Un evaporador es un tipo de dispositivo intercambiador de calor que facilita la evaporación mediante la transferencia de calor conductiva y convectiva, que proporciona la energía térmica necesaria para la transición de fase de líquido a vapor. En los evaporadores, un líquido circulante se expone a un entorno atmosférico o de presión reducida, lo que hace que hierva a una temperatura más baja en comparación con la ebullición atmosférica normal.
Los cuatro componentes principales de un conjunto evaporador son:
El calor se transfiere al líquido dentro de las paredes del tubo por conducción, lo que proporciona la energía térmica necesaria para la evaporación. Las corrientes convectivas en su interior también contribuyen a la eficiencia de la transferencia de calor.
Existen varios diseños de evaporadores adecuados para diferentes aplicaciones, incluidos evaporadores tubulares, de placas y de inmersión, que se utilizan comúnmente en procesos industriales como la desalinización, la generación de energía y el aire acondicionado. Los evaporadores de placas ofrecen compacidad, mientras que los diseños de múltiples etapas permiten tasas de evaporación mejoradas con cargas térmicas más bajas. El rendimiento general de los evaporadores depende de factores como el coeficiente de transferencia de calor, las propiedades del material de los tubos y las placas, el régimen de flujo y la calidad del vapor lograda.
Las técnicas de control avanzadas, como la detección de incrustaciones en línea, ayudan a mantener el rendimiento térmico del evaporador a lo largo del tiempo. Además, el modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) y los avances en las tecnologías de recubrimiento de superficies continúan mejorando las capacidades de transferencia de calor y masa, lo que conduce a una generación de vapor más eficiente energéticamente. Los evaporadores son esenciales para muchas industrias debido a su capacidad de separar fases a través de un proceso de cambio de fase controlado.
Algunos acondicionadores de aire y refrigeradores utilizan líquidos comprimidos con un punto de ebullición bajo que se vaporizan dentro del sistema para enfriarlo, mientras emiten la energía térmica a sus alrededores. [1] [2]
Los evaporadores se utilizan a menudo para concentrar una solución. Un ejemplo es el evaporador de placas de película ascendente/descendente , que se utiliza para elaborar leche condensada .
De manera similar, la reducción (cocción) es un proceso de evaporación de líquidos de una solución para producir un producto alimenticio "reducido", como la reducción de vino.
La evaporación es el proceso principal detrás de la destilación , que se utiliza para concentrar alcohol , aislar productos químicos líquidos o recuperar solventes en reacciones químicas. La industria de fragancias y aceites esenciales utiliza la destilación para purificar compuestos. Cada aplicación utiliza dispositivos especializados.
En el caso de la desalinización de agua de mar o en plantas de Descarga Cero de Líquidos , se aplica el propósito inverso: la evaporación elimina el agua potable deseada del soluto/producto no deseado, la sal. [3]
La ingeniería química utiliza la evaporación en muchos procesos. Por ejemplo, el evaporador de efecto múltiple se utiliza en la fabricación de pulpa Kraft, [4] el proceso de producción de pulpa de madera a partir de madera.
Los grandes barcos suelen llevar plantas de evaporación para producir agua dulce, lo que reduce su dependencia de los suministros en tierra. Los barcos de vapor deben producir destilado de alta calidad para mantener los niveles de agua de la caldera . Los barcos con motor diésel suelen utilizar el calor residual como fuente de energía para producir agua dulce. En este sistema, el agua de refrigeración del motor pasa por un intercambiador de calor, donde se enfría con agua de mar concentrada. Debido a que el agua de refrigeración, que es agua dulce tratada químicamente, está a una temperatura de 70 a 80 °C (158 a 176 °F), no sería posible eliminar el vapor de agua a menos que se reduzca la presión en el recipiente del intercambiador de calor .
