Evaporadores

A continuación, explicaremos uno de los equipos más esenciales dentro del mundo de las Operaciones Unitarias: los evaporadores. Si te has preguntado cómo la industria concentra soluciones, elimina agua de mezclas líquidas o prepara productos para etapas posteriores como cristalización o secado, este es el punto de partida ideal

Antes de empezar, te sugerimos observar el siguiente vídeo...

1. DEFINICIÓN DEL EVAPORADOR

Es un aparato que hace posible la transformación de un líquido en vapor, con la finalidad de separar, concentrar, enfriar o eliminar la humedad en distintos procesos productivos. 

• Función: Transferir calor haciendo que el líquido se caliente hasta que parte de él se convierte en vapor, dejando atrás lo que no se evapora.

Además estos equipos no actúan solos: forman parte de un sistema más amplio que incluye compresores, condensadores, intercambiadores de calor, etc. Además, dependiendo de la aplicación, el evaporador debe aguantar ciertas condiciones (temperatura, presión, tipos de líquido) sin fallar.

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1.1. Componentes Básicos del Evaporador

Los evaporadores industriales constan de los siguientes componentes nombrados a continuación:

• Intercambiador de Calor. Equipo (de placas o comúnmente, tubular) que suministra a una solución el calor sensible para alcanzar su punto de ebullición y el calor latente para vaporizarla, concentrándola. 

En su configuración tubular típica, llamada calandria, el fluido calefactor (vapor o gases) circula por la carcasa (exterior de los tubos), mientras que la solución a procesar fluye por el interior de los tubos.

• Cámara de Evaporación. La cámara de evaporación es el espacio donde ocurre la separación física entre el vapor generado y el líquido concentrado. Su diseño busca minimizar el arrastre de gotas líquidas hacia el vapor, lo que se logra mediante una adecuada altura y dispositivos internos que favorecen la separación. En esta zona, la presión y temperatura se controlan cuidadosamente para mantener la ebullición estable y evitar formación excesiva de espuma.

• Cámara de Condensación. La cascarilla es la envoltura externa del intercambiador donde circula el vapor de calefacción. Su función principal es proporcionar una superficie donde el vapor pueda condensarse, liberando su calor latente hacia el líquido en los tubos. Este proceso debe ocurrir sin pérdidas significativas de energía, por lo que la cascarilla se diseña para soportar presiones y temperaturas específicas.

• Separador de Vapor-Líquido. El separador es esencial para garantizar la pureza del vapor producido, evitando que partículas líquidas sean arrastradas hacia etapas posteriores o hacia el sistema de condensación. Este componente utiliza principios de gravedad, cambio brusco de dirección y, en algunos casos, ciclones internos para separar las fases. 

  

• Sistema de Circulación. El sistema de circulación determina cómo se mueve el líquido dentro del evaporador, lo que influye directamente en la transferencia de calor y en la prevención de incrustaciones. En circulación natural, el movimiento se genera por diferencias de densidad entre el líquido caliente y frío, mientras que en circulación forzada se emplean bombas para mantener un flujo constante y turbulento. 

1.2. Factores de Procesos

• Diferencia de temperatura (ΔT): Mayor ΔT entre vapor y líquido mejora el calor transferido.

• Coeficiente de transferencia de calor (U): Disminuye con incrustaciones, baja turbulencia o alta viscosidad.

• Elevación del punto de ebullición (BPE): Modifica la ΔT efectiva y el diseño térmico.

• Viscosidad y concentración del licor: Incremento de concentración aumenta viscosidad, reduce transferencia y puede causar incrustaciones. 

• Número de efectos: En sistemas multiproceso, reutilizar vapor mejora eficiencia energética.

• Circulación (natural vs. forzada): Aumenta turbulencia y reduce capa límite térmica.

• Fouling e incrustaciones: Afectan la transferencia de calor y requieren limpieza.

2. ESQUEMA

1. Alimentación: Solución diluida ingresa al haz de tubos o placa.
2. Calefacción: Vapor de calor fluye por la cascarilla o lado caliente, condensa liberando energía calorífica.
3. Evaporación: El calor latente hace hervir la solución, produciendo vapor y concentrado.
4. Separación: La mezcla vapor-líquido pasa a un separador; el vapor puro se extrae, el concentrado se recoge.
5. Reutilización (en efectos múltiples): El vapor del efecto anterior alimenta el siguiente, optimizando energía.
6. Descarga: El licor concentrado se envía para su uso o procesamiento adicional; el vapor se condensa o se emplea en otros procesos.

3. CLASIFICACIÓN

3.1. Según su Arreglo de Etapas 

Los evaporadores se clasifican según su configuración o arreglo de etapas de evaporación para mejorar la eficiencia energética:

I. Efecto Simple. Los evaporadores de efecto simple son adecuados para capacidades bajas o cuando el vapor es económico. En operaciones de gran capacidad, los sistemas de múltiples efectos reducen significativamente el costo de vapor. En estos sistemas, el producto concentrado y el vapor están en equilibrio térmico con la solución en ebullición a su presión de vapor. 

II. Efecto Múltiple.  Estos consisten en varios evaporadores de efecto simple conectados en serie, donde la solución se concentra progresivamente al pasar de un efecto al siguiente. Pueden operar en un amplio rango de concentraciones, pero no son recomendables para líquidos termosensibles debido a repetidos contactos con superficies calientes. 

