Evaporador de circulación

Los evaporadores de circulación son un tipo de unidad de evaporación diseñada para separar mezclas que no se pueden evaporar con una unidad de evaporación convencional. La evaporación de circulación incorpora el uso de intercambiadores de calor y unidades de separación instantánea junto con la circulación del disolvente para eliminar mezclas líquidas sin ebullición convencional . Hay dos tipos de evaporación de circulación: evaporadores de circulación natural y evaporadores de circulación forzada, los cuales todavía se utilizan actualmente en la industria, aunque los sistemas de circulación forzada, que tienen una bomba de circulación a diferencia de los sistemas naturales sin fuerza motriz, tienen una gama mucho más amplia de usos apropiados.

Los evaporadores se diseñan con dos objetivos clave: ¿el equipo que se va a seleccionar es el más adecuado para la tarea? y ¿la disposición es la más eficiente y económica? ^[1] La transferencia de calor afecta en gran medida al diseño del evaporador, ya que representa el mayor costo en su operación. El evaporador más adecuado tendrá el coeficiente de transferencia de calor más alto por dólar de costo del equipo. ^[2] Al optimizar el diseño de un evaporador, otra consideración importante es la economía de vapor (kg de solvente evaporado por kilogramo de vapor utilizado). La mejor manera de lograr altas economías (que pueden ser muy superiores al 100%) es utilizar un evaporador de efecto múltiple , por el cual el vapor de un evaporador (o efecto) se utiliza para calentar la alimentación en el siguiente efecto, donde la ebullición ocurre a menor presión y temperatura ^[3] La termocompresión del vapor, por la cual el vapor se condensará a una temperatura lo suficientemente alta como para ser reutilizado para el siguiente efecto a través de la compresión, también aumentará la eficiencia. Sin embargo, una mayor eficiencia energética solo se puede lograr mediante mayores costos de capital y una regla general es que cuanto más grande sea el sistema, más se recuperará aumentando la eficiencia térmica del evaporador. ^[1]

Sin embargo, la transferencia de calor no es el único criterio de diseño, ya que el evaporador más apropiado también depende de las propiedades de la alimentación y los productos. Es necesario considerar la cristalización , la salazón y la formación de incrustaciones, la calidad del producto y su sensibilidad al calor, el potencial de formación de espuma de la solución, la viscosidad de la alimentación (que aumenta con la evaporación) y su naturaleza (suspensión o concentrado). ^{[2] [3]} Para los evaporadores de efecto simple que se utilizan en procesos a pequeña escala con bajo rendimiento de material, se pueden utilizar balances de material y energía para diseñar y optimizar el proceso. Al diseñar evaporadores de efecto múltiple, los métodos de prueba y error con muchas iteraciones suelen ser los más rápidos y eficientes. Los pasos generales en el diseño son los siguientes, ^{[2] [3]} y se llevarían a cabo en Excel para facilitar el cálculo. También se podría utilizar otro software de diseño como Aspen Plus con funciones integradas para equipos de proceso.

1) Estime la distribución de temperatura en el evaporador, teniendo en cuenta las elevaciones del punto de ebullición. Si todas las superficies de calentamiento deben ser iguales, la caída de temperatura en cada efecto será aproximadamente inversamente proporcional al coeficiente de transferencia de calor en ese efecto.

2) Determine la evaporación total requerida y calcule el consumo de vapor para la cantidad de efectos elegidos.

3) Calcule la evaporación en el primer efecto a partir de la temperatura de alimentación o el caudal supuestos. Repita el procedimiento para los efectos siguientes y verifique que los supuestos iniciales e intermedios sigan siendo válidos. Además, determine si la calidad del producto ha cumplido con las especificaciones requeridas en el último efecto.

4) Verifique si se cumplieron los requisitos de calor y si el producto cumple con las especificaciones deseadas. De lo contrario, repita los pasos anteriores con un supuesto diferente de flujo de vapor en el primer efecto.

