La evaporación por compresión de vapor es el método de evaporación mediante el cual se utiliza un soplador , un compresor o un eyector de chorro para comprimir y, por lo tanto, aumentar la presión del vapor producido. Dado que el aumento de presión del vapor también genera un aumento en la temperatura de condensación , el mismo vapor puede servir como medio de calentamiento para su líquido o solución "madre" que se está concentrando, a partir de la cual se generó el vapor en primer lugar. Si no se proporcionara compresión, el vapor estaría a la misma temperatura que el líquido o la solución en ebullición y no podría producirse transferencia de calor .
También se le denomina a veces destilación por compresión de vapor (VCD) . Si la compresión se realiza mediante un compresor o soplador accionado mecánicamente, este proceso de evaporación suele denominarse MVR (recompresión mecánica de vapor). En el caso de la compresión realizada mediante eyectores de vapor motrices de alta presión , el proceso suele denominarse termocompresión , compresión de vapor o eyectocompresión . [ cita requerida ]
En este caso la entrada de energía al sistema reside en la energía de bombeo del compresor. El consumo teórico de energía será igual a , donde
En unidades del SI , se miden respectivamente en kJ , kg y kJ/kg.
La entrada real de energía será mayor que el valor teórico y dependerá de la eficiencia del sistema, que suele estar entre el 30% y el 60%. Por ejemplo, supongamos que la entrada teórica de energía es de 300 kJ y la eficiencia es del 30%. La entrada real de energía sería 300 x 100/30 = 1.000 kJ.
En una unidad grande, la potencia de compresión está entre 35 y 45 kW por tonelada métrica de vapores comprimidos. [ aclaración necesaria ]
El compresor es necesariamente el núcleo de la unidad. Los compresores utilizados para esta aplicación suelen ser de tipo centrífugo o unidades de desplazamiento positivo como los sopladores Roots , similares a los supercargadores de tipo Roots (mucho más pequeños) . Las unidades muy grandes (capacidad de evaporación de 100 toneladas métricas por hora o más) a veces utilizan compresores de flujo axial . El trabajo de compresión entregará el vapor sobrecalentado si se compara con el equilibrio teórico de presión/temperatura. Por esta razón, la gran mayoría de las unidades MVR cuentan con un desrecalentador entre el compresor y el intercambiador de calor principal.
La entrada de energía viene dada aquí por la energía de una cantidad de vapor ( vapor motor ), a una presión superior a la de los vapores de entrada y de salida. Por tanto, la cantidad de vapores comprimidos es superior a la de entrada:
Donde Q d es la cantidad de vapor en la impulsión del eyector, Q s en la aspiración del eyector y Q m es la cantidad de vapor motor. Por este motivo, un evaporador de termocompresión suele presentar un condensador de vapor , debido al posible exceso de vapor necesario para la compresión en comparación con el vapor necesario para evaporar la solución. La cantidad Q m de vapor motor por unidad de cantidad de aspiración es función tanto de la relación motriz de la presión del vapor motor frente a la presión de aspiración como de la relación de compresión de la presión de impulsión frente a la presión de aspiración. En principio, cuanto mayor sea la relación de compresión y menor la relación motriz, mayor será el consumo específico de vapor motor, es decir, menos eficiente será el balance energético.
El corazón de cualquier evaporador de termocompresión es claramente el eyector de vapor , descrito exhaustivamente en la página correspondiente. El tamaño de los demás equipos, como el intercambiador de calor principal , el cabezal de vapor, etc. (ver evaporador para más detalles), está determinado por el proceso de evaporación.
Estos dos evaporadores de tipo compresión tienen diferentes campos de aplicación, aunque a veces se superponen.
Como conclusión, las máquinas MVR se utilizan en unidades grandes y energéticamente eficientes, mientras que las unidades de termocompresión tienden a limitar su uso a unidades pequeñas, donde el consumo de energía no es un gran problema.
