evaporación instantánea

La evaporación instantánea (o evaporación parcial ) es la vaporización parcial que se produce cuando una corriente de líquido saturado experimenta 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 el dispositivo de estrangulamiento se encuentra a la entrada de un recipiente a presión , de modo que la evaporación instantánea se produce dentro del recipiente, este se denomina a menudo tambor de evaporación instantánea . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Si el líquido saturado es monocomponente (por ejemplo, propano o amoníaco líquido ), una parte se vaporiza inmediatamente. Tanto el vapor como el líquido residual se enfrían hasta la temperatura de saturación del líquido a presión reducida. Este proceso se conoce como «autorrefrigeración» y constituye 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 incontrolada puede provocar una explosión de vapor en expansión de un líquido en ebullición ( BLEVE ).

La evaporación instantánea de un líquido monocomponente es un proceso isoentálpico y se conoce comúnmente como evaporación adiabática . La siguiente ecuación, derivada de un simple balance térmico alrededor de la válvula o dispositivo de estrangulamiento, se utiliza para predecir la cantidad de líquido monocomponente que se vaporiza.

${\displaystyle X={\frac {H_{u}^{L}-H_{d}^{L}}{H_{d}^{V}-H_{d}^{L}}}}$^{[ 3 ]}

Si no se dispone de los datos de entalpía necesarios para la ecuación anterior, se puede utilizar la siguiente ecuación.

${\displaystyle X={\frac {c_{p}(T_{u}-T_{d})}{H_{v}}}}$

En este contexto, 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 agua de mar mediante la 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 instantáneamente en vapor. Este vapor se condensa posteriormente en agua destilada. El líquido salino residual de la primera etapa se introduce en una segunda etapa de evaporación instantánea a una presión inferior a la de la primera etapa. Se evapora más agua, que también se condensa posteriormente en más agua destilada. Este uso secuencial de múltiples etapas de evaporación instantánea continúa hasta que se cumplen los objetivos de diseño del sistema. Gran parte de la capacidad de desalinización instalada en el mundo utiliza la destilación instantánea multietapa. Normalmente, estas plantas cuentan con 24 o más etapas secuenciales de evaporación instantánea.

La evaporación instantánea en equilibrio de un líquido multicomponente puede visualizarse como un proceso de destilación simple que utiliza una única etapa de equilibrio . Es muy diferente y más complejo que la evaporación instantánea de un líquido monocomponente. Para un líquido multicomponente, el cálculo de 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 . Dicho cálculo se conoce comúnmente como cálculo de evaporación instantánea en equilibrio. Implica resolver la ecuación de Rachford-Rice : ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

${\displaystyle \sum _{i}{\frac {z_{i}\,(K_{i}-1)}{1+\beta \,(K_{i}-1)}}=0}$

dónde:

• z _i es la fracción molar del componente i en el líquido de alimentación (se supone que es conocida);
• β es la fracción de la alimentación que se vaporiza;
• K _i es la constante de equilibrio del componente i .

Las constantes de equilibrio K _i son, en general, funciones de muchos parámetros, aunque posiblemente el más importante sea la temperatura; se definen como:

${\displaystyle y_{i}=K_{i}\,x_{i}}$

dónde:

• x _i es la fracción molar del componente i en la fase líquida;
• y _i es la fracción molar del componente i en fase gaseosa.

Una vez resuelta la ecuación de Rachford-Rice para β , las composiciones x _i e y _i se pueden calcular inmediatamente como:

${\displaystyle {\begin{aligned}x_{i}&={\frac {z_{i}}{1+\beta (K_{i}-1)}}\\y_{i}&=K_{i}\,x_{i}.\end{aligned}}}$

_{La ecuación de} Rachford-Rice puede tener múltiples soluciones para β , de las cuales como máximo una garantiza que todos los x _{i e} y i serán positivos. En particular, si solo hay un β para el cual:

${\displaystyle {\frac {1}{1-K_{\text{max}}}}=\beta _{\text{min}}<\beta <\beta _ {\text{max}}={\frac {1}{1-K_{\text{min}}}}}$

entonces que 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 se puede mantener 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 a un valor incorrecto de β ; es importante inicializar el solucionador con un valor inicial razonable, como ( β _max + β _min )/2 (lo cual, sin embargo, no es suficiente: el método de Newton no ofrece garantías de estabilidad), o, alternativamente, utilizar un solucionador de acotación como el método de bisección o el método de Brent , que garantizan la convergencia pero pueden ser más lentos.

La evaporación instantánea en 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 pulverización a veces se considera una forma de evaporación instantánea. Sin embargo, aunque se trata de una forma de evaporación de líquidos, es bastante diferente de la evaporación instantánea.

En el secado por pulverización, una suspensión de sólidos muy pequeños se seca rápidamente al sumergirla en un gas caliente. La suspensión se atomiza primero en diminutas gotitas líquidas que luego se pulverizan en una corriente de aire caliente y seco. El líquido se evapora rápidamente, dejando tras de sí 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 instantánea natural o la deposición instantánea pueden ocurrir durante los terremotos, lo que resulta en la deposición de minerales contenidos en soluciones sobresaturadas , a veces incluso mena valiosa en el caso de aguas auríferas. Esto sucede cuando bloques de roca son empujados y empujados rápidamente entre sí por fallas de tipo jog . ^{[ 8 ]}

• Evaporador
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