Evaporacion de La Leche

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA

PROCESO DE EVAPORACION AL VACIO EN UN EVAPORADOR DE PELICULA DESCENDENTE

Materia: Docente: Auxiliar: Integrantes del equipo 1:

Laboratorio de Termodinámica Ing. Jose Roberto Soto Soliz Univ. Sergio Campoverde Angulo Mamani Maria Talia Camacho Montaño Giovana Escalera Acha Andreina Escobar Bernal Danitza Giovana Garcia Sejas Jhonatan Joel Mamani Chambi Yesenia Siles Laura Maribel

Fecha:

11 / 05 / 2018 COCHABAMBA - BOLIVIA

Carrera: Ing. Química Ing. Química Ing. Química Ing. Química Ing. Química Ing. Química Ing. Química

PROCESO DE EVAPORACIÓN AL VACIO EN UN EVAPORADOR DE PELICULA DESCENDENTE 1. Introducción La evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. Se entiende por evaporación aquella operación que tiene por objeto concentrar una solución evaporando parte del líquido en recipientes calentados frecuentemente con vapor de agua. La evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido a veces altamente viscoso en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y, aun cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y no en formar y obtener cristales. La mayoría de las aplicaciones de la tecnología también producen una alta calidad de destilado, que puede ser reutilizado. Durante la evaporación una solución se concentra cuando se vaporiza una parte del disolvente, normalmente agua, generando un licor de solución salina que contiene prácticamente la totalidad de los sólidos disueltos, o soluto, presentes en la alimentación original. El proceso de evaporación es generado por calor transferido desde el vapor de condensación a una solución a una temperatura inferior a través de una superficie metálica de transferencia de calor. El calor absorbido causa la vaporización del disolvente, normalmente agua, y un aumento en la concentración de soluto. El vapor resultante puede ser ventilado a la atmósfera, o condensado para su reutilización. La evaporación consiste en la separación, mediante ebullición, un disolvente volátil de uno o varios solutos no volátiles, con los que se encuentra mezclado formando una disolución o suspensión. En la inmensa mayoría de las evaporaciones el disolvente es el agua. Esta operación involucra principalmente la transferencia de calor en intercambiadores de calor del vapor de agua a la solución, por lo general el vapor es de baja presión. Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. Los evaporadores al vacío por compresión mecánica del vapor y de película descendente son adecuados para volúmenes de hasta 4.000 litros/hora por unidad modular. Son evaporadores que, gracias a su separador de alto rendimiento no generan prácticamente espuma. La división interior en las zonas calientes y frías reduce el desgaste de los equipos de control y regulación. Los evaporadores al vacío de película descendente son una tecnología muy eficiente para la obtención de agua de gran calidad a partir de un efluente con una concentración de contaminantes elevada. Los evaporadores de película descendente utilizan energía térmica, pero al operar en condiciones de vacío la temperatura de ebullición se reduce, por lo que se disminuye también el consumo energético.

2. Objetivos 2.1 Objetivo General 

Obtener leche evaporada mediante un proceso de evaporación al vacío de película descendente.

2.2 Objetivos Específicos    

Realizar un seguimiento del funcionamiento del evaporador al vació del película descendente. Realizar balances de energía y masa en componentes: evaporador, calefactor y condensador. Obtener el rendimiento de la leche evaporada. Hallar la eficiencia del evaporador con respecto al calefactor.

3. Marco teórico La leche es una secreción nutritiva de color blanquecino opaco producida por las células secretoras de las glándulas mamarias de las hembras de los mamíferos. La leche está compuesta principalmente por agua, iones (sal, minerales), glúcidos (lactosa), materia grasa y proteínas. Leche light Es un producto elaborado con leche semidescremada fresca y controlada y seleccionad, la leche es homogenizada, ultrapasteurizada (UHT) y enriquecida con vitamina A, D3 y E.

Información nutricional aproximada por 100 ml de producto Nutriente Aporte energético Proteína Grasa total Carbohidratos totales Vitamina A Vitamina D Vitamina E Calcio

Descripción Kcal g g g mg mg mg mg

Cantidad 39,0 3,0 1,0 4,5 57,0 0,9 0,9 118,0

Leche evaporada La leche evaporada es un concentrado de leche que soporta grandes periodos de almacenamiento debido a la vaporación de un 60% del agua existente en la leche cruda. En la actualidad este producto se emplea en la repostería casera. El periodo de almacenamiento de la leche evaporada puede ir desde semanas hasta meses dependiendo de los procesos, su contenido añadido y la porción de grasa, y de la marca de producto.

