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Fundamentos de la evaporación al vacío

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Definición

La evaporación al vacío es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución mediante la eliminación del solvente por ebullición. En este caso, se lleva a cabo a una presión inferior a la atmosférica. Así, la temperatura de ebullición es sustancialmente inferior a la correspondiente a presión atmosférica, lo que conlleva un gran ahorro energético.

La evaporación al vacío supone un gran avance en el tratamiento de efluentes líquidos, permitiendo de forma eficiente, limpia, segura y compacta tratar efluentes que mediantes técnicas fisicoquímicas o biológicas no es viable.

Algunas de las ventajas y posibilidades que presenta la evaporación al vacío:

  • Reducción drástica del volumen de residuo líquido (lo que supone ahorro en gestión de residuos)
  • Concentración de residuos corrosivos o incrustantes
  • Reutilización del agua recuperada
  • Implementación de sistemas de vertido cero
Evaporador al vacio - Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación es una operación controlada únicamente por la velocidad de transferencia de calor

Factores de los que depende la velocidad de evaporación

  1. Diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

    La temperatura de ebullición del líquido a evaporar va aumentando a medida que se va concentrando. No obstante, al operar en condiciones de vacío, la diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar se amplía, ya que la temperatura de ebullición de la mezcla es muy inferior a la correspondiente a presión atmosférica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la velocidad de evaporación.

  2. Área de intercambio

    El área de intercambio efectiva depende de la geometría del equipo y de fenómenos inherentes a la concentración de la disolución, como es el caso de la deposición de sólidos o de incrustaciones sobre la superficie de intercambio. A mayor área, mayor capacidad de intercambio de calor y mayor velocidad de evaporación.

  3. Coeficiente global de transferencia de calor (U)

    Este coeficiente depende de las propiedades físicas de los fluidos que intervienen (agente calefactor y líquido a evaporar), del material de la pared en la que se produce el intercambio de calor, del diseño y geometría del equipo, así como de los parámetros de flujo (velocidades de circulación de los fluidos, etc.). Cuanto más grande sea este coeficiente, mayor facilidad tiene el equipo para intercambiar calor.

  4. Propiedades del líquido a evaporar

    La viscosidad, la posibilidad de formación de espumas, su capacidad de corroer, etc. influyen a la práctica en la velocidad de transferencia de calor.

Parámetros

El parámetro clave del diseño de un evaporador es el área de intercambio necesaria para la evaporación. Para calcular esta área, se deben plantear balances de materia y energía. Para el caso de un evaporador en el que se alimenta una corriente F y se extraen dos corrientes, la de concentrado S y la de destilado E, como el de la figura:

Parámetros de la evaporación en vacío

Parámetros en la evaporación al vacío

Se pueden plantar estos balances de materia y energía:

Balance de materia global

F = E + S
V = C

Balance de materia para el soluto

F x F = S x S

Balances de energía:

V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = U A ΔT

  • Q: caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador.
  • U: el coeficiente global de transferencia de calor.
  • A: el área necesaria para la evaporación
  • ΔT: la diferencia de temperaturas entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

Uno de los elementos que establece diferencias importantes de funcionamiento entre los tipos de evaporadores al vacío es la tecnología que utilizan para calentar el efluente a evaporar, aspecto que determina los costes de operación.

Así, podemos encontrar los siguientes:

Tipos de evaporadores

Los evaporadores al vacío permiten tratar una corriente residual acuosa de forma eficiente, sencilla y sin utilización de reactivos. Son altamente eficaces incluso cuando las tecnologías convencionales no son viables. El hecho de trabajar en condiciones de vacío permite reducir la temperatura de ebullición, por lo que se reduce el consumo energético. Además, se puede concentrar un efluente residual tanto como se desee de forma eficiente y sencilla, llegando a obtener un vertido cero si se requiere.

A modo de resumen cabe destacar que la evaporación al vacío permite el tratamiento de efluentes que por su composición, por sus características o por su complejidad de gestión no pueden ser tratados mediante técnicas fisicoquímicas convencionales. Su consumo energético contenido, hace posible reducir severamente el volumen de residuos, recuperar un gran caudal de agua para su reutilización e incluso implantar un sistema de vertido cero con un coste económico realmente asumible. Permiten obtener más de un 95% de agua limpia y una concentración de residuos, que pueden ser reaprovechados o vendidos como materia prima.

