Evaporación (Descarga Cero de Líquidos - ZLD)
- Evaporación
• Remoción de la mayoría de agua desde la solución
• Normalmente tiene lugar al punto de ebullición del agua
- Secado
• Remoción de pequeñas cantidades de agua desde el material sólido (humedad)
• Ocurre a temperaturas inferiores al punto de ebullición y es típicamente influenciada por la humedad
La mayoría de materiales no son tolerables a las altas temperaturas, por lo que los evaporadores normalmente operan a presión reducida y entonces se reduce el punto de ebullición (BP). Esto significa que una bomba de vacío o un sistema de vacío eyector de chorro se requiere sobre el último efecto del evaporador.
Figura 1. Tipos de evaporador: (a) tubo-horizontal. (b) tubo-vertical, (c) tubo largo vertical y (d) circulación forzada.
- Selección de Evaporador Adecuado
- Alimento
- Viscosidad de la solución (y su incremento durante la evaporación)
- Naturaleza del producto y el solvente
- Características del ensuciamiento
- Características de la espuma
| Tipo de Evaporador | Condición del Alimento |
Adecuado para Calor Sensible |
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| Viscocidad, cP | Espuma |
Incrustación o Suciedad |
Producción de Cristales |
Sólidos en Suspensión |
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Alto >1000 |
Medio 100-1000 |
Bajo <100 |
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| Calandria (tubo vertical corto) |  |
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| Circulación forzada |  |
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| Película Descendente | |
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| Circulación Natural | |
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| Película Agitada (paso simple) | |
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| Tubo largo Película Descendente | |
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| Tubo largo Película Ascendente | |
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- Efecto Simple Vs Efecto Múltiple
Figura 2. Configuración de evaporadores de efecto simple y efecto múltiple.
Hay tres criterios que afectan el rendimiento de un evaporador:
- Capacidad (kg vaporizado/tiempo)
- Economía (kg vaporizado/kg entrada Steam)
- Consumo Steam (kg/hr)
Donde, consumo = capacidad/economía
La economía (o economía de Steam) son los kilogramos de agua vaporizada de todos los efectos (por kilogramo de Steam usado). Para el evaporador de efecto simple, la economía Steam es ca. 0.8 (<1), la cual se traslada a 0.8 ton de Steam necesitados para evaporar 1 ton de agua.
Entonces, para disminuir la economía de Steam del evaporador, el diseño de múltiple efecto utiliza los vapores de escape del producto para calentar el efecto de evaporación agua abajo y reducir el consumo de Steam.
La capacidad de un evaporador de efecto múltiple (n efectos) es ca. n* veces la capacidad de un evaporador de efecto simple y el ahorro es cerca de 0.8*n.
Los evaporadores también necesitan bombas, tubería interconectada y válvula que son requeridas para transferencia de líquidos desde un efecto hacia otro efecto e incrementan tanto el CAPEX como el OPEX del proceso.
| Steam vivo | Vapor | Economía Steam | |
| Planta de 1 efecto | 1 kg/h | 1 kg/h | 100% |
| Planta de 3 efectos | 1 kg/h | 3 kg/h | 33% |
Tabla 1. Disminución de la economía de Steam del evaporador utilizando un evaporador de tres efectos
Efecto Simple (SE)
- Capacidad pequeña, pero desperdicio de energía (1 kg de steam vaporiza 1kg de agua)
- La caída total de temperatura para un efecto simple es algo similar al efecto múltiple
Efecto Múltiple (ME)
- Cada efecto individual tendrá una diferencia temperatura más pequeña, de esta manera, un área alta de superficie de calentamiento
- Costo de capital más elevado
- Los costos de operación – economía de steam, requeridos únicamente para el primer efecto (1 kg de steam vaporiza 2 kg de agua)
- Tipos de evaporador
La temperatura del alimento tiene un efecto importante sobre la economía de los evaporadores y su rendimiento. Si no está ya al punto de ebullición, entonces los efectos del calor deben tomar lugar. Si el alimento está por encima del punto de ebullición, se usa evaporación flash al entrar.
