La evaporación instantánea (o evaporación parcial ) es la evaporación parcial que se produce cuando una corriente de líquido saturado sufre una reducción de presión al pasar a través de una válvula de estrangulamiento u otro dispositivo de estrangulamiento. Este proceso es una de las operaciones unitarias más simples . Si la válvula o dispositivo de estrangulamiento está ubicado en la entrada de un recipiente a presión de modo que la evaporación instantánea ocurre dentro del recipiente, entonces el recipiente a menudo se denomina tambor de evaporación instantánea . [1] [2]
Si el líquido saturado es un líquido de un solo componente (por ejemplo, propano o amoníaco líquido ), una parte del líquido se "convierte" inmediatamente en vapor. Tanto el vapor como el líquido residual se enfrían hasta la temperatura de saturación del líquido a presión reducida. Esto se conoce a menudo como "autorefrigeración" y es la base de la mayoría de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor convencionales .
Si el líquido saturado es un líquido multicomponente (por ejemplo, una mezcla de propano , isobutano y butano normal ), el vapor evaporado es más rico en los componentes más volátiles que el líquido restante.
La evaporación instantánea no controlada puede provocar una explosión de vapor en expansión del líquido hirviendo ( BLEVE ).
La evaporación instantánea de un líquido de un solo componente es un proceso isentálpico y a menudo se denomina evaporación instantánea adiabática . La siguiente ecuación, derivada de un simple balance térmico alrededor de la válvula o dispositivo de estrangulamiento, se utiliza para predecir qué cantidad de un líquido de un solo componente se vaporiza.
Si los datos de entalpía necesarios para la ecuación anterior no están disponibles, se puede utilizar la siguiente ecuación.
Aquí, las palabras "aguas arriba" y "aguas abajo" se refieren a antes y después de que el líquido pase a través de la válvula o dispositivo de estrangulamiento.
Este tipo de evaporación instantánea se utiliza en la desalinización de agua salobre o de mar mediante la "destilación instantánea en varias etapas ". El agua se calienta y luego se envía a una "etapa" de evaporación instantánea a presión reducida, donde una parte del agua se transforma en vapor. Este vapor se condensa posteriormente en agua sin sal. El líquido salado residual de esa primera etapa se introduce en una segunda etapa de evaporación instantánea a una presión inferior a la de la primera etapa. Se transforma más agua en vapor, que también se condensa posteriormente en más agua sin sal. Este uso secuencial de múltiples etapas de evaporación instantánea se continúa hasta que se cumplen los objetivos de diseño del sistema. Una gran parte de la capacidad de desalinización instalada en el mundo utiliza la destilación instantánea en varias etapas. Normalmente, estas plantas tienen 24 o más etapas secuenciales de evaporación instantánea.
La evaporación instantánea de equilibrio de un líquido multicomponente puede visualizarse como un proceso de destilación simple que utiliza una sola etapa de equilibrio . Es muy diferente y más complejo que la evaporación instantánea de un líquido de un solo componente. Para un líquido multicomponente, calcular las cantidades de vapor evaporado y líquido residual en equilibrio entre sí a una temperatura y presión dadas requiere una solución iterativa de prueba y error . Este cálculo se conoce comúnmente como cálculo de evaporación instantánea de equilibrio. Implica resolver la ecuación de Rachford-Rice : [4] [5] [6] [7]
dónde:
Las constantes de equilibrio Ki son en general funciones de muchos parámetros, aunque el más importante es posiblemente la temperatura; se definen como :
dónde:
Una vez resuelta la ecuación de Rachford-Rice para β , las composiciones x i e y i se pueden calcular inmediatamente como:
La ecuación de Rachford-Rice puede tener múltiples soluciones para β , de las cuales como máximo una garantiza que todas las x i e y i serán positivas. En particular, si solo hay una β para la cual:
entonces β es la solución; si hay múltiples β' de este tipo , significa que K max <1 o K min >1, lo que indica respectivamente que no puede mantenerse ninguna fase gaseosa (y por lo tanto β = 0) o, a la inversa, que no puede existir ninguna fase líquida (y por lo tanto β = 1).
Es posible utilizar el método de Newton para resolver la ecuación del agua anterior, pero existe el riesgo de converger al valor incorrecto de β ; es importante inicializar el solucionador a un valor inicial razonable, como ( β max + β min )/2 (que sin embargo no es suficiente: el método de Newton no ofrece garantías de estabilidad) o, alternativamente, utilizar un solucionador de horquillado como el método de bisección o el método de Brent , que están garantizados para converger pero pueden ser más lentos.
El flash de equilibrio de líquidos multicomponentes se utiliza ampliamente en refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y químicas y plantas de procesamiento de gas natural .
El secado por aspersión a veces se considera una forma de evaporación instantánea. Sin embargo, aunque es una forma de evaporación de líquidos, es bastante diferente de la evaporación instantánea.
En el secado por aspersión, una suspensión de sólidos muy pequeños se seca rápidamente mediante su suspensión en un gas caliente. La suspensión primero se atomiza en gotitas de líquido muy pequeñas que luego se rocían en una corriente de aire caliente y seco. El líquido se evapora rápidamente dejando atrás polvo seco o gránulos sólidos secos. El polvo seco o los gránulos sólidos se recuperan del aire de escape mediante el uso de ciclones , filtros de mangas o precipitadores electrostáticos .
Durante los terremotos puede producirse una vaporización o deposición repentina natural que dé lugar a la deposición de minerales retenidos en soluciones sobresaturadas , a veces incluso minerales valiosos en el caso de aguas auríferas que contienen oro. Esto se produce cuando los bloques de roca son arrastrados y empujados rápidamente unos a otros por fallas de empuje . [8]
