Un evaporador es un tipo de dispositivo intercambiador de calor que facilita la evaporación mediante la utilización de transferencia de calor conductiva y convectiva para proporcionar la energía térmica necesaria para la transición de fase de líquido a vapor. Dentro de los evaporadores, un líquido en circulación se expone a un ambiente 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 de evaporador son:
El calor se transfiere a través de las paredes del tubo al líquido del interior mediante conducción, proporcionando la energía térmica necesaria para la evaporación. Las corrientes convectivas en el interior también contribuyen a la eficiencia de la transferencia de calor.
Existen varios diseños de evaporadores adecuados para diferentes aplicaciones, incluidos evaporadores de carcasa y tubos, de placas y de inundación, comúnmente utilizados en procesos industriales como desalinización, generación de energía y aire acondicionado. Los evaporadores de tipo placa ofrecen compacidad, mientras que los diseños de múltiples etapas permiten tasas de evaporación mejoradas con tareas de calor más bajas. El rendimiento general de los evaporadores depende de factores como el coeficiente de transferencia de calor, las propiedades del material del tubo/placa, el régimen de flujo y la calidad del vapor lograda.
Para mantener el rendimiento térmico del evaporador a lo largo del tiempo, se emplean técnicas de control avanzadas, como la detección de incrustaciones en línea. 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 lleva a una generación de vapor más eficiente desde el punto de vista energético. Los evaporadores siguen siendo operaciones unitarias esenciales en muchas industrias debido a su capacidad para separar fases mixtas 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 energía térmica a su entorno. [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 producir 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 disolventes 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 desalinización de agua de mar o en plantas de Descarga Líquida Cero , se aplica el propósito inverso; La evaporación elimina el agua potable deseable 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 barcos grandes suelen llevar plantas de evaporación para producir agua dulce, lo que reduce su dependencia de los suministros en tierra. Los buques de vapor deben producir destilado de alta calidad para mantener los niveles de agua de las calderas . 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 a través de un intercambio 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 evaporar vapor de agua a menos que la presión en el recipiente del intercambiador de calor sea abandonó.
Luego se utiliza una bomba venturi eyectora de salmuera y aire 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 la condensación. El destilado se recoge 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 realiza después del evaporador.
Los evaporadores suelen ser del tipo de carcasa y tubos (conocido como Planta Atlas) o del tipo de placas (como el tipo diseñado por Alfa Laval ). La temperatura, la producción y el vacío se controlan mediante la regulación de 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 esta razón, 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 de guerra y los 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 comprende 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 utilizando el mismo diseño principal. Una fuente de calor está en contacto con el líquido provocando que se evapore. El vapor se elimina por completo (como al cocinar), o se almacena para su reutilización (como en un refrigerador) o como producto para aislamiento (aceite esencial).
Los evaporadores rotatorios utilizan una bomba de vacío para crear una presión baja sobre un solvente y al mismo tiempo rotan el matraz de líquido para aumentar el área de superficie y disminuir el tamaño de las burbujas. Normalmente, el vapor pasa sobre un dedo o serpentín frío para que el material vaporizado no dañe la bomba. El evaporador rotatorio se utiliza mejor para eliminar disolvente de 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 hecho de tubos de 4 a 8 m (13 a 26 pies) encerrados por camisas de vapor. La distribución uniforme de la solución es importante cuando se utiliza este tipo de evaporador. La solución entra y gana velocidad a medida que fluye hacia abajo. Este aumento de velocidad se atribuye a que el vapor se desprende contra el medio calefactor, que también fluye hacia abajo. Este evaporador suele aplicarse a soluciones muy viscosas , por lo que se utiliza frecuentemente en la industria química, azucarera, alimentaria y de fermentación.
Este tipo de evaporador es útil para concentrar una solución. [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 delgada 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 y 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 de vapor y película.
Los evaporadores de placas de película ascendente y descendente tienen una superficie relativamente grande. Las placas suelen ser onduladas 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 a 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 frecuentemente en las industrias láctea y de fermentación ya que tienen flexibilidad espacial. Un punto negativo de este tipo de evaporadores es su limitada capacidad para tratar productos viscosos o que contienen sólidos. Existen otros tipos de evaporadores de placas que funcionan únicamente con película trepadora.
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 simple efecto es muy elevado y constituye la mayor parte del coste de un sistema de evaporación. La instalación de evaporadores ahorra calor y, por tanto, 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 agregando una cierta cantidad de efectos.
El número de efectos en un evaporador de efectos múltiples generalmente se limita a siete porque, después de eso, el costo del equipo se acerca al ahorro de costos debido a 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 empezado a utilizar sistemas de evaporadores al vacío de efecto múltiple (con bomba de calor ). Se sabe que son energética 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 propensos a formar incrustaciones. [6]
La evaporación agitada de película fina 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 del producto que fluye en condiciones controladas. La separación normalmente se realiza en condiciones de vacío para maximizar ∆T mientras se mantiene la temperatura más favorable del producto, de modo que el producto solo vea 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 manera ineficiente debido a una pérdida de circulación. Es posible que sea necesario cambiar la bomba de un evaporador si es necesario utilizar el evaporador para concentrar una solución altamente viscosa.
El ensuciamiento también ocurre cuando se forman depósitos duros en las superficies de los medios de calentamiento en los evaporadores. En los alimentos, las proteínas y los polisacáridos pueden crear depósitos que reducen la eficiencia de la transferencia de calor. La formación de espuma también puede crear un problema, ya que tratar el exceso de espuma puede resultar costoso en tiempo y eficiencia. Se utilizan agentes antiespumantes , pero sólo unos pocos pueden utilizarse cuando se procesan alimentos.
La corrosión también puede ocurrir cuando se concentran soluciones ácidas como jugos de cítricos . El daño superficial causado puede acortar la larga 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.