5) Ahora que se conocen las concentraciones en cada efecto, vuelva a calcular los aumentos del punto de ebullición para determinar las cargas térmicas. Con esta información, revise los coeficientes de transferencia de calor de las diferencias de temperatura supuestas y, luego, determine los requisitos de superficie de calentamiento.

6) Dados suficientes datos, basados ​​en las condiciones anteriores, los coeficientes de transferencia de calor se pueden calcular de forma más rigurosa y los requisitos de calentamiento de la superficie se pueden ajustar en consecuencia para brindar un diseño más confiable y representativo del sistema físico en sí.

Una vez que se han diseñado los componentes del evaporador, se deben diseñar y/o especificar equipos auxiliares, como bombas (en particular para evaporadores de circulación forzada) y calentadores, para que el sistema tenga una estimación fiable del rendimiento y del costo del sistema en su conjunto. Estos se basarían en las especificaciones determinadas en los cálculos anteriores.

Las principales características del proceso son las que se basan en la evaporación, específicamente mediante el intercambio de calor y la manipulación de la presión. Se trata de un procedimiento de separación flash que incluye el calentamiento de una mezcla de líquido base y la circulación forzada a través del sistema mediante bombeo.

La evaporación por circulación forzada/natural se utiliza cuando no se desea que hiervan los líquidos básicos. Se desarrolló específicamente para el procesamiento y la separación de líquidos en los que se produce cristalización y formación de incrustaciones. ^[1] El evaporador utiliza partes separadas para crear el sistema general; un intercambiador de calor, un tanque de separación y, para el sistema de circulación forzada (a diferencia del sistema de circulación natural), una bomba de circulación son estándar, aunque pueden estar sujetas a cambios según las propiedades de los líquidos de las mezclas que se separan y el diseño específico. Las unidades del intercambiador de calor (donde tiene lugar la transferencia térmica) se denominan unidades de calentamiento o calandria (para intercambiadores de calor de un solo tubo). El tanque de separación de líquido-vapor se denomina separador flash, cámara flash o recipiente flash. El módulo básico de un evaporador se conoce como el "cuerpo" del evaporador y se refiere a la calandria y la cámara flash. El término "efecto" se utiliza para describir el cuerpo donde se extrae el vapor de la materia prima y funciona en el mismo punto de ebullición. ^[4]

La evaporación es la eliminación del disolvente en forma de vapor de una solución. En la mayoría de los sistemas de evaporación, el disolvente es agua y el calor se obtiene por condensación de vapor. ^[4] En una evaporación de circulación forzada, el líquido circula constantemente por el sistema. La mezcla se mueve a través del intercambiador de calor, donde se sobrecalienta bajo presión. ^[5] Para evitar la contaminación, se utiliza una velocidad de circulación alta, normalmente entre 1,5 y 4 m/s ^[6], aunque esto depende en última instancia de las propiedades del componente y se puede manipular fácilmente con la bomba de circulación. El líquido se presuriza a través del intercambiador de calor externamente mediante estabilizadores de presión, como válvulas u orificios, o hidrostáticamente dentro del sistema. ^[1]

El calentamiento del líquido a través del intercambiador de calor se mantiene mínimo con una diferencia de temperatura estándar de 2 a 3 K. ^[1] A medida que el líquido ingresa al recipiente de evaporación instantánea, la presión se reduce ligeramente por debajo de la del intercambiador de calor y se produce la evaporación instantánea. La corriente de vapor se separa de la corriente de líquido. Este vapor normalmente no es el producto deseado de la unidad de evaporación. Como tal, el vapor se puede recolectar o eliminar según el sistema. Luego, la solución líquida enriquecida se recolecta de la misma manera que el vapor o se recircula nuevamente a través del sistema.

