Seccions
Definició
L’evaporació al buit és una operació unitària que consisteix a concentrar una dissolució mitjançant l’eliminació del dissolvent per ebullició. En aquest cas, es duu a terme a una pressió inferior a l’atmosfèrica. Així, la temperatura d’ebullició és substancialment inferior a la corresponent a pressió atmosfèrica, fet que comporta un gran estalvi energètic.
L’evaporació al buit suposa un gran avanç en el tractament d’efluents líquids, permetent de forma eficient, neta, segura i compacta tractar eflluents que mitjançant tècniques fisicoquímiques o biològiques no és viable.
Algunes de les avantatges i possibilitats que presenta l’evaporació al buit:
- Reducció dràstica del volum de residu líquid (fet que suposa estalvi en gestió de residus)
- Concentració de residus corrosius o incrustants
- Reutilització de l’aigua recuperada
- Implementació de sistemes de vessament zero
L’evaporació és una operació controlada únicament per la velocitat de transferència de calor
Factors dels quals depèn la velocitat d’evaporació
Diferència de temperatura entre l’agent calefactor i el líquid a evaporar
La temperatura d’ebullició del líquid a evaporar va augmentant a mesura que es va concentrant. No obstant això, en operar en condicions de buit, la diferència de temperatura entre l’agent calefactor i el líquid a evaporar s’amplia, ja que la temperatura d’ebullició de la mescla és molt inferior a la corresponent a pressió atmosfèrica. Com més gran sigui la diferència de temperatures, més gran serà la velocitat d’evaporació.
Àrea d’intercanvi
L’àrea d’intercanvi efectiva depèn de la geometria de l’equip i de fenòmens inherents a la concentració de la dissolució, com és el cas de la deposició de sòlids o d’incrustacions sobre la superfície d’intercanvi. A major àrea, major capacitat d’intercanvi de calor i major velocitat d’evaporació.
Coeficient global de transferència de calor (U)
Aquest coeficient depèn de les propietats físiques dels fluids que intervenen (agent calefactor i líquid a evaporar), del material de la paret on es produeix l’intercanvi de calor, del disseny i geometria de l’equip, així com dels paràmetres de flux (velocitats de circulació dels fluids, etc.). Com més gran sigui aquest coeficient, més facilitat té l’equip per intercanviar calor.
Propietats del líquid a evaporar
La viscositat, la possibilitat de formació d’escumes, la seva capacitat de corroir, etc. influeixen a la pràctica en la velocitat de transferència de calor.
Paràmetres
El paràmetre clau del disseny d’un evaporador és el àrea d’intercanvi necessària per a l’evaporació. Per calcular aquesta àrea, s’han de plantejar balanços de matèria i energia. Per al cas d’un evaporador en què s’alimenta un corrent F i s’extreuen dos corrents, la de concentrat S i la de destil·lat E, com el de la figura:
Es poden plantejar aquests balanços de matèria i energia:
Balanç de matèria global
F = E + S
V = C
Balanç de matèria per al solut
F x F = S x S
Balanços d’energia:
V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = U A ΔT
- Q: cabal de calor transmès a través de la superfície de calefacció de l’evaporador.
- U: el coeficient global de transferència de calor.
- A: l’àrea necessària per a l’evaporació
- ΔT: la diferència de temperatures entre l’agent calefactor i el líquid a evaporar
Un dels elements que estableix diferències importants de funcionament entre els tipus d’evaporadors al buit és la tecnologia que utilitzen per escalfar l’efluent a evaporar, aspecte que determina els costos d’operació.
Així, podem trobar els següents:
Tipus d’evaporadors
Els evaporadors al buit permeten tractar un corrent residual aquós de forma eficient, senzