mismas, estás pueden darse en forma gráfica como se observa en el gráfico A; mientras el gráfico B representa el conocido
diagrama de Duhring.
 En caso de no disponer de los datos experimentales, no queda más remedio que la simplificación en los cálculos para la
determinación de las entalpías específicas de las disoluciones, a partir de los componentes de las mismas.
Entalpía Punto de ebullición
KJ/Kg dis disolución (°C)
200°C
180°C
150°C
100°C
Concentración Punto de ebullición del
(% peso) disolvente (°C)
Grafico A. Diagrama entalpía – concentración para una Grafico B. Diagrama de Duhring para una disolución
disolución

10. Balance entálpicos
Caso 1. Si el calor de dilución es despreciable
Cuando los calores de disolución y cristalización son despreciables, la entalpía de la alimentación y la
disolución concentrada, hF y hS, pueden calcularse a partir de los calores específicos, tomando una
temperatura de referencia.
hF  Cp F .(TF  Tref )
El líquido concentrado y el vapor que sale de la cámara de evaporación están en equilibrio, y si la disolución
no tiene aumento apreciable en el punto de ebullición estarán ambos a la misma temperatura TL. La entalpía
del vapor que sale de la cámara de vapor, Hv, será igual al calor latente de vaporización de la disolución a la
temperatura TS.
El calor especifico de las disoluciones cuyo calor de mezcla es despreciable se puede determinar, para una
concentración x, si se conoce para otra concentración xo, considerando que el calor especifico es función
lineal de la concentración:
Cp  1  (1  Cpo ).( x / xo )
Caso 2. Si el calor de dilución es apreciable
En este caso la entalpía no varia linealmente con la concentración a temperatura constante, y estas deben
determinarse con la ayuda de datos tabulados o mediante diagramas de entalpía – concentración. Como la
disolución tiene aumento apreciable en el punto de ebullición, el vapor procedente de la disolución es vapor
sobrecalentado y su entalpía será el calor latente a TS - IPE, mas el aumento de entalpía debido al
sobrecalentamiento. Ese incremento puede determinarse con la utilización del Diagrama de Duhring.

11. Sistemas de múltiples efectos
El principio en que se fundamenta el sistema de múltiple
efecto es el siguiente:
 En vapor que se genera en un efecto se utiliza como
vapor de calefacción para el siguiente efecto.
 Teniendo en cuenta el tipo de circulación, se puede
organizar de la forma siguiente: a) directa o co-corriente;
b) en contracorriente; c) mixto; y d) con alimentación
independiente
-En el caso a) las corrientes de vapores generadas siguen
la misma dirección que las corrientes de líquidos
alimentados a los respectivos evaporadores.
- En el caso b) las corrientes de vapores generados siguen
direcciones contrarias.
- En el caso c) participa tanto el caso a y b.
- En el caso d) cada evaporador se alimenta independientemente.

12. Esquemas simplificados para sistemas de
múltiple efecto

13. Cristalización
Operación de transferencia de materia en la que se
produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a
partir de una fase homogénea (soluto en disolución o en
un fundido).
La cristalización puede llevarse a cabo por enfriamiento, por
evaporación o por ambos medios a la vez y tiene gran
importancia en la preparación de productos puros. Destaca
sobre otros procesos de separación por su potencial para
combinar purificación y producción de partículas en un
solo proceso.
El proceso está basado principalmente en la concentración de
sustancias para proporcionar un producto que tenga uniformidad en
la forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y fuerza.

14. Aplicaciones industriales
 Se utilizan para producir un producto puro de acuerdo con su composición y este se
encuentra en forma de cristales, como por ejemplo: azúcar, sal común, etc.
 Los productos sólidos son más fáciles de
comercializar por lo que se hace necesario contar
con un buen equipo de cristalización.
 Los cristalizadores proporcionan un producto
de alta concentración en formar sólidos.
 Se pueden usar para separar un solvente de
una disolución y aprovechar tanto el disolvente
como el soluto.

15. Tipo de cristales
Un cristal puede ser definido como un sólido compuesto de átomos arreglados en orden, en un
modelo de tipo repetitivo. La distancia interatómica en un cristal de cualquier material definido
es constante y es una característica del material.
La forma geométrica de los cristales es una de las características de cada sal pura o compuesto
químico, por lo que la ciencia que estudia los cristales en general, la cristalografía, los ha
clasificado en siete sistemas universales de cristalización:
 Sistema Cúbico
Las sustancias que cristalizan bajo este sistema forman cristales de
forma cúbica, los cuales se pueden definir como cuerpos en el espacio
que manifiestan tres ejes iguales que forman ángulos rectos entre si. A
esta familia pertenecen los cristales de oro, plata, diamante, cloruro de
sodio, etc.
 Sistema Tetragonal
Estos cristales forman cuerpos con tres ejes en el espacio en ángulo
recto, con dos de sus segmentos de igual magnitud, hexaedros con
cuatro caras iguales, representados por los cristales de oxido de
estaño.