A continuación, se utiliza una bomba Venturi eyectora de aire y salmuera para crear un vacío dentro del recipiente, logrando una evaporación parcial. Luego, el vapor pasa a través de un desempañador antes de llegar a la sección del condensador . Se bombea agua de mar a través de la sección del condensador para enfriar el vapor lo suficiente para que se produzca la condensación. El destilado se acumula en una bandeja, desde donde se bombea a los tanques de almacenamiento. Un salinómetro monitorea el contenido de sal y desvía el flujo de destilado de los tanques de almacenamiento si el contenido de sal excede el límite de alarma. La esterilización se lleva a cabo después del evaporador.
Los evaporadores suelen ser de tipo carcasa y tubo (conocidos como Planta Atlas) o de tipo placa (como el tipo diseñado por Alfa Laval ). La temperatura, la producción y el vacío se controlan regulando las válvulas del sistema. La temperatura del agua de mar puede interferir con la producción, al igual que las fluctuaciones en la carga del motor. Por este motivo, el evaporador se ajusta a medida que cambia la temperatura del agua de mar y se apaga por completo cuando el barco está maniobrando. Una alternativa en algunos buques, como los buques de guerra y los barcos de pasajeros, es el uso del principio de ósmosis inversa para la producción de agua dulce en lugar de utilizar evaporadores.
La evaporación o vaporización es un proceso de transición de fase endotérmica que se conoce a fondo en el campo de la termodinámica . Está íntimamente relacionado con la presión de vapor del líquido y la presión circundante, además de la entalpía de vaporización.
Los evaporadores funcionan siguiendo el mismo principio de diseño. Una fuente de calor entra en contacto con el líquido y provoca su evaporación. El vapor se elimina por completo (como en la cocina) o se almacena para su reutilización (como en un refrigerador) o como producto de aislamiento (aceite esencial).
Los evaporadores rotativos utilizan una bomba de vacío para crear una presión baja sobre un solvente mientras que al mismo tiempo giran el matraz de líquido para aumentar el área de superficie y disminuir el tamaño de las burbujas. Normalmente, el vapor pasa sobre un dedo frío o una bobina para que el material vaporizado no dañe la bomba. El evaporador rotativo se utiliza mejor para eliminar el solvente de las soluciones que contienen el producto deseado que no se vaporizará a la presión de operación para separar los componentes volátiles de una mezcla de los materiales no volátiles.
Los evaporadores de circulación natural se basan en la circulación natural del producto provocada por las diferencias de densidad que surgen del calentamiento ( convección ). Se calienta una cámara que contiene una solución y el líquido vaporizado se recoge en un matraz receptor.
Este tipo de evaporador generalmente está formado por tubos de 4 a 8 m (13 a 26 pies) encerrados en camisas de vapor. La distribución uniforme de la solución es importante cuando se utiliza este tipo de evaporador. La solución entra en el evaporador y gana velocidad a medida que fluye hacia abajo. Esta ganancia de velocidad se atribuye al vapor que se desprende contra el medio de calentamiento, que también fluye hacia abajo. Este evaporador suele aplicarse a soluciones muy viscosas , por lo que se utiliza con frecuencia en las industrias química, azucarera, alimentaria y de fermentación.
Este tipo de evaporador es útil para concentrar soluciones. [5] El funcionamiento es muy similar al de una calandria , donde el líquido se hierve dentro de tubos verticales aplicando calor al exterior de los tubos. El vapor de disolvente producido presiona el líquido contra las paredes de los tubos formando una película fina que se mueve hacia arriba con el vapor. El vapor puede liberarse del sistema mientras que el líquido puede recircularse a través del evaporador para concentrar aún más el soluto . En muchos casos, los tubos de un evaporador de película ascendente suelen tener entre 3 y 10 metros (9,8 y 32,8 pies) de altura con un diámetro de entre 25 y 50 milímetros (0,98 y 1,97 pulgadas). Dimensionar este tipo de evaporador requiere una evaluación precisa del nivel real del líquido dentro de los tubos y los caudales del vapor y la película.