Actividad acuosa y estabilidad de alimentos La reducción del contenido de agua y más precisamente de la disponibilidad de ésta permite mejorar la estabilidad de los alimentos. La actividad acuosa o Aw puede considerarse una aproximación a la disponibilidad de agua. Se define como el cociente entre la presión de vapor de equilibrio del alimento y la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura (PVAlim/PVH2O). Toma valores que oscilan entre 0 y 1. A continuación se muestran valores de actividad acuosa de diferentes alimentos: Tabla 1: Actividad acuosa de diferentes alimentos

La actividad acuosa es un parámetro de gran importancia porque muestra mejor asociación que el contenido de agua con la velocidad a la que ocurren diferentes reacciones vinculadas con el deterioro de los alimentos:

Figura 1: Velocidad de diferentes procesos vinculados con el deterioro de los alimentos en función de la actividad acuosa. Evaporación Se comprende por evaporación, a la operación unitaria, en la cual se lleva a cabo el aumento de concentración de una solución de un líquido, que se denomina solvente, y uno o varios solutos sólidos disueltos en dicho solvente, los cuales son prácticamente no volátiles a la

temperatura de operación, la cual es la temperatura de ebullición del solvente, a la presión de operación. Esta separación se realiza por medio de la adición de calor a la solución, para llevarla a la temperatura de ebullición, de modo que el solvente se volatilice y los solutos permanezcan en la solución, de modo que aumente la concentración de los mismos. La forma más usual, en la cual se adiciona calor a un sistema de evaporación, es la condensación de vapor de agua de un lado de alguna superficie de contacto, de modo que el calor de la condensación o latente, que es mucho mayor que el calor requerido para el aumento de temperatura de la solución, o calor sensible, se transfiera por medio de la conducción a través de la pared y la convección en el seno del líquido. La forma en que se transfiera la energía depende en gran parte en la disposición física del equipo a utilizar, de esta cuenta, existen diversos tipos de evaporadores. Evaporador de película descendente: Permiten que los materiales muy sensibles al calor soporten un mínimo de exposición a la superficie caliente, también son buenos para la concentración de productos viscosos. Los evaporadores de película descendente pueden ser operados con diferenciales de temperaturas muy bajos entre el medio de calentamiento y el líquido a evaporar y además, tienen tiempos de contacto con el producto muy cortos. Estas características hacen al evaporador de película descendente especialmente adecuado para productos sensibles al calor. Características del evaporador de película descendente Tiene unidades de tratamiento de calor de contacto directo ajustable y controlable. Tiene el menor tiempo de residencia posible, gracias a la presencia de una película fina en la longitud de tubo. Los sistemas de distribución de líquidos son especialmente diseñados para asegurar una cubierta correcta de tubo. El flujo de vapor es paralelo al del líquido y el arrastre de vapor mejora la transferencia de calor. Un separador ciclónico es adoptado, donde el vapor y el líquido restante son separados. Diseño eficiente del separador. Básicamente el equipo consta de los siguientes circuitos:    

El circuito de alimento El circuito de destilado El circuito de vapor El circuito de vaciado

El circuito de alimento, formado por una bomba dosificadora que introduce el producto en la columna de doble camisa, la cual dispone de sensores de temperatura. La salida del producto se realiza mediante un ciclón colocado a la salida de la columna y es recogido en un deposito graduado de 500ml. Este se conecta a un depósito de 10 L., para almacenaje del producto concentrado, que a su vez está conectado a su depósito de alimento para su recirculación.

El circuito de destilado empieza en la parte superior de la columna, a la cual se le ha acoplado una unión ciclón un medidor de presión y que a su vez esta conecta al ciclón para separar el concentrado de destilado que pasa a través de un refrigerador tipo serpentín. El producto destilado es recogido en un depósito graduado que se conecta con un depósito de recogida de 10 L., Este a su vez está conectado con el depósito de alimento para su recirculación en un proceso continuo. El circuito de vapor, introducido en la camisa externa de la columna, lleva asociada a un medidor de presión para el control de la temperatura d vapor. Este medidor está conectado a un presostato de control de seguridad que se abre o cierra una electroválvula de control de entrada de vapor. El circuito de vaciado esta compuesto de una bomba de vació, una trampa de vació colocada a la salida del refrigerador y una segunda trampa colocada a la salida de ciclón. Equipos utilizados en la evaporación de alimentos Los evaporadores pueden ser continuos o discontinuos. 

Los equipos continuos incluyen intercambiadores de calor tubulares que deben contar con un sistema de remoción del vapor.



Los equipos discontinuos son pailas que constan con un recipiente en el que se coloca el alimento a evaporar y una doble camisa por la que circula vapor que aporta la energía necesaria para el proceso.