16. Tipo de cristales
 Sistema Ortorrómbico
Presentan tres ejes en ángulo recto pero ninguno de sus lados o segmentos
son iguales, formando hexaedros con tres pares de caras iguales pero
diferentes entre par y par, representados por los cristales de azufre, nitrato
de potasio, sulfato de bario, etc.
 Sistema Monoclínico
Presentan tres ejes en el espacio, pero sólo dos en ángulo recto,
con ningún segmento igual, como es el caso del bórax y de la
sacarosa.
 Sistema Triclínico
Presentan tres ejes en el espacio, ninguno en ángulo recto, con ningún
segmento igual, formando cristales ahusados como agujas, como es el caso
de la cafeína.

17. Tipo de cristales
 Sistema Hexagonal
Presentan cuatro ejes en el espacio, tres de los cuales son coplanares
en ángulo de 60°, formando un hexágono bencénico y el cuarto en
ángulo recto, como son los cristales de zinc, cuarzo, magnesio, cadmio,
etc.
 Sistema Romboédrico
Presentan tres ejes de similar ángulo entre si, pero ninguno es
recto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsénico,
bismuto y carbonato de calcio y mármol.

18. Solubilidad de equilibrio en cristalización
El equilibrio en la cristalización de cualquier sistema puede ser definido en términos de su curva de
solubilidad o saturación y sobresaturación. La curva de solubilidad describe el equilibrio entre el soluto y el
solvente y representa las condiciones bajo las cuales el soluto cristaliza y el licor madre coexiste en
equilibrio termodinámico.
Muchos manuales de química incluyen tablas de solubilidad. En la figura que se muestra se incluyen la curva
de solubilidad de algunas sales típicas. En general, la solubilidad de la mayoría de las sales aumenta ligera o
notablemente al aumentar la temperatura.

19. Solubilidad de equilibrio en cristalización
Las curvas de saturación y sobresaturación dividen el campo de concentración-temperatura en tres zonas:
 La región insaturada, a la derecha de la curva de saturación.
 La región metaestable, entre las dos curvas.
 La región sobresaturada o lábil, a la izquierda de la curva de sobresaturación.
Un típico diagrama de equilibrio en cristalización se muestra en la figura debajo:

20. Balance de materia
Disolvente:
E, xE,HE
Cristales:
Disolvente: W C, xC, hC
Alimentación: Magma:
F, xF, TF, hF M, TM, hM
Cristalizador
Soluto: Y Disolución
saturada:
S, xS, hS
Q
Balance por componente (solvente): Balance por componente (soluto):
Balance de materia global: F = E + (S+C) XF .F = XE.E + XS.S + XC.C F.(1 –XF) = S.(1 –XF ) + C.(1 –XC)
Balance de energía: F.hF = M.hM + E.hE + Q Q = F.(hF - hS) + C.(hS – hC) + E.(HE – hS)
Nota: XC depende si hay una solución híbrida

21. Una vez estudiada esta unidad, es momento de demostrar que
tanto aprendistes:
1. Se ha de concentrar una solución de soda caústica de 10% hasta 60%,
la alimentación a 80 C entra a razón de 17 Lb/s si se utiliza un
evaporador de 3 efectos alimentado con vapor de agua a 3atm abs como
medio de calentamiento. La temperatura en el último efecto será 100 F,
considerando flujo de alimentación directa, U1 = 700 BTU/h.ft2. F, U2 =
1000 BTU/h.ft2. F, U3 = 800 BTU/h.ft2. F. Determinar el área de cada
evaporador, flujo de vapor alimentado al sistema y economía del
proceso.
2. Una corriente que contiene 47Lb de sulfato de hierro (FeSO4) por 100Lb de agua (H20) se alimenta a un
cristalizador a razón de 10.000Lb a 130 F para ser enfriada a 80 F, lo cual permite la formación de cristales
de sulfato de hierro hextahidratado, la solubilidad de la sal es 30,5Lb de sulfato de hierro por 100Lb de
agua, la capacidad calorífica promedio de la alimentación es 0,7 BTU/Lb. F , el calor de disolución a 18 C es -
4,4Kcal/gmol de sulfato de hierro hextahidratado. Calcule el rendimiento de los cristales y la cantidad de
calor asociada al proceso.