Los evaporadores de placas de película ascendente y descendente tienen una superficie relativamente grande. Las placas suelen ser corrugadas y están sostenidas por el marco. Durante la evaporación, el vapor fluye a través de los canales formados por los espacios libres entre las placas. El vapor sube y baja alternativamente en paralelo al líquido concentrado. El vapor sigue un camino en contracorriente y en paralelo con el líquido. El concentrado y el vapor se introducen en la etapa de separación, donde el vapor se envía a un condensador. Este tipo de evaporador de placas se aplica con frecuencia en las industrias láctea y de fermentación, ya que tienen flexibilidad espacial. Un punto negativo de este tipo de evaporador es su capacidad limitada para tratar productos viscosos o que contienen sólidos. Hay otros tipos de evaporadores de placas que funcionan solo con película ascendente.
A diferencia de los evaporadores de una sola etapa, estos evaporadores pueden estar compuestos por hasta siete etapas de evaporación (efectos). El consumo de energía de los evaporadores de un solo efecto es muy alto y representa la mayor parte del costo de un sistema de evaporación. Al combinar evaporadores se ahorra calor y, por lo tanto, se requiere menos energía. Agregar un evaporador al original reduce el consumo de energía en un 50%. Agregar otro efecto lo reduce al 33% y así sucesivamente. Una ecuación de porcentaje de ahorro de calor puede estimar cuánto se ahorrará al agregar una cierta cantidad de efectos.
El número de efectos en un evaporador de efecto múltiple suele estar restringido a siete porque, después de eso, el coste del equipo se aproxima al ahorro de costes de la caída del requerimiento de energía.
Cuando se trata de evaporadores de efecto múltiple se pueden utilizar dos tipos de alimentación:
En los últimos años se han puesto en práctica sistemas de evaporadores al vacío de efecto múltiple (con bomba de calor ). Se sabe que estos son energéticamente y técnicamente más eficaces que los sistemas con recompresión mecánica de vapor (MVR). Debido a la menor temperatura de ebullición, pueden manejar líquidos altamente corrosivos o líquidos que son propensos a formar incrustaciones. [6]
La evaporación de película delgada agitada ha tenido mucho éxito con productos difíciles de manipular. En pocas palabras, el método separa rápidamente los componentes volátiles de los menos volátiles mediante transferencia de calor indirecta y agitación mecánica de la película de producto que fluye en condiciones controladas. La separación normalmente se realiza en condiciones de vacío para maximizar la ∆T mientras se mantiene la temperatura del producto más favorable para que el producto solo experimente condiciones de equilibrio dentro del evaporador y pueda maximizar la extracción y recuperación de volátiles. [7]
Pueden surgir problemas técnicos durante la evaporación, especialmente cuando el proceso se utiliza en la industria alimentaria. Algunos evaporadores son sensibles a las diferencias de viscosidad y consistencia de la solución diluida. Estos evaporadores podrían funcionar de forma ineficiente debido a una pérdida de circulación. Es posible que sea necesario cambiar la bomba de un evaporador si es necesario utilizarlo para concentrar una solución muy viscosa.
La formación de incrustaciones también se produce cuando se forman depósitos duros en las superficies de los medios de calentamiento de los evaporadores. En los alimentos, las proteínas y los polisacáridos pueden crear depósitos de este tipo que reducen la eficiencia de la transferencia de calor. La formación de espuma también puede ser un problema, ya que tratar el exceso de espuma puede resultar costoso en términos de tiempo y eficiencia. Se utilizan agentes antiespumantes , pero solo se pueden utilizar unos pocos cuando se procesan alimentos.
La corrosión también puede producirse cuando se concentran soluciones ácidas , como los zumos de cítricos . El daño superficial que se produce puede acortar la vida útil de los evaporadores. La calidad y el sabor de los alimentos también pueden verse afectados durante la evaporación. En general, al elegir un evaporador, se deben tener muy en cuenta las cualidades de la solución del producto.