Su modo de circulación puede ser adaptado por medio de varios mecanismos, observa el esquema realizado por el equipo:

3.2. Según su Circulación

Asimismo, se pueden categorizar según el tipo de circulación dentro del sistema:

I. Circulación Natural. En estos evaporadores, la ebullición de la solución se efectúa por debajo del nivel de la solución o dentro de los tubos por donde circula la solución. La solución circula en forma natural por la diferencia de densidades de la solución y diferencia de temperaturas entre el vapor de calentamiento y ebullición de la solución.

Este evaporador  permite que la solución se concentre al hervir dentro de los tubos de la calandria, mientras una parte se recircula y otra pequeña se extrae como concentrado. La alimentación diluida ingresa por el espacio de vapor o el fondo de la calandria. 

Para esta categoría existen los siguientes diseños, donde la solución se encuentra dentro de los tubos:

• Tubos cortos verticales (tipo estándar)
• Tubos cortos verticales (tipo canasta)
• Tubos largos verticales

Por otro lado, cuando la solución se encuentra fuera de los tubos, existen:

• Tubos cortos horizontales
• Tubos de serpentín (solución fuera del serpentín)

II. Circulación Forzada. En estos evaporadores la ebullición de la solución no se efectúa dentro de los tubos, y la temperatura se calcula a la presión del espacio de vapor y la concentración final de la solución. 
Una bomba centrífuga recircula la solución a alta velocidad por los tubos, donde se calienta, y al salir se evapora instantáneamente. La recirculación es muy alta (unas 100 veces el flujo de alimentación), y la solución concentrada se extrae antes de la bomba.

Para esta categoría existen los evaporadores donde la solución se encuentra dentro de los tubos:

• Tubos largos verticales

• Tubos largos horizontales 

Además, están aquellos donde la solución está fuera de los tubos:

• Tubos cortos horizontales

• Tubos largos inclinados

III. Evaporador de Película. Para este tipo, la solución hierve dentro de los tubos, pero no poseen carga hidrostática ya que la solución no recircula, sino que pasa una sola vez por los tubos y sale con una concentración final. 

El objetivo de estos evaporadores, es que la solución tenga poco tiempo de contacto con las superficies calefactores, por su poca resistencia a altas temperaturas y viscosidades que desarrollan algunas viscosidades al concentrarse.

Para esta categoría existen los evaporadores donde la solución se encuentra dentro de los tubos:

4. APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA

• Industria de Alimentos y Bebidas. Ayudan a concentran jugos, leche y otros líquidos agrícolas al eliminar agua, facilitando su conservación y transporte. En la industria láctea permiten producir leche condensada y en polvo sin perder nutrientes. Además, en el sector azucarero se usan para concentrar el jugo previo a su cristalización o refinado.

Evaporador de efecto múltiple 

• Químico y Petroquímica. Se usan para concentrar soluciones químicas como álcalis, sales y reactivos mediante la eliminación de agua u otros disolventes. También permiten recuperar disolventes y reducir el volumen de residuos líquidos. Esto facilita su posterior disposición o reutilización en los procesos químicos. 

Evaporadores de circulación forzada 

• Industria Farmacéutica. Se emplean para concentrar principios activos y eliminar disolventes, reduciendo el volumen de las soluciones. Además, permiten obtener productos más manejables y tratar efluentes mediante la separación de sales y la recuperación de agua reutilizable.

Evaporador rotativo 

• Tratamiento de Aguas y Residuos. Las funciones para realizar el tratamiento son reducir el volumen de líquidos residuales, concentrar contaminantes o separar componentes. Esto ayuda tanto a cumplir normativas ambientales como a reducir costes de transporte o disposición. 

 Evaporador en vacío

• Refrigeración Industrial. Mantener cámaras frías, conservar productos perecederos, controlar ambientes de producción son parte de sus funciones. Los evaporadores son parte del ciclo de refrigeración que enfría un espacio. 

Evaporador de refrigeración 

A continuación, un video donde se puede apreciar como se pone en práctica un evaporador en la industria.

 

 

5. CONCLUSIÓN

En conclusión, los evaporadores representan una operación unitaria esencial para la concentración y separación de soluciones líquidas mediante la transferencia controlada de calor. Su desempeño depende del adecuado funcionamiento de sus componentes principales y de variables críticas del proceso (viscosidad, solubilidad, sensibilidad térmica del producto y condiciones de presión y temperatura).

La clasificación de los evaporadores en sistemas de efecto simple, múltiple, circulación natural, circulación forzada y película permite seleccionar configuraciones acordes con las características del fluido y las exigencias operativas. 

Finalmente, su amplio uso en diferentes sectores (alimentos, químico, farmacéutico, etc.) evidencia su relevancia industrial. Los evaporadores contribuyen al incremento de la eficiencia productiva y a la reducción de costos operativos, consolidándose como equipos indispensables en procesos donde la concentración y recuperación de líquidos es un fundamental. 

6. BIBLIOGRAFÍA

Sierra Ochoa, A. (1991). Evaporación en la industria. Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del Instituto Politécnico Nacional. 

Caracciolo Gómez. (2016).  Equipos máquinas e instalaciones industriales. Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda. 

Díaz-Ovalle, C. O., & Jafari, S. M. (2023). Multiple-Effect Evaporators in the Food Industry: Fundamentals, Design, Simulation, Control, and Applications. Food Engineering Reviews. 

Ortolá Ortolá, M. D., Fito Suñer, P., Castro Giráldez, M., & Tomás Egea, J. A. (s. f.). Diseño de un evaporador de simple efecto.

Geankoplis, C. J. (2003). Transport processes and separation process principles (includes unit operations) (4th ed.). Prentice Hall.

McCabe, W., Smith, J. & Harriott, P. (2005). Unit operations of chemical engineering (7th ed.). McGraw-Hill.