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Evaporadores al vacío por bomba de calor

El funcionamiento de este sistema se basa en el ciclo frigorífico de un gas, el cual se encuentra en un circuito cerrado. El gas frigorífico se comprime mediante la acción de un compresor aumentando su presión y temperatura. Circula a través del intercambiador de calor del propio evaporador, calentando el alimento.

Al trabajar al vacío, la temperatura de ebullición es del orden de 40 ºC. El líquido refrigerante abandona el intercambiador del evaporador y, mediante una válvula de expansión, se descomprime y enfría. Al pasar por un segundo intercambiador de calor, el condensador, hace que el vapor formado en el evaporador condense, a la vez que aumenta su temperatura justo antes de volver a pasar por el compresor y repetir así el ciclo.

El mismo fluido refrigerante permite evaporar el alimento así como condensar el vapor generado, por lo que el sistema no precisa de otras fuentes ni de calor ni de refrigeración. Este hecho hace que sea un proceso muy ventajoso desde el punto de vista económico y de gestión. Cuentan, además, con un bajo coste de mantenimiento y están totalmente automatizadas, y aseguran una calidad constante del destilado al proporcionar una separación total de metales y surfactantes. Estos evaporadores también disponen de un sistema de control de espuma.

Es una tecnología es idónea para tratar caudales no elevados de líquidos corrosivos, incrustantes o viscosos. Su funcionamiento puede suponer un consumo de energía de 130-170 kWh por metro cúbico de destilado. Ofrecen a su vez, una importante reducción de la DQO en el destilado y una baja cantidad del concentrado de descarga.

Evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor

Esta tecnología se basa en la recuperación del calor de condensación del destilado como fuente de calor para evaporar el alimento. Para conseguirlo, la temperatura del vapor generado en la evaporación se incrementa comprimiendo éste mecánicamente. Este vapor comprimido, y por tanto sobrecalentado, al pasar por el intercambiador del propio evaporador, consigue un doble objetivo: (1) calienta el líquido a evaporar y (2) condensa, economizando el uso de un fluido refrigerante.

Un evaporador al vacío por compresión mecánica del vapor está diseñado para el tratamiento eficaz de efluentes residuales industriales de los procesos productivos y rechazos de plantas de tratamiento de aguas residuales con un bajo coste energético. Su elevada eficiencia se debe al uso de una soplante rotativa o compresor de vapor, que permite incrementar el calor latente del mismo por la acción mecánica de compresión volumétrica con un pequeño consumo eléctrico del motor que acciona dicho compresor.

Este calor del vapor comprimido será cedido mediante un intercambiador de calor para calentar el efluente a evaporar y consecuentemente permitirá la condensación del vapor para producir el agua destilada. Al trabajar al vacío, generado por la propia soplante rotativa o mediante la ayuda de una bomba de vacío auxiliar, las temperaturas de ebullición y de vapor van desde los 60 ºC hasta los 90ºC.

A continuación, un breve resumen de las 3 categorías principales de evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor:

  • Evaporadores de circulación natural: Se trata de equipos muy competitivos idóneos para aquellos casos en los que se requiere una baja producción de vapor, 10-120 L/h.

    Estos sistemas  funcionan con energía eléctrica y son de fácil uso y mantenimiento. Además, suponen una excelente inversión debido a su combinación de calidad de destilado, alta tecnología y robustez.

  • Evaporadores de película descendente, o falling film: Son evaporadores de última generación, con sistema de limpieza integrado en el equipo y que pueden llegar a producir hasta 4.000 L/h.

    Gracias a su separador de alto rendimiento no generan prácticamente espuma. Además, la división interior en las zonas calientes y frías reduce el desgaste de los equipos de control y regulación.

    Dispone de un sistema de limpieza integrado y automático en el equipo que garantiza su continua disponibilidad. Todos los parámetros de proceso importantes se visualizan en una pantalla tàctil y su diseño, con grandes puertas en ambos lados, facilita su uso y mantenimiento.

    Se trata de 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.

  • Evaporadores de circulación forzada: Son los equipos por compresión mecánica del vapor con menor consumo energético y los que permiten tratar los mayores caudales (hasta 20.000 L/h).

