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Breve historia de las tecnologías de destilación

Las primeras referencias que se tienen de algo parecido a la destilación o evaporación las encontramos en zonas con escasez de agua del imperio egipcio, donde se hervía agua en calderos y se aprovechaban las gotas que se formaban en las tapaderas para ser bebidas.

La primera tecnología de destilación conocida son los alambiques y sus primeros usos documentados fueron de tipo alquímico, es decir, se utilizaban para intentar conseguir transformar elementos químicos en otros más valiosos. Obviamente esta aplicación carecía de base científica y no fue hasta años más tarde cuando se empezó a utilizar para separa elementos químicos disueltos en el agua y en la elaboración de recetas.

La primera de las grandes revoluciones llegó en el siglo VIII cuando Abu Mussah-al-Sofi describió por primera vez métodos más avanzados de evaporación, así como otras técnicas de separación como la filtración o la sublimación. Durante estos años también se trabajo en la mejora de los materiales con que se fabricaban los aparatos.

Esto provocó una gran mejora en la fabricación de perfumes y alcoholes, como fue el caso de la destilación de agua de rosas mediante arrastre con vapor.

Durante el resto de la edad media se tiene constancia de la destilación de alcohol, ácido nítrico y otros productos en grandes centros de conocimiento, como monasterios y algunos centros estudiantiles de grandes ciudades de la vieja Europa. Sin embargo, en lugares como El Cairo la destilación y almacenamiento de gasolina fueron llevados a cabo durante el siglo XI, lo cual supone que debían existir técnicas depuradas y aplicadas a gran escala como hornos de galería, materiales refractorios y refrigeradores de gran eficiencia.

Ya pasada la edad media, se desarrolló el serpentín alrededor de un tubo por el que pasaba el vapor a condensar, lo cual permitió recuperar líquidos de bajo punto de ebullición y producir alcohol 96% a gran escala, dando también lugar a la aparición de licores de alta graduación. La posibilidad de generar alcohol y ácidos a gran escala hizo evolucioinar el mundo de la química y se estudiaron las propiedades de ácidos, bases, disolventes orgánicos y otro tipo de compuestos.

Durante la revolución industrial se empleó por primera vez el vapor de agua para transmitir calor a otros cuerpos, gracias a los descubrimientos de Rumford, lo cual permite obtener gas inflamable a partir del carbón y también benceno a partir del alquitrán. El 1856 se instalan las primeras plantas de destilación de alquitrán de Hulla.

La mejora de la calidad y resistencia de materiales como el vidrio y el metal durante el siglo XIX permite el desarrollo de mejores tecnologías de destilación, así como la aparición de las primeras columnas de rectificación de funcionamiento continuo.

Aunque sin duda, la gran aportación de esta época es el perfeccionamiento de las técnicas de refinado de petróleo, lo cual da lugar a la obtención de lubricantes, combustibles, parafinas, asfalto, etc. gracias a técnicas de destilación.

En los inicios del siglo XX las tecnologías continúan mejorando dando lugar a sistemas como el cracking, utilizado por primera vez en 1936.

A mediados de siglo comienza el estudio de la separación por destilación de mezclas multicomponenetes, así como el perfeccionamiento de la separación de mezclas azeótropas, que acaba dando como resultado la obtención de productos prácticamente puros mediante destilación, rectificación y fraccionamiento en la década de los 80.

En estas últimas décadas las aplicaciones de la evaporación se han multiplicado, convirtiéndola en una tecnología apta para el tratamiento de aguas, recuperación de solutos y purificación de líquidos, entre otras.

Procesos térmicos para el tratamiento de aguas residuales: tipos de evaporadores al vacío

Los procesos de separación térmica se utilizan principalmente para la desalación, concentración, recuperación y/o eliminación de productos o contaminantes.

El objetivo habitual de la separación térmica es la eliminación de impurezas que se encuentran disueltas en el agua y que hacen que esta no pueda ser reaprovechada o devuelta a un medio natural.

Así, la separación mediante evaporación al vacío tiene la función de separar el agua entrante en dos partes: una parte con un agua con baja concentración de contaminantes en disolución y otra parte con un condensado líquido con un elevado contenido de los mismos contaminantes.

Para ello el agua es transformada en vapor, separándola en ese momento de los materiales contaminantes que se encuentraan disueltos en ella, y se transporta dicho vapor a una camara donde se refrigera para volver a concentrar el agua ya libre de contaminantes.

