La evaporación instantánea (o evaporación parcial ) es el vapor parcial que se produce cuando una corriente de líquido saturado sufre una reducción de presión al pasar a través de una válvula reguladora u otro dispositivo regulador. Este proceso es una de las operaciones unitarias más simples . Si la válvula o dispositivo de estrangulación está ubicado en la entrada de un recipiente a presión de modo que la evaporación instantánea se produzca dentro del recipiente, entonces el recipiente a menudo se denomina tambor flash . [1] [2]
Si el líquido saturado es un líquido de un solo componente (por ejemplo, propano o amoníaco líquido ), una parte del líquido "se transforma inmediatamente en vapor". Tanto el vapor como el líquido residual se enfrían hasta la temperatura de saturación del líquido a presión reducida. Esto a menudo se denomina "autorrefrigeración" y es la base de la mayoría de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor convencionales .
Si el líquido saturado es un líquido de múltiples componentes (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 de líquido en ebullición ( 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 de calor alrededor de la válvula o dispositivo de estrangulación, se utiliza para predecir qué cantidad de líquido de un solo componente se vaporiza.
Si los datos de entalpía requeridos para la ecuación anterior no están disponibles, entonces se puede usar 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 estrangulación.
Este tipo de evaporación instantánea se utiliza en la desalinización de agua salobre o de océano mediante "destilación instantánea multietapa ". El agua se calienta y luego se dirige a una "etapa" de evaporación instantánea a presión reducida donde parte del agua se convierte en vapor. A continuación, este vapor se condensa en agua sin sal. El líquido salado residual de esa primera etapa se introduce en una segunda etapa de evaporación instantánea a una presión menor que la presión de la primera etapa. Se vierte más agua en vapor que posteriormente también se condensa en más agua sin sal. Este uso secuencial de múltiples etapas de evaporación instantánea continúa hasta que se cumplan los objetivos de diseño del sistema. Una gran parte de la capacidad de desalinización instalada en el mundo utiliza destilación flash multietapa. Normalmente, estas plantas tienen 24 o más etapas secuenciales de evaporación instantánea.
El equilibrio instantáneo de un líquido de múltiples componentes se puede visualizar 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 instantáneo y líquido residual en equilibrio entre sí a una temperatura y presión determinadas requiere una solución iterativa de prueba y error. Este cálculo se conoce comúnmente como cálculo instantáneo de equilibrio. Se trata de resolver la ecuación de Rachford-Rice : [4] [5] [6] [7]
dónde:
Las constantes de equilibrio Ki son en general funciones de muchos parámetros, aunque podría decirse que el más importante es la temperatura ; se definen como:
dónde:
Una vez que se ha resuelto la ecuación de Rachford-Rice para β , las composiciones x i y y i se pueden calcular inmediatamente como:
La ecuación de Rachford-Rice puede tener múltiples soluciones para β , como máximo una de las cuales garantiza que todas x i y y i serán positivas. En particular, si existe sólo un β para el cual:
entonces esa β es la solución; si hay múltiples β's , significa que K max <1 o K min >1, lo que indica respectivamente que no se puede sostener ninguna fase gaseosa (y por lo tanto β =0) o por el contrario, 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 entre corchetes como el método de bisección o el método Brent , que están garantizados para converger pero pueden ser más lentos.
El equilibrio instantáneo de líquidos multicomponente 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 líquida, es bastante diferente de la evaporación instantánea.
En el secado por aspersión, una suspensión de sólidos muy pequeños se seca rápidamente mediante suspensión en un gas caliente. Primero se atomiza la suspensión en gotas de líquido muy pequeñas que luego se rocían en una corriente de aire caliente y seco. El líquido se evapora rápidamente dejando polvo seco o gránulos sólidos secos. El polvo seco o los gránulos sólidos se recuperan del aire de escape mediante ciclones , filtros de mangas o precipitadores electrostáticos .
La vaporización repentina natural o la deposición repentina pueden ocurrir durante los terremotos , lo que resulta en la deposición de minerales contenidos 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 rápidamente arrancados y empujados unos de otros por fallas de avance . [8]