Factores que afectan la velocidad de evaporación Durante la evaporación el medio de calefacción aporta al alimento el calor suficiente para que alcance la temperatura de ebullición (calor sensible), una vez alcanzada ésta, el calor latente de vaporización, elimina agua en forma de vapor del seno del líquido. La velocidad de evaporación se halla determinada por la velocidad de transferencia de calor al alimento y la velocidad de transferencia de agua desde el alimento al medio. Por eso preserva las propiedades organolépticas del producto original en el producto procesado. Los factores que afectan la velocidad de transferencia de calor son:  La diferencia de temperatura entre el medio calefaccionante y el alimento (dada por la T del medio calefaccionante y en general la T de ebullición del alimento).  La conductividad térmica del intercambiador dada por el material que lo constituye y por su limpieza ya que la acumulación de residuos reduce la velocidad de transferencia de calor.  La superficie de intercambio.  La existencia de una película superficial estanca. La resistencia a la transmisión de calor puede deberse a la formación de una película. El grosor de esta capa puede disminuirse generando turbulencia por ejemplo por agitación.

4. Esquema y diagrama de equipos 4.1 Esquema del proceso de evaporación al vacío con película descendente Vapor de agua Recepción de leche light

Recalentamiento

Tanques de almacenamiento

Caldero

Evaporador

Separador

Condensador

Leche evaporada

Refrigeración por compresión

4.2 Diagrama del proceso de evaporación al vacío con película descendente

Foto 1: Evaporador de película descendente

Foto 2: Separador

Foto 3: Sistema de refrigeración (Condensadores 1 y 2 y los tanques 1 y 2)

Foto 4: Inyector

Foto 5: Panel de control del inyector

Foto 6: sistema de refrigeración por compresión

Foto 7: Leche recalentada

5. Materiales y procedimiento experimental 5.1 Materiales  Producto: 14 bolsa de 946ml de Leche light  Termómetro  Balanza  Recipientes  Equipo de evaporación al vació de película descendente 5.2 Procedimiento experimental Primeramente se realizó un lavado minucioso del equipo de evaporación. Se realizó el purgado en las distintas llaves de conexión al equipo, luego se procedió a la desinfección al 70% de alcohol. Posteriormente se pesó las 14 bolsas de leche light, para luego ser vaciado a los tanques de almacenamiento. Se realizó el encendido del equipo, para proceder al recalentamiento. La leche al pasar por el recalentamiento se recibió en recipientes para luego pesarlo y nuevamente ser vaciado a los tanques de almacenamiento. Se procedió a realizar el proceso de evaporación de la leche, la cual duro aproximadamente 3 horas. Seguidamente la leche evaporada se recibió en recipientes para luego ser pesada. Se concluyó la práctica con una limpieza general. 6. Datos, cálculos y resultados DATOS : m balde =0.9 Kg mlecheevap +balde =12.35 Kg m lecheevap =m leche +balde −m balde mleche Evap=11.45 Kg V Leche=14 bolsas× 946 mL=13244 mL 

m leche =ρleche ×V

m leche =1.034

g × 13244 mL mL

m lecheinicial =13.69 Kg mH 2 O condensada =11.05 Kg

P|¿|= P

atm

( cbba ) − Pmano¿

P|¿|=565−200¿ P|¿|=365 mmHg ¿ T :80.6 ℃

BALANCE DE MASA: m entrada=mleche evap +m vap . H 2 O

EVAPORADOR 13.69 kg=11.45 kg+ m vap . H 2O mvap . H 2 O=2.24 kg

CONDENSADOR m vap . H 2 O=m condesacion

BALANCE DE ENERGIA: CALEFACTOR: DATOS: T H 2 O=23 ℃ ρ H 2O (23℃ )=997.86 Q=2000

kg m3

L h

QCALF =Q1 × ρ H 2 O × CpH 20 × tiempo × ∆ T Q CALF =2

m3 kg kcal ×997.86 3 ×1 ×3 h ×2 ℃ h kg ℃ m

Q CALF =11974.32 Kcal

EVAPORADOR:

PV =P Atm −P Vacuometro PV =565 mmHg−400 mmHg

PV =165 mmHg Para el Agua A=7.96681 B=1668.21 C=228 T rango=(60−150)℃ ln Pv =A−

B C+T

ln (165)=7.96681−

1668.21 228+T

T =82.11 ℃

Q 1=m leche × CpH 20(l) ׿ Q 1=13.69 kg × 4.184

KJ ×(80.6−23) Kg℃

Q 1=3299.27 KJ →788.52 KCal Q 2=m H 2O (l) ×∆ H V Q 2=11.05 Kg ×2277.3

KJ =25164.165 KJ → 6014.24 Kcal Kg

Q 3=m H 2O (l) ×CpH 20 (v) × ¿ Q 3=11.05 kg ×1.86

KJ ×(82.11−80.6) ℃ Kg℃

Q3=31.03 KJ →7.417 KCal

Q Evap=Q 1 +Q2+ Q3 Q Evap=788.52 KCal+ 6014.24 Kcal+7.417 KCal Q Evap=6810.17 Kcal

