Factores Clave y Funcionamiento de Evaporadores Industriales

Concentración de la disolución

• Debe existir una circulación y/o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.
• La temperatura de ebullición de una disolución depende de su concentración. A mayor concentración, mayor es la temperatura de ebullición. En concentraciones diluidas, el punto de ebullición es similar al del disolvente puro. Al concentrarse la disolución, el punto de ebullición se diferencia cada vez más del punto del disolvente puro.
• La elevación del punto de ebullición de una disolución concentrada se puede determinar mediante el diagrama de Dühring. Este diagrama permite encontrar el punto de ebullición de una disolución concentrada a partir del valor de la concentración y del punto de ebullición del disolvente puro.
• Una disolución concentrada que llegue a la saturación dará lugar a la formación de cristales que es necesario separar adecuadamente para que no obstruyan el evaporador.

Presión

• Presión Absoluta: Es la presión de un fluido medida con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas. Este término se creó debido a que la presión atmosférica varía con la altitud.
• Presión Atmosférica: Es la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, medida normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a alturas próximas, el valor de la presión es cercano a 101,325 Kpa, disminuyendo estos valores con la altitud.
• Presión Manométrica: Se mide por medio de un manómetro que define la diferencia entre la presión desconocida y la presión atmosférica existente.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Viscosidad

• La viscosidad de una disolución generalmente aumenta con la concentración.
• Los líquidos muy viscosos tienden a reducir la velocidad de circulación, lo que dificulta la transmisión de calor.

Espumas

• La producción de burbujas da lugar a una intensa agitación de la disolución y formación de espumas más o menos persistentes según la naturaleza del producto y su concentración.
• Es habitual cuando se trabaja con sustancias orgánicas.
• Las espumas tienen el inconveniente de que arrastran el producto deseado en forma de gotas junto a los vapores a eliminar.
• Para evitar su formación o para destruirlas se puede recurrir a:
  • Procedimientos mecánicos, haciéndolas chocar contra tabiques deflectores con lo que se rompen.
  • Procedimientos caloríficos, en los que la espuma se deshace al calentarlas por la dilatación que experimentan.
  • Procedimientos de índole físico-química, añadiendo pequeñas cantidades de sustancias modificadoras de la tensión superficial.

Depósitos

• Cuando las disoluciones se saturan debido a la eliminación del disolvente, pueden precipitar sólidos en el interior del evaporador.
• El sólido se va depositando lentamente sobre la superficie de calefacción, dando lugar a incrustaciones que perjudican la transmisión de calor.
• La limpieza de las incrustaciones se realiza deteniendo la marcha de la operación y haciendo trabajar al evaporador con disolventes apropiados o bien se limpia mediante un rascado mecánico.

Funcionamiento de un Evaporador

Un evaporador es un tipo específico de intercambiador de calor en el que entran en contacto dos fluidos, con distinto contenido energético, separados entre ellos a través de una superficie.

A través de dicha superficie se produce una transferencia de energía calorífica desde el agente calefactante (generalmente vapor de agua saturado) hacia la disolución que se desea concentrar.

El vapor empleado condensa cediendo su calor latente a la alimentación, como consecuencia de esa transferencia de energía la disolución eleva su temperatura, hierve y se evapora parte del disolvente que contiene, obteniendo una disolución concentrada.

Condiciones de Operación de Evaporadores

Para reducir los costes energéticos y evitar el deterioro de las disoluciones a evaporar, la presión en el interior de la cámara de evaporación suele ser inferior a la atmosférica.

Para conseguir hacer el vacío se pueden utilizar:

• Bombas de vacío: Extraen las moléculas de un gas a partir del movimiento del elemento móvil de la bomba, por ejemplo, paletas rotativas.
• Eyectores de vapor: Generan el vacío haciendo pasar un flujo de vapor a alta presión por un estrechamiento. De acuerdo con el principio de Venturi, un aumento de la velocidad debida a un estrechamiento de la tubería produce una caída de la presión.