Normalmente, la solución de alimento es calentada con un intercambiador de precalentamiento para reducir la demanda de evaporación de calor por transferencia de calor desde el condensado caliente hasta la corriente del alimento.
El alimento calentado es entonces mezclado con el líquido del evaporador y la mezcla es calentada por el intercambiador de calor principal que puede usar steam, electricidad, aceite caliente u otras formas de energía disponible. La mezcla hierve, produciendo una corriente de líquido concentrada y una corriente de vapor de agua que puede ser descargada o condensada.
La evaporación por compresión de vapor (VC) ha sido la tecnología de norma ZLD por las últimas décadas, recuperando ca. 95% de agua desde el alimento. La corriente de líquido concentrado (salmuera)puede ser entonces conducida a un cristalizador con el fin de ser solidificada.
La evaporación es más bien costosa y no económicamente factible con grandes tasas de flujo de alimento, lo cual se da por la aplicación del paso de preconcentración para el proceso de ZLD.
Hay diferentes tipos de evaporadores:
- Película descendente
- Película ascendente
- Circulación forzada
- Superficie raspada/película fina
- Combinación de evaporador
Los principales son:
Evaporadores de Película Descendente (FFE)
Los FFE tienen grandes ahorros de energía, evaporación de efecto múltiple y características mecánicas de re-compresión de vapor. Un FFE funciona con una muy baja temperatura de operación y permite:
- Fácil control
- Inicio y apagado rápido debido a una mínima retención de líquido
Los FFE son seleccionados para corrientes viscosas con pequeñas concentraciones de sólidos suspendidos. Un FFE tiene capacidad para tasas de flujo pequeñas a grandes.
Evaporadores de Circulación Forzada (FCE)
Ya que las altas tasas de flujo de circulación y la evaporación toman lugar externamente al intercambiador de calor, los FCE son elegidos para corrientes viscosas más altas que contienen una gran concentración de sólidos suspendidos y contaminantes. Tiene capacidad para tasas de flujo medias a grandes.
Evaporadores de Película Fina (TFE)/Secadores
Los TFE son mayormente seleccionados con el fin de disminuir el contenido de agua hasta < 5% (cristalización). Como los FFE, esta tecnología es fácil de controlar y rápida para iniciar y detener debido a la muy baja retención de líquidos. Los TFE son seleccionados para productos de alta incrustación y flujos altamente viscosos. Tiene capacidad para tasas de flujo pequeñas a medias.
La corriente de destilado de los evaporadores usualmente es < 10 ppm de TDS (Total de Sólidos Disueltos). El más usado es el FFE (también llamado concentrador de salmuera) que puede llevar la concentración de alimento hasta 300,000 ppm, lo cual conduce a un aumento del punto de ebullición (BPR) de la salmuera y requiere, ya sea un área grande de transferencia de calor (CAPEX grande) o una gran temperatura de calor (OPEX grande).
- Explicación del Proceso
Los evaporadores pueden tratar corrientes con alta concentración de cloruros y teóricamente separar el agua de todos las especies disueltas, produciendo un producto sólido estable que puede ser vaciado y un producto de agua destilada de alta calidad.
Los pasos en el proceso de evaporación son (fig. 3):
- Adición química (tanque de alimentación)
- Precalentamiento (precalentador de alimentación)
- Desaireación
- Evaporación primaria (concentrador de salmuera)
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de evaporación e imagen de un módulo de la vida real.
Paso 1 & 2: el ácido es adherido al tanque de alimentación para neutralizar la alcalinidad del bicarbonato con el fin de que la solución sea precalentada en los intercambiadores de calor de placas. Los antiincrustantes también son adheridos para prevenir incrustaciones en los precalentadores con carbonato de calcio.
Paso 3: la corriente precalentada es desgasificada usando steam desde el evaporador (línea roja en figura 3) para remover dióxido de carbono disuelto (reducción de alcalinidad), oxígeno disuelto y cualquier otro gas no condensable para reducir el potencial de corrosión del evaporador.