η=

Q Evap QCald

η=

6810.17 ×100 11974.32

η=56.87 %

BALANCE DE ENERGIA EN EL CONDENSADOR:

Q 3=m H 2O (v) ×Cp H 20 (v) × ¿ Q 3=2.24 kg ×1.86

KJ ×(80.6−82.11) ℃ Kg℃

Q3=−6.291 KJ →−1.504 KCal

Q 2=m H 2O (v) ×∆ H V Q 2=2.24 Kg ×−2277.3

KJ =−5101.152 KJ →−1219.175 KCal Kg

Q 4 =m H 2 O (l ) ×Cp H 20(l) ׿ Q 4 =11.05 kg × 4.184

KJ ×(20−80.6)℃ Kg℃

Q4 =−2801.74 KJ →−669.62 KCal

QCondensador =Q3+Q 2+Q 4 Q Conde =−1.504 KCal−1219.175 KCal−669.62 KCal QConde =−1890.29 KCal

REFRIGERANTE: H 2O : ETANOL P 20 :80 →140 L P ρ H 2O (25℃ )=0.99713 ρetanol =0.789

ρrefr =ρ etanol × X etanol + ρH 2 O × X H 2 O Kg L

ρrefr =0.789

Kg l

Kg Kg ×0.8+ 0.99713 × 0.2 l l

ρrefr =0.8306

Kg L

v ref =140 L Cpetanol =0.58

KCal Kg ° K ρref =

m → m ref =ρref × v ref v

m ref =0.8306

Kg ×140 L=116.284 Kg L

Para hallar el Cp del refrigerante: Cp= X H 2 O ×CpH 2 O (l )+ X etanol ×Cp etanol Cprefr =0.2 ×1.00 Cprefr =0.664

Hallamos el Q con : ∆ T =−20 T funci =3 h

℃ h

KCal KCal +0.8 × 0.58 Kg ° K Kg° K

KCal Kg° K

Qrefrigeracion=mref ×Cprefr × F r ×T fumcionamiento Q ref =116.284 Kg× 0.664

KCal ℃ ×(−20 )× 3 h Kg° K h

Q ref =−4632.75 KCal

η=

QCond Q Ref

η=

−1890.29 × 100 −4632.75

η=40.80 %

Rendimiento= R=

m leche evap ×100 mleche

11.45 × 100=83.63 13.69

7. Conclusiones Al finalizar el proceso de evaporación al vacio se obtuvo 11.45 Kg de leche evaporada, se obtuvo un rendimiento de 83,63 %. Se aplica el sistema de evaporación al vacío para preservar las propiedades físicas y químicas de la leche y manteniendo sus propiedades nutricionales. Este sistema tiene la ventaja de obtener un producto que permite mayor tiempo de vida del producto. Las eficiencias que encontramos en el evaporador – calefactor nos dio como resultado 58,87% lo cual una de las razones para este rendimiento es que el equipo presenta desgaste de funcionamiento y falta de mantenimiento. El sistema de refrigeración-condensación con un valor de eficiencia de 40,8%,que condenso en un solo tanque de condensación por las bajas propiedades de volatilidad del solvente la eficiencia muestra un valor menor al 50% esto debido a que no se llegó al segundo tanque de condensación ya que si hubiera llegado se obtendría una mayor eficiencia

8. Observaciones y análisis de resultado El alto contenido de grasa en la leche forma incrustaciones en la columna del evaporador por lo cual es recomendable utilizar leche light Se observó que el equipo de evaporación no cumple con las normas sanitarias e higiénicas, por lo cual se recomienda realizar el mantenimiento correspondiente del equipo para posteriores practicas El tiempo que dura el proceso de evaporación de película descendente debe ser considerado ya que si se incrementa se puede obtener menor volumen y mayor eficiencia pero con propiedades de conservación de nutrientes de la leche.

9. Bibliografía https://condorchem.com/es/evaporadores-al-vacio-con-pelicula-desendente/ https://es.sribd.com/com/document/220068298/Evaporadores-de-pelicula-descendete https://es.scribd.om/document/52453345/PROPIEDADES-FISICOQUIMICA-DE-LA-LECHE articulo científico: prediction of ternary vapor-liquid equilibria from binary data autor/tablas de antoine/autor Michael J.Holmes http://es.m.wikipedi.org/wiki/leche-evaporada http://www.pil.andina.com.bo/productos/leche-descremada-light/