Este proceso se basa en la relativamente baja volatilidad de las sales frente al agua. Gracias a la evaporación se pueden eliminar sustancias como los sólidos disueltos, pero no sirve para separar del agua otros compuestos que tengan un punto de ebullición similar o cercano al del agua, como podría ser el alcohol.

Los diferentes tipos de evaporación al vacío que podemos encontrar son:

La evaporación multietapa es muy utilizada en el ámbito industrial y consiste en calentar el líquido alimento en un recipiente y acto seguido conducir el agua por un sistema de tuberías de calentamiento en el que parte del agua pasa a ser vapor. Después pasa a otro recipiente en el cual la presión y temperatura son tales que una parte del agua caliente pasa súbitamente a vapor dejando en forma líquida un remanente concentrado que pasa a alimentar la siguiente etapa.

Tras esto se deja enfriar el vapor hasta que vuelve a licuarse y entonces se recoge libre de impurezas. A continuación se repite el proceso en otra etapa. Tras una serie determinada de etapas, se consigue agua que se ha destilado repetidas veces de manera muy rápida y que, por ello, continene muy poca cantidad de contaminantes disueltos.

Este tipo de evaporación opera a temperaturas entre 90º y 120º.

La evaporación por efectos múltiples consiste en calentar el agua alimento mediante el aprovechamiento del calor residual de aguas ya tratadas y conducirla hasta una serie de tanques a los que llega caliente pero todavía en estado líquido. En estos tanques el agua se distribuye en películas finas a fin de facilitar la evaporación a base de reducir la presión. El fenómeno de reducción progresiva de la presión permite que el agua alimento sufra procesos de licuefacción y evaporación continuamente sin necesidad de ir añadiendo calor al sistema.

Estos procesos trabajan a temperaturas entorno a los 70º.

La evaporación por compresión de vapor consiste en la evaporación del agua a base de suministrarle calor procedente de la compresión de vapor, en vez de transmitir el calor mediante contacto directo con un cuerpo sólido caliente. Este tipo de plantas se diseñan para que funcionen reduciendo el punto de ebullición del agua mediante disminución de la presión.

El compresor crea vacío en un extremo de un recipiente por donde extrae el vapor de agua formado, pero por el otro extremo comprime dicho vapor formado y lo condensa en el interior de unos tubos. El agua cae sobre estos tubos calientes y se evapora. Posteriormente, mediante compresión del vapor y puesta en contacto de este con el agua alimento, se logra la evaporación del agua y la eliminación de las sales en una salmuera muy concentrada.

Tratamiento de aguas residuales industriales

Procesos térmicos para el tratamiento de aguas residuales industriales: la evaporación al vacío

tratamiento de aguas residuales industriales

tratamiento de aguas residuales industriales: wadest 3000-4000

La destilación térmica consiste en la separación de dos o más líquidos que se encuentran mezclados o de un soluto y su disolvente, mediante la aplicación de la energía suficiente para provocar la ebullición. Con esta ebullición, los componentes más volátiles de dicha mezcla pasan a estado gaseoso y pueden ser posteriormente condensados a parte de la mezcla inicial.

La separación por evaporación se ha utilizado de manera muy extensa a lo largo del tiempo y ha evolucionado en distintas técnicas que tienen características particulares y diferentes aplicaciones, como son el tratamiento de aguas, tratamiento de aguas residuales, la recuperación de solutos, o la purificación de líquidos, entre otras.

Para lograr el cambio de estado que permite la separación del soluto y el solvente, debe suministrase calor a la mezcla para que la parte líquida se evapore y se separe de la parte sólida. Dicho calor puede ser generado de varias maneras:

  • De forma directa mediante calentamiento de un recipiente que contiene la muestra.
  • De forma indirecta empleando vapor de agua como agente transmisor del calor.

En el segundo caso, que es el de los evaporadores al vacío, se emplea una caldera donde se calienta agua hasta que se evapora y dicho vapor se conduce hasta una cámara donde se transmitirá ese calor a la mezcla que se desea separar.

Por otra parte, para facilitar la evaporación del disolvente se pueden emplear sistemas generadores de vacío, de modo que se someta a la mezcla que se desea separar a presiones inferiores a la atmosférica. Con ello, se logra disminuir la temperatura de ebullición de los líquidos y también aumentar la eficiencia del fenómeno de transferencia de calor en el sistema.