    Estan especialmente indicados cuando el caudal a tratar acostumbra a ser complejo: sustancias incrustantes, viscosidades, cristalizaciones, aguas salinas (o salmueras), aguas aceitosas, aguas de baños de trabajo, rechazos de ósmosis inversa u otros elementos que impiden llevar a cabo una circulación natural.

    La evaporación al vacío es una tecnología que permite el tratamiento de efluentes complejos que habitualmente son enviados a un gestor externo

    El siguiente vídeo muestra con gran detalle el funcionamiento de un modelo de evaporador al vacío por circulación forzada (Envidest MVR FC), diseñado y fabricado por Condorchem Envitech. Se trata de un sistema eficaz para el tratamiento de una gran diversidad de aguas residuales. Es capaz de producir hasta 2.000 litros/hora de destilado (agua tratada).

    El tanque de la caldera del evaporador se llena al ponerse en marcha la bomba de vacío desde el panel de control principal. Debido a que el sistema esté bajo vacío, permite generar valores cercanos a los 600 milibares (mb) (0.6bar). Una vez que el depósito de la caldera está lleno, se activa la bomba de recirculación y las resistencias eléctricas empiezan a trabajar para alcanzar una temperatura de funcionamiento de 600C (1400F).

    Cuando se alcanza la temperatura de trabajo, las resistencias eléctricas se detienen y debido al vacío del sistema, se alcanzan valores cercanos a los 240 MB (2.4bar) en el depósito de la caldera del evaporador. A partir de este momento el agua residual empieza a evaporarse y la bomba root se activa. Ésta toma el agua residual evaporada desde el depósito de la caldera y la comprime mediante la elevación de la temperatura y la presión de vapor. Luego transfiere el agua residual tratada al intercambiador de placas. En el intercambiador de calor de placas encontramos el agua residual entrante en un lado y en el otro el vapor del agua residual ya tratada.

    Debido a la diferencia de temperatura entre los dos lados de las placas, el agua residual entrante más fría se calienta y el vapor de agua residual pierde calor, volviendo de nuevo a su estado líquido. Este líquido, denominado destilado, sale del intercambiador de calor y se recoge en un depósito de destilado.

    El agua residual entrante, que ahora se ha beneficiado de la transferencia de calor en el intercambiador de calor de placas, fluye hacia el tanque de la caldera del evaporador inicial. A medida que el nivel en el depósito inicial de la caldera va bajando, una válvula de alimentación de entrada se abre para permitir de forma automática la entrada de más agua residual. El destilado que se ha acumulado en el depósito de destilado se descarga a través de una bomba centrífuga. Éste pasa a través de un segundo intercambiador de calor de placas. En el lado contrario de las placas está el agua residual entrante.

    Este intercambiador de calor adicional aumenta aún más la eficiencia del sistema mediante el aumento de la temperatura de las aguas residuales a tratar. También ayuda a enfriar aún más el destilado de la descarga. A medida que el sistema continúa tratando las aguas residuales, aumenta el nivel de concentrado en el depósito de la caldera del evaporador. Dicho depósito se configura de forma que vaya llevando a cabo descargas parciales programadas del concentrado, el cual será devuelto al depósito de suministro de aguas residuales.

Evaporadores al vacío de múltiple efecto

Esta tecnología consiste en un conjunto de evaporadores conectados entre sí en serie en el que el vacío aumenta progresivamente del primero al último. Esto hace que la temperatura de ebullición, en principio, vaya disminuyendo, por lo que es posible utilizar el vapor generado en un evaporador (o efecto) como fluido calefactor del siguiente efecto, produciéndose un efecto cascada. Finalmente, el destilado se condensa mediante una torre de refrigeración, con un consumo de agua poco significativo.

Usan como fuente de energía agua caliente o vapor procedente de un circuito externo, lo cual permite aprovechar flujos residuales sobrantes de calor.

Habitualmente son unidades compuestas por 1 (evaporador simple efecto), 2 (evaporador doble efecto) o 3 (evaporador triple efecto) etapas.

Su principal ventaja respecto a un único evaporador reside en el ahorro tanto de fluido calefactor como de fluido refrigerante. Para tratar caudales elevados, ésta es una de las opciones más competitivas a nivel económico.

El siguiente video presenta una planta de tratamiento de aguas residuales industriales que opera con un evaporador al vacío de múltiple efecto de tres etapas.


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