Evaporators & Crystallizers
Heating options for thermal separation plants
Traditionally, an evaporator or crystallizer is heated by live steam, but waste heat (e.g. recompressed vapor, drier vapor, hot water or thermal oil) can be used as energy source as well, as long as the amount of energy required for the thermal separation process is given.
Opciones de calentamiento para las plantas de separación térmica
Tradicionalmente, un evaporador o cristalizador se calienta con vapor vivo, pero el calor residual (por ejemplo, el vapor recomprimido, el vapor más seco, el agua caliente o el aceite térmico) puede utilizarse también como fuente de energía, siempre que se dé la cantidad de energía necesaria para el proceso de separación térmica.
Calentado por vapor (efecto simple / múltiple)
A Producto / B Concentrado / C Condensado / D Vapor de calentamiento / E Vapor
Para la evaporación de agua en un evaporador de efecto simple, aproximadamente 1 t/h de vapor vivo producirá alrededor de 1 t/h de vapor, ya que los valores de calor específico de evaporación en el lado del calentamiento y del producto son aproximadamente los mismos.
Si los vapores del producto de un efecto de evaporación se utilizan para calentar otro efecto de evaporación que funciona a menor presión, el consumo de vapor del sistema global se reducirá en consecuencia.
Si la cantidad de vapor producida por la energía primaria se utiliza como vapor de calentamiento en un segundo efecto, el consumo de energía del sistema global se reduce en aproximadamente un 50%. Este principio puede continuar con otros efectos para ahorrar aún más energía.
| Vapor vivo [t/h] | Vapor [t/h] | Consumo específico de vapor | |
| planta de 1 efecto | 1 | 1 | 100% |
| planta de 2 efecto | 1 | 2 | 50% |
| planta de 3 efecto | 1 | 3 | 33% |
| planta de 4 efecto | 1 | 4 | 25% |
La temperatura de calentamiento máxima del primer efecto en combinación con la temperatura de ebullición más baja del efecto final, definen una diferencia de temperatura global que puede dividirse entre los efectos individuales.
Esto significa que, en caso de que el número de efectos aumente, la diferencia de temperatura por efecto disminuye en consecuencia.
Por esta razón, las superficies de calentamiento de los efectos individuales deben ser dimensionadas convenientemente más grandes para lograr la velocidad de evaporación requerida a una diferencia de temperatura media más baja (∆ Tm). Una primera aproximación muestra que la superficie de calentamiento total de todos los efectos aumenta proporcionalmente al número de efectos. Como resultado, los costes de inversión aumentan considerablemente mientras que la cantidad de energía ahorrada es proporcionalmente menor.
Recompresión térmica del vapor (TVR)
A Producto / B Concentrado / C Condensado / D Vapor de calentamiento / E Vapor
Durante la recompresión del vapor, el vapor del separador se recomprime a la presión más alta de un lado de calentamiento del haz de tubos.
Aproximadamente la mitad del vapor producido por el proceso de evaporación puede ser reutilizado para el calentamiento, la otra mitad fluye hacia el siguiente efecto para impulsar el proceso allí. Se requiere una determinada cantidad de vapor, también denominado “vapor móvil”, para el funcionamiento de un recompresor térmico de vapor.
Para la recompresión térmica del vapor (TVR) se utilizan compresores de chorro de vapor. Funcionan de acuerdo con el principio de las bombas de chorro de vapor. No tienen piezas móviles y, por tanto, no tienen piezas de desgaste, lo que garantiza la máxima fiabilidad de funcionamiento. Los recompresores térmicos de vapor son de diseño propio.
GEA tiene más de cien años de experiencia en el suministro de bombas de chorro de vapor y compresores.
Recompresión mecánica de vapor (MVR)
A Producto / B Concentrado / C Condensado / D Vapor de calentamiento / E Vapor / El Energía eléctrica
Mientras que los compresores de chorro de vapor solo comprimen una parte del vapor que sale del evaporador, los recompresores mecánicos de vapor (MVR) son capaces de reciclarlo todo.
El vapor se recomprime hasta la presión de la temperatura del vapor de calentamiento correspondiente del evaporador, utilizando una pequeña cantidad de energía eléctrica en comparación con la entalpía recuperada en el vapor. La energía del vapor condensado se utiliza con frecuencia para precalentar la alimentación de producto.
Dependiendo de las condiciones de funcionamiento de la planta, puede ser necesaria una pequeña cantidad de vapor adicional o la condensación de una pequeña cantidad de vapor sobrante para mantener el equilibrio térmico global del evaporador y garantizar unas condiciones de funcionamiento estables, especialmente durante el arranque.
Debido a su sencillez y a su diseño de fácil mantenimiento, los ventiladores centrífugos de una etapa (suministrados como ventiladores de alta presión) se utilizan en las plantas de evaporación. Funcionan a altas velocidades de flujo y, por lo tanto, son adecuados para grandes caudales con relaciones de compresión de vapor de 1:1,2 a 1:2. Las velocidades de rotación suelen oscilar entre 3.000 y 12.000 rpm. Para aumentos de presión elevados, se pueden utilizar varios ventiladores.