La eficiencia y viabilidad de este proceso dependen de la eficiencia del dispositivo de compresión (por ejemplo, soplador, compresor o eyector de vapor) y del coeficiente de transferencia de calor obtenido en el intercambiador de calor que entra en contacto con el vapor que se condensa y la solución/líquido "madre" en ebullición. En teoría, si el condensado resultante se subenfría , este proceso podría permitir la recuperación total del calor latente de vaporización que de otro modo se perdería si el vapor, en lugar del condensado, fuera el producto final; por lo tanto, este método de evaporación es muy eficiente energéticamente. El proceso de evaporación puede ser impulsado únicamente por el trabajo mecánico proporcionado por el dispositivo de compresión.
Un evaporador por compresión de vapor, como la mayoría de los evaporadores , puede producir agua razonablemente limpia a partir de cualquier fuente de agua. En un cristalizador de sal , por ejemplo, un análisis típico del condensado resultante muestra un contenido típico de sal residual no superior a 50 ppm o, en términos de conductancia eléctrica , no superior a 10 μS/cm . Esto da como resultado un agua potable, si se cumplen los demás requisitos sanitarios. Si bien esto no puede competir en el mercado con la ósmosis inversa o la desmineralización , la compresión de vapor se diferencia principalmente de estas gracias a su capacidad para producir agua limpia a partir de salmueras saturadas o incluso cristalizantes con sólidos disueltos totales (TDS) de hasta 650 g/L. Las otras dos tecnologías pueden producir agua limpia a partir de fuentes con TDS no superiores a aproximadamente 35 g/L.
Por razones económicas, los evaporadores rara vez se utilizan en fuentes de agua con bajo contenido de sólidos disueltos totales (TDS). Estas aplicaciones se llenan mediante ósmosis inversa. El agua ya salobre que entra en un evaporador típico se concentra aún más. El aumento de sólidos disueltos actúa para aumentar el punto de ebullición mucho más allá del del agua pura. El agua de mar con un TDS de aproximadamente 30 g/L presenta una elevación del punto de ebullición de menos de 1 K , pero la solución saturada de cloruro de sodio a 360 g/L tiene una elevación del punto de ebullición de aproximadamente 7 K. Esta elevación del punto de ebullición es un desafío para la evaporación por compresión de vapor, ya que aumenta la relación de presión que el compresor de vapor debe alcanzar para efectuar la vaporización. Dado que la elevación del punto de ebullición determina la relación de presión en el compresor, es el principal factor general en los costos operativos.
La tecnología que se utiliza hoy en día para extraer betún de las arenas petrolíferas de Athabasca es el método de drenaje gravitacional asistido por vapor (SAGD) con uso intensivo de agua. [1] A fines de la década de 1990, el ex ingeniero nuclear Bill Heins de RCC Thermal Products de General Electric Company concibió una tecnología de evaporador llamada evaporación por compresión mecánica de vapor o película descendente. En 1999 y 2002, la instalación MacKay River de Petro-Canada fue la primera en instalar sistemas de descarga cero de líquido (ZLD) SAGD de GE de 1999 y 2002 utilizando una combinación de la nueva tecnología evaporativa y el sistema cristalizador en el que se reciclaba toda el agua y solo se descargaban los sólidos fuera del sitio. [1] Esta nueva tecnología evaporativa comenzó a reemplazar las técnicas de tratamiento de agua más antiguas empleadas por las instalaciones SAGD que involucraban el uso de ablandamiento con cal tibia para eliminar sílice y magnesio e intercambio de iones de cationes ácidos débiles utilizados para eliminar calcio . [1] El proceso de evaporación por compresión de vapor reemplazó a los generadores de vapor de paso único (OTSG) utilizados tradicionalmente para la producción de vapor. Los OTSG generalmente funcionaban con gas natural , que en 2008 se había vuelto cada vez más valioso. La calidad del agua de los evaporadores es cuatro veces mejor, lo que es necesario para las calderas de tambor. Los evaporadores, cuando se combinan con calderas de tambor estándar, producen vapor que es más "confiable, menos costoso de operar y requiere menos agua". Para 2008, aproximadamente el 85 por ciento de las instalaciones SAGD en las arenas petrolíferas de Alberta habían adoptado la tecnología de evaporación. "SAGD, a diferencia de otros procesos térmicos como la estimulación cíclica con vapor (CSS), requiere vapor de calidad del 100 por ciento". [1]