Las condiciones de operación de los evaporadores, vienen definidas en función de los siguientes parámetros:

• Temperatura en la cámara de calefacción/condensación: La temperatura de esta cámara depende de la presión del vapor condensante y de su grado de recalentamiento. El vapor de calefacción empleado en los procesos de evaporación no se encuentra a presión elevada, aunque a mayor presión mayor temperatura de condensación. Al aumentar la presión, aumenta el coste del equipo.
• Presión en la cámara de evaporación: Al disminuir la presión en esta cámara disminuye la temperatura de ebullición y con ello aumenta el gradiente de temperaturas entre el vapor condensante el líquido hirviente, disminuyendo así la superficie de calefacción para las mismas condiciones de operación. En consecuencia, esta cámara debe operar en vacío para aumentar la economía del proceso. Trabajar a vacío es necesario cuando hemos de concentrar disoluciones que contienen compuestos termolábiles. Con la disminución de la presión se logra que hiervan a temperatura inferior a la de descomposición.
• Concentración de la disolución: Aunque el líquido que entra en un evaporador puede ser suficientemente diluido y poseer propiedades similares a la del agua, a medida que aumenta la concentración, la densidad y viscosidad de la disolución aumentan, disminuyendo, por tanto, el coeficiente global de transmisión del calor (U). Así mismo, es frecuente que, con el aumento de concentración, aumente también la temperatura de ebullición de la disolución, dificultando el proceso, incluso impidiéndolo, si no se prevé, ya que podría resultar mayor la temperatura de ebullición que la del propio vapor de calefacción.

Técnicas de Evaporación

Evaporación con precalentamiento

• El aprovechamiento de la energía de los flujos calientes de salida del evaporador permite reducir el aporte de calor al proceso.
• Este aprovechamiento se puede conseguir precalentando la alimentación antes de entrar al evaporador, y esto puede hacerse con:
  • La salida del condensado si el fluido de calefacción es vapor.
  • La salida del evaporado.
  • La salida del concentrado.

Evaporación con compresión mecánica

• En este tipo de evaporaciones el proceso se inicia con el habitual aporte de vapor de calefacción al evaporador (S).
• Una vez se ha iniciado la ebullición el evaporado (V) se comprime, mediante un compresor volumétrico, obteniendo vapor sobrecalentado que se envía al evaporador como fluido de calefacción (S).
• A partir de este momento se detiene el aporte exterior de vapor, ya que la energía de evaporación proviene de la energía mecánica suministrada por el compresor.
• El coste de energía del compresor volumétrico es inferior al coste de producción de vapor de calefacción, siempre que los volúmenes a evaporar sean suficientemente grandes para compensar la inversión en un compresor.

Evaporación de efecto múltiple

• Consiste en varios evaporadores conectados, de forma que mientras el primer evaporador se calienta con vapor de calefacción de aporte exterior, el segundo evaporador se calienta con el vapor que sale del primer efecto.
• Para poder aprovechar los vapores procedentes del primer efecto como calefacción del segundo equipo, es necesario que la temperatura de ebullición de la disolución en el segundo efecto sea inferior a la temperatura de condensación del vapor originado en el primer efecto.

Para lograr este hecho es necesario ir aplicando cada vez un mayor vacío en las cámaras de ebullición, de modo que disminuya la temperatura de ebullición de la disolución a concentrar.

Llegará un momento en el que ya no sea rentable seguir aprovechando el vapor originado por los costes globales que esta operación supone.

La ventaja de un evaporador de efecto múltiple es la economía de vapor de calefacción.

Aproximadamente 1kg de vapor de calefacción en un evaporador de triple efecto producirá la misma cantidad de agua evaporada que un evaporador de efecto simple que tenga la misma superficie de calefacción y la misma caída global de temperatura, pero trabajando con tres veces más vapor de calefacción.

Evaporación de efecto múltiple de alimentación directa

Ventajas: El sistema más barato. Fácil de manejar. No precisa de bombas de alimentación entre los distintos efectos. Temperaturas más bajas a medida que el producto pasa de un efecto a otro (menor riesgo de chamuscado con líquidos viscosos)

Inconvenientes: A medida que el producto se va haciendo más viscoso la transferencia de calor y la velocidad de evaporación se reducen. El calor con mayor poder calorífico se emplea en las primeras fases de evaporación, cuando el producto se concentra con mayor facilidad.