Paso 4: la mayoría de la evaporación de agua se da dentro del recipiente concentrador de salmuera que se siembra con sulfato de calcio para minimizar las incrustaciones. El agua residual es típicamente saturada con sulfato de calcio, el cual se precipitará y formará incrustaciones en los tubos evaporadores. Usando cristales semilla de sulfato de calcio, el sulfato de calcio disuelto se precipita preferiblemente sobre los cristales semilla en vez de los tubos evaporadores.
El proceso también requiere electricidad para el ciclo de compresión mecánica de vapor (MVC). Como el MVC recicla el calor latente de vaporización, la entrada de energía es bastante baja, en un rango de 15 kWh/m3 de alimento, para minimizar el tamaño y costos del separador de vapor y el compresor, la evaporación ocurre a presión atmosférica.
- Ahorro de energía
Algunos de los métodos aplicados para minimizar el consumo de energía de las plantas de evaporación incluyen:
- Disposición de efectos múltiples (ME)
- Recompresión térmica de vapor (TVR)
- Recompresión mecánica de vapor (MVR)
- Compresión mecánica de vapor (MVC)
- Uso de energía residual
Para los evaporadores, el enfoque MVC es el más extensamente usado.
5.1 Compresión Mecánica de Vapor
En el evaporador MVC, el calor es transferido a la corriente de circulación por condensación de vapor desde el compresor (s) (incrementando la temperatura del vapor y la presión). Haciendo que se requiera mucha menos energía que un evaporador predeterminado.
Durante el proceso (fig. 4), el vapor generado desde la corriente de circulación tiene una gran cantidad de energía en forma de calor latente a una temperatura de ebullición de agua residual. Para que el intercambiador de calor principal trabaje, se requerirá una temperatura más alta. Con el fin de lograr la temperatura más alta necesitada, el vapor es comprimido por el compresor de vapor.
La compresión de vapor aumenta su presión (por lo tanto, su temperatura de saturación también) y produce la transferencia de calor necesitada en el intercambiador de calor principal siguiendo con el reciclaje de energía contenida por el vapor, mejorando mucho la eficiencia total de energía.
- El agua residual de alimentación va desde la bomba de alimentación hasta el intercambiador de calor de materia prima y la corriente de circulación. El intercambiador de calor de materia prima transfiere el calor sensible desde el condensado caliente hasta la alimentación más fría.
Figura 4. Proceso de Compresión Mecánica de Vapor
- La bomba de recirculación circula el agua residual desde el tanque de separación a través del intercambiador de calor principal, hacia la placa de orificio, y de vuelta al tanque de separación. El calor latente del vapor comprimido es transferido al agua residual por el intercambiador de calor principal.
- Una placa de orificio es usada para reducir la presión de la corriente de circulación. La presión aguas abajo es lo suficientemente baja para permitir la intermitencia de la corriente de circulación en el líquido y los componentes del vapor.
- El líquido y el vapor fluyen entonces hacia el taque de separación donde son separados. El steam líquido sale del tanque a la parte inferior y fluye de vuelta hacia la bomba de recirculación. La corriente de vapor sale del tanque a la parte superior y fluye hacia el compresor de vapor.
- Se proporciona una almohadilla de neblina en la parte superior del tanque de separación para remover pequeñas gotas de líquido del vapor.
- Al comprimirse el vapor a través del compresor (elevando la temperatura y la presión), el vapor es enviado al intercambiador de calor principal, donde se transfiere su calor latente al agua residual en el circuito de recirculación.
- El condensado de temperatura alta sale de intercambiador de calor principal y fluye hacia el tanque de condensado, donde cualquier vapor restante es separado. El condensado caliente es entonces bombeado al intercambiador de calor de material de alimentación, donde transfiere calor sensible al agua residual de alimentación entrante.
- Al alcanzar el estado-estable de la concentración objetivo, el agua residual concentrada es purgada desde el circuito de recirculación, usando la válvula de residuos. Dependiendo del balance de energía, la energía puede ser adherida al sistema por calentadores eléctricos/steam de proceso o el exceso de energía puede ser removido desde el sistema por la válvula de alivio de steam.
Mapa de Tecnología para Tratamiento de Salmuera