Esto da como resultado una alta tasa de recirculación dentro del rango de 100–150 kg de líquido (disolvente) recirculado por kg de vapor eliminado. Estas altas tasas de recirculación dan como resultado altas velocidades de licor a través del tubo y, a su vez, minimizan la acumulación de cristales y otros depósitos y, a su vez, minimizan las incrustaciones. ^[1] Es importante señalar que en aplicaciones de cristalización, la cristalización aún ocurre en el separador flash y en algunos sistemas específicos se necesita una separación adicional de partículas sólidas de la suspensión recirculada. ^{[ cita requerida ]}

Al diseñar un evaporador de circulación forzada, hay tres consideraciones que se deben tener en cuenta: el calor transferido, la separación del vapor del líquido y la eficiencia del consumo de energía. ^[4] Todas estas consideraciones deben maximizarse para crear un sistema eficiente. Como se mantiene la circulación y el calentamiento del sistema, las temperaturas del líquido y los caudales se pueden controlar específicamente para adaptarse a los requisitos del producto ^[7] y, como tal, se pueden alcanzar velocidades óptimas de los tubos, lo que da como resultado un sistema diseñado de manera eficiente que aborda las consideraciones de diseño. ^[8]

Los evaporadores de circulación forzada tienen una alta velocidad del líquido y, por lo tanto, una alta turbulencia ^[6], lo que equivale a altos coeficientes de transferencia de calor. El sistema contiene circulación positiva, está libre de incrustaciones, incrustaciones o salinización y es adecuado para soluciones corrosivas y viscosas. ^[8]

Las características de funcionamiento se manipulan específicamente para ajustarse a los criterios de aplicación. Sin embargo, los evaporadores de circulación forzada son versátiles en su aplicación y se pueden utilizar en una amplia variedad de aplicaciones (consulte aplicaciones). Por ejemplo, son ideales para operaciones de cristalización. Los valores de concentración de los evaporadores de circulación forzada pueden soportar más que los límites de los evaporadores tubulares convencionales cuando se maneja la alimentación con sales disueltas y, a menudo, se utilizan como evaporador de acabado para la concentración de líquidos a alto contenido de sólidos después de la evaporación multietapa, TVR o MVR con bajo contenido de sólidos. ^[9]

Se pueden utilizar múltiples efectos de calentamiento para aumentar la eficiencia térmica. ^{[10] [4]} En este diseño de sistema, el vapor extraído se utiliza como medio de calentamiento para el segundo efecto de calentamiento a una presión más baja que el primer efecto. Esto se puede repetir para múltiples efectos.

La evaporación por circulación natural se basa esencialmente en corrientes de convección naturales manipuladas a través de las tuberías del sistema para crear circulación. La circulación por convección se logra mediante la formación de burbujas. Las burbujas son de menor densidad y ascienden a través del líquido para promover la elevación hacia el recipiente de evaporación. ^[11]

Físicamente, los evaporadores de circulación natural utilizan un haz de tubos cortos dentro de la bandeja de lotes o tienen un intercambiador de calor externo de carcasa y tubos fuera del recipiente principal (como se muestra en el diagrama) ^[1]. Normalmente se utiliza calentamiento externo a través de intercambiadores de calor, ya que tiene la ventaja de que no depende del tamaño o la forma de la calandria. De esta manera, se pueden obtener mayores capacidades para el tanque de separación flash. ^[1]

La eliminación de la bomba de circulación reduce los costos operativos; sin embargo, debido a las características del sistema mencionadas anteriormente, el evaporador tiene un tiempo de residencia prolongado y caudales bajos, ^[11] lo que hace que sus usos sean mucho más limitados que los de un evaporador de circulación forzada. La aplicación más común de la evaporación por circulación natural es como recalentador para columnas de destilación.

Actualmente, existe una amplia gama de evaporadores de circulación forzada que están diseñados específicamente para llevar a cabo distintas aplicaciones.