Al plantear la utilización de un proceso térmico de separación para su aplicación sobre una mezcla líquida concreta, deben considerarse los siguientes puntos:

  • La termosensibilidad de la disolución.
  • La potencial corrosión a los materiales.
  • La concentración y otras características físicas.
  • La potencial aparición de incrustaciones.

Respecto a la termosensibilidad de la disolución es destacable la importancia que tiene trabajar a baja temperatura en aquellos casos en los que las propiedades de dicha disolución puedan verse alteradas con la temperatura.

Esto es muy frecuente en los elementos proteínicos, que pueden desnaturalizarse con el aumento de temperatura. La separación por volatilización del disolvente para concentrar el soluto permite la aplicación de vacío para disminuir así la temperatura de volatilización del disolvente y eliminar el riesgo de alteración de las propiedades de la disolución alimento.

La corrosión de los materiales que conforman el evaporador puede aparecer si el líquido alimento es considerablemente agresivo respecto a los materiales en los que se ha construido el evaporador. En la actualidad todos los evaporadores se construyen ya con acero inoxidable, grafito, níquel, cobre y algunas aleaciones de especial resistencia a la corrosión, por lo que el espectro de disoluciones potencialmente tratables por separación térmica es muy amplia.

A concentraciones de soluto muy elevadas, las disoluciones pueden ver alteradas sus características físicas de manera considerable. La conductividad, el punto de ebullición, o la viscosidad son algunas de estas propiedades.

Como resultado de la volatilización del disolvente, la concentración de diluciones puede ocasionar la aparición de incrustaciones provocadas por la cristalización del soluto en las paredes del evaporador. Esto puede provocar una disminución de la eficiencia en funcionamiento de la maquina, por lo que es importante un buen mantenimiento en los casos en que este fenómeno puede aparecer.

Recuperación de metales pesados en efluentes o aguas residuales

Debido a la intensa actividad industrial de nuestro planeta, la concentración de metales en el aire, suelo o agua ha sufrido un gran incremento, con el riesgo que ello conlleva a nivel medioambiental.

La concentración elevada de metales en la naturaleza puede afectar a plantas, animales y seres humanos, aumentando el riesgo de importantes enfermedades a nivel renal y hepático, así como de afectaciones del sistema nervioso o cáncer de piel y pulmón.

Así pues, la eliminación de estos metales disueltos en las aguas de procesos industriales es imprescindible antes de su vertido o su reutilización para otros usos.

De entre las distintas tecnologías disponibles, la destilación mediante evaporación al vacío supone la opción más efectiva para la recuperación de aguas contaminadas con iones de materiales pesados, en concreto mediante la destilación con evaporadores al vacío de película descendente.

Gracias a los evaporadores al vacío se obtienen unos resultados de recuperación de agua libre de impurezas superiores a otras tecnologías de tratamiento de efluentes, como pueden ser las membranas, el intercambio iónico, etc.

Así, tras el proceso de separación térmica se recupera aproximadamente un 90% del agua, totalmente libre de iones metálicos. El 10% de agua restante pasa a formar parte de un concentrado líquido con una altísima densidad de iones, que puede ser enviado al gestor de residuos o ser nuevamente tratado, mediante tecnologías de cristalización, permitiendo de esta forma la separación y recuperación de gran parte de los iones metálicos, que pueden ser reaprovechados como materia prima.

Por otra parte, la evaporación al vacío también puede ser la opción más económica para industrias con caudales elevados, ya que a pesar de suponer una inversión mayor en el corto plazo, a la larga va a derivar en importantes ahorros en los costes del gestor de residuos y en una mayor eficiencia energética que otras tecnologías de tratamiento.

A continuación, os dejamos un enlace para descargar la tesis doctoral de Nicolás Laguarda Mirò, titulada “Evaluación del rendimiento de recuperación de vertidos contaminados por iones de metales pesados mediante técnicas evaporativas. Análisis energético y económico”, en la que se detalla de forma exhaustiva las ventajas competitivas de la evaporación al vacío para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con iones metálicos.

Evaluación del rendimiento de recuperación de vertidos contaminados por iones de metales pesados mediante técnicas evaporativas. Análisis energético y económico