Evaporación de efecto múltiple de alimentación en contracorriente

Ventajas: No se requiere al comienzo ninguna bomba de impulsión de producto. El vapor con mayor poder calorífico se usa con el producto más difícil de concentrar (1er efecto).

Inconvenientes: Hace necesario el empleo de bombas entre los efectos. Existe un riesgo de chamuscado mayor con productos viscosos ya que la circulación de éstos por las superficies de intercambio, es más lenta. Riesgo de atasco.

Evaporadores de efecto múltiple con alimentación mixta

• En una parte del sistema la alimentación es directa y en la otra es a contracorriente.
• Este sistema es útil si tenemos disoluciones muy viscosas. Si utilizamos la corriente directa pura, nos encontramos que el último efecto donde hay menos temperatura la viscosidad de la concentración concentrada aumenta, lo que hace disminuir sensiblemente el coeficiente global de transferencia “U” en este efecto. Para contrarrestar esto, se utiliza la alimentación mixta. La disolución diluida entra en el segundo efecto y sigue el sentido de la alimentación directa, pasando después del último efecto al primero para finalizar la evaporación a temperatura elevada.

Evaporación de efecto múltiple de alimentación en paralelo

Ventajas: Permite un mejor control de aquellas instalaciones destinadas a la cristalización de algunos componentes, haciendo innecesario el uso de bombas para el trasvase de la pasta cristalizada.

Inconvenientes: Es la disposición más complicada de todas.

Balance de Materia y Energía en una Evaporación

• Alimentación (F): Flujo de entrada al evaporador.
• Evaporado (V): Es el disolvente en forma de vapor que sale por la parte superior del evaporador.
• Concentrado (L): La disolución concentrada en el soluto no volátil.
• Fluido de calefacción: Generalmente vapor de calefacción (S), aunque en determinadas ocasiones puede ser agua caliente.
• Circuito de evaporación: Donde hay un flujo de entrada, la alimentación, y dos de salida, el evaporado y el concentrado. La presión corresponde a la presión al interior de la cámara de evaporación, lo que condiciona la temperatura de ebullición de la disolución. El flujo de alimentación debe ser igual a la suma del flujo de concentrado y evaporado.
• Fluido de calefacción: Donde, en el caso de vapor de calefacción, el flujo de vapor de entrada es igual al flujo de condensado de salida. La separación entre el circuito de vapor de calefacción y su condensado se realiza con un purgador de vapor.

Capacidad y Economía

El rendimiento de un evaporador calentado por vapor se mide en términos de su capacidad y economía.

• Capacidad se define como el número de kilogramos de agua vaporizados por hora.
• La economía (o economía de vapor) es el número de kilogramos de agua vaporizada de todos los efectos por kilogramos de vapor utilizado.

La economía de vapor en el evaporador de efecto simple es menor que uno, aproximadamente 0,8.

En un evaporador de múltiple efecto con N-efectos la capacidad es N veces la capacidad de un efecto y la economía es de 0,8*N. Sin embargo, bombas, válvulas y tuberías de interconexión se requieren para la transferencia de líquido de un efecto a otro incrementando el equipamiento y el costo de operación.

Tipos de Evaporadores

Marmita abierta o artesa

La forma más simple de un evaporador es un recipiente abierto en el cual se hierve el líquido; el suministro de calor puede provenir de condensación de vapor de agua en una camisa o en serpentines sumergidos en el líquido. En algunos casos, la marmita se calienta a fuego directo.

Estos evaporadores son económicos y de operación simple, pero el desperdicio de calor es excesivo. En ciertos equipos se utilizan paletas o raspadores para agitar el líquido.

Evaporadores de camisa

Este sistema de calefacción consiste en hacer circular por una camisa el fluido calefactor, que podría ser vapor de agua o cualquier líquido a la temperatura adecuada, generalmente agua caliente o aceite térmico.

Las ventajas del evaporador de camisa son la facilidad de limpieza y su bajo coste.

El principal inconveniente es el bajo rendimiento debido a la pequeña superficie de evaporación (área donde se produce el intercambio de calor entre la solución y el fluido calefactor) con respecto al volumen a evaporar.

En general, este tipo de evaporador solo es apto cuando el volumen de disolución a evaporar no es muy grande.