Los evaporadores de circulación forzada de placas utilizan una bomba centrífuga que fuerza al líquido a circular a través de las estructuras de placas y el intercambiador de calor. ^[12] La flexibilidad de este diseño es una ventaja importante, ya que la tasa de evaporación se puede manipular agregando o quitando placas adicionales, lo que le permite realizar una amplia gama de tareas que requieren un mayor coeficiente de transferencia de calor. Más específicamente, los productos con mayor viscosidad se han adaptado mejor a este diseño, y el evaporador de circulación forzada de placas demuestra un mayor rendimiento y una evaporación mejorada en comparación con el sistema de circulación forzada tubular. El líquido debe someterse a una temperatura sobrecalentada, que excede el punto de ebullición original del líquido en gran medida, lo que obliga a una evaporación rápida. Además de la flexibilidad, este sistema es compacto, solo necesita poco espacio y es fácil de limpiar ^[13] y mantener, ya que las placas son fácilmente accesibles. Con respecto a la idoneidad, este diseño se está utilizando actualmente en procesos que involucran líquidos con tasas de evaporación bajas a medias y consisten en porciones diminutas de solutos no disueltos con una capacidad casi nula para inducir incrustaciones.

Los evaporadores tubulares de circulación forzada emplean una bomba de circulación axial que hace circular el flujo de líquido a través del intercambiador de calor del sistema en el que se sobrecalienta. A partir de entonces, cuando el líquido llega al separador, la presión del líquido disminuye drásticamente, lo que obliga a que una parte del líquido se evapore rápidamente. Este diseño es específico para productos o partículas con un diámetro de más de 2 mm. ^[14] Como la acción de evaporación se produce solo en el separador y no en el intercambiador de calor, se reduce la formación de incrustaciones a pesar de los mayores niveles de turbulencia en el diseño. Alternativamente, otro parámetro de diseño es la optimización de la velocidad del líquido en el flujo del lado del tubo, que está regulada por la bomba de circulación. ^[1]

Los evaporadores de circulación forzada en la industria alimentaria utilizan diseños modificados que imitan el sistema original, pero implican unidades de vapor secundarias adicionales para mejorar el flujo de circulación forzada. ^[13] Mientras que el diseño de efecto simple emplea una unidad condensadora para estimular una acción de condensación posterior a la entrada de vapor desde el intercambiador de calor, el diseño de doble efecto cumple una función similar, pero el componente adicional actúa para reducir la presión general en el sistema. En comparación, el sistema de triple efecto se utiliza cuando se necesitan altos niveles de evaporación efectiva con un mínimo de mano de obra. ^[1] En este diseño, el líquido ingresa al tercer efecto a baja temperatura y se mueve a la segunda corriente en la que se aumenta la concentración debido al efecto de evaporación anterior. Finalmente, la concentración óptima del producto se logra en el primer efecto. ^[1]

En lo que respecta a los componentes de diseño de los sistemas de evaporación por circulación forzada, los intercambiadores de calor pueden variar. Los intercambiadores de carcasa y tubos son los más comunes debido a su diseño flexible que puede adaptarse a distintos valores de presión y temperatura. ^[1] Los intercambiadores de circulación forzada pueden emplear intercambiadores de calor de carcasa y tubos horizontales o verticales, lo que permite el intercambio de calor entre fluidos dentro y fuera de los tubos (que existen dentro del intercambiador de calor). Los líquidos con altos niveles de soluto generalmente requieren intercambiadores de calor verticales, que son los más utilizados. ^[1]

La evaporación generalmente se refiere a la evaporación del agua de una mezcla o solución que contiene otro líquido o sólidos finos. Esta corriente concentrada es en la mayoría de los casos el producto y, como tal, la única corriente de desechos es agua pura, que no representa ningún riesgo para el medio ambiente y puede eliminarse en el sistema de aguas pluviales o cloacales. En el caso en que el concentrado sea la corriente de desechos, como en la evaporación de agua salada para producir agua potable, el concentrado de sal debe dispersarse nuevamente en los océanos o secarse aún más y enviarse para su eliminación o uso en otras operaciones. En la mayoría de los casos, no hay corrientes de desechos peligrosos asociadas con los evaporadores de circulación natural y forzada.

Los evaporadores de circulación natural/forzada tienen muchas ventajas, lo que los convierte en la opción más popular de evaporador en la industria. ^[15]

El líquido que entra en el evaporador de circulación hervirá en el separador, no en una superficie de calentamiento, lo que minimiza la formación de incrustaciones, mientras que con los evaporadores de placas, la ebullición se producirá en una superficie de calentamiento. ^[15] Es por esta razón que los evaporadores de circulación son los preferidos para líquidos con una mayor tendencia a la formación de incrustaciones. La formación mínima de incrustaciones también significa que los ciclos de limpieza no son tan frecuentes como con otros evaporadores, como los de placas. ^[4]

Los evaporadores de circulación son bastante compactos y son fáciles de limpiar y operar. ^[13] También se pueden adaptar fácilmente según el producto que se necesite obtener. ^[15] Tienen un alto coeficiente de transferencia de calor , así como un alto flujo de circulación, ^{[4] [13]} que trabajan para aumentar la eficiencia del evaporador.

Una de las principales limitaciones de los evaporadores de circulación forzada/natural es el coste. Los evaporadores de circulación tienen unos costes de construcción especialmente elevados, mientras que los evaporadores de película descendente tienen un coste de inversión bajo. Los evaporadores de película descendente no tienen una parte interna giratoria y, por tanto, no sufren deterioro mecánico, mientras que los evaporadores de circulación tienen unos costes de mantenimiento elevados. ^{[13] [15]}

Aunque ya se ha descrito como una ventaja, el alto caudal de circulación también tiene un inconveniente. La mayor velocidad puede provocar que el equipo se corroa a un ritmo más rápido, lo que aumentará el coste total de funcionamiento del evaporador, teniendo en cuenta lo caro que es su mantenimiento en comparación con otros evaporadores.

Los evaporadores de circulación natural o forzada tienen un papel importante en la industria de alimentos y bebidas. En concreto, se pueden utilizar en procesos que producen concentrado de jugo de tomate , concentrado de frutas (tropicales y de frutos rojos) y cuando es necesario eliminar el agua de determinadas materias primas de forma que se mantengan las propiedades de las mismas. ^[4]

En general, se requieren evaporadores de circulación forzada cuando las características de ensuciamiento de un líquido causarán problemas si el líquido hierve en una superficie de calentamiento. ^{[16] [8]} Estos evaporadores también se utilizan para líquidos con un alto contenido de sólidos y una alta viscosidad. ^{[4] [9]}

Existen otros procesos que requieren el uso de evaporadores de circulación forzada, que funcionan particularmente bien como evaporadores cristalizadores. ^[15] Estos incluyen procesos que producen sal, agua de maceración de maíz y carbonato de calcio. ^[9]

Los evaporadores de circulación natural se utilizan en otros procesos como los que producen hidróxido de sodio anhidro (cáustico), remolacha azucarera, licores particularmente espumosos o que tienen una viscosidad baja a moderada y líquidos precipitantes. ^[15]

Los evaporadores de circulación natural/forzada también son necesarios en las plantas de tratamiento de efluentes y en la industria química y farmacéutica . ^[8]

Las mejoras en el diseño de los evaporadores de circulación forzada/natural han tenido implicaciones significativas para los productos y procesos industriales. La aparición de instalaciones de intercambiadores autolimpiantes que contienen un movimiento circulante externo para las partículas ha reducido drásticamente los niveles de ensuciamiento. ^[17] Además, el uso de evaporadores de circulación forzada en plantas de evaporación de efecto múltiple, ^[5] como se describió anteriormente en la sección de diseños disponibles, ha ampliado significativamente las aplicaciones para líquidos que tienen altas viscosidades, se pueden depositar fácilmente y requieren concentraciones más altas. Se pueden extraer más pruebas del estudio de caso sobre el vertedero del norte de Italia, en el que el biogás en un evaporador de efecto simple no pudo evaporar completamente el lixiviado. Como resultado, se utilizó un evaporador de circulación forzada de triple efecto. ^[18]