Vapor frente a electricidad
Dependiendo de las condiciones locales y de los costes de los servicios públicos específicos del proyecto, se puede evaluar la opción de calentamiento más ecológica y rentable basándose en las cifras de consumo típicas.
La posibilidad de utilizar electricidad procedente de fuentes renovables en lugar de vapor procedente de combustibles fósiles es una de las mayores ventajas que ofrece el calentamiento eléctrico.
Consumo específico de servicios por tonelada de evaporación
| Vapor [t] | Electricidad [kWh] | Agua de refrigeración [m³ (∆T = 10K)] | |
| Vapor vivo | 1 | menor | 60 |
| 2 efectos | 0,5 | menor | 30 |
| 3 efectos | 0,33 | menor | 20 |
| 4 efectos | 0,25 | menor | 15 |
| TVR | ~0,5 | menor | 30 |
| MVR | menor | ~30-50 | menor |
No menos importante y de especial relevancia para las regiones áridas, el uso del calentamiento eléctrico reduce drásticamente la necesidad de agua de refrigeración. En definitiva, y con la economía circular y las nuevas tendencias a reducir el consumo de energía que toman un papel cada vez más preponderante, la MVR surge como la opción a seguir.
Varios procesos de cristalización funcionan a bajas temperaturas debido a las limitaciones del sistema de fases o a productos sensibles a la temperatura. Por lo tanto, se requiere un enfriamiento eficaz que puede ser inducido por el enfriamiento en vacío o por el enfriamiento superficial.
Vapor de secador calentado (plantas de evaporación)
El principal criterio para el uso de vapor de secador para calentar las plantas de evaporación es el punto de rocío de la mezcla de agua, vapor y aire, dado por la presencia de gases inertes y/o aire en ella. Cuanto mayor sea el punto de rocío, mayor será el contenido de vapor de agua y, por tanto, el contenido de energía utilizable.
Si los vapores de secador contienen polvo y grasa, esto podría caer en la calandria, perturbando o incluso impidiendo la transferencia de calor del calentamiento a la cámara de ebullición. Esto puede evitarse limpiando el vapor del secador en un depurador de vapor de GEA. Por lo general, un depurador de chorro y un ventilador de chorro líquido autocebante son perfectamente adecuados para esta aplicación.
El depurador de vapor puede funcionar con el condensado de vapores de la planta de evaporación. Así, no se necesita agua de proceso adicional -de este modo, la energía se puede almacenar y utilizar para calentar el evaporador y, simultáneamente, se limpia el escape del secador.
Enfriamiento en vacío (plantas de cristalización)
El enfriamiento en vacío es el método preferido, ya que el enfriamiento solo se genera por la expansión adiabática del disolvente y no se requiere una superficie de enfriamiento activa. Una superficie de enfriamiento activa de este tipo tendría que ser relativamente grande debido a los limitados coeficientes de transferencia de calor y presentaría el riesgo de incrustaciones debido a la disminución de las solubilidades a temperaturas más bajas.
El principal parámetro, así como la limitación para la refrigeración en vacío, es la presión de los vapores generados durante el proceso. Dependiendo de la presión requerida, se elegirá la mezcla más rentable entre las siguientes opciones disponibles:
- Condensación superficial o directa
- Agua de refrigeración o agua enfriada
- Con o sin eyector de vapor
Enfriamiento superficial (plantas de cristalización)
La refrigeración de la superficie se aplica cuando la temperatura requerida no puede alcanzarse mediante la refrigeración en vacío.
Este método utiliza una superficie de refrigeración activa (intercambiadores de calor de haz de tubos) refrigerada por cualquier medio de refrigeración disponible adecuado para las temperaturas de proceso requeridas.
Estos sistemas presentan el riesgo de mostrar tendencias a la formación de incrustaciones en los tubos de los intercambiadores de calor debido a las altas supersaturaciones locales en las superficies frías.
Para maximizar el ciclo de funcionamiento de estas unidades, su diseño debe ser muy sofisticado en cuanto al perfil de refrigeración, los coeficientes de transferencia de calor por diseño, las densidades de los sólidos y las velocidades de los tubos, así como la calidad de los mismos. Además, se dispone de procedimientos de limpieza eficaces que minimizan el tiempo de inactividad a un nivel aceptable.
Eyector de vapor frente a refrigerador (plantas de cristalización)
Para la refrigeración se utilizará un eyector de vapor o un refrigerador.
Mientras que los eyectores de vapor comprimen los vapores hasta un nivel de temperatura que permite la condensación contra el agua de refrigeración, los refrigeradores utilizan la energía eléctrica para generar un medio frío que permita la condensación de los vapores a baja presión.
En función de las condiciones locales del emplazamiento, así como de la disponibilidad y los precios de los servicios públicos, se toma la decisión de forma individualizada para ofrecer la solución más rentable y de menor consumo a cada cliente.
Con la economía circular y las nuevas tendencias para reducir el consumo de energía que toman un papel cada vez más preponderante, el refrigerador está surgiendo como la opción de preferencia. Ya se han renovado algunas plantas existentes para cambiar el eyector de vapor por un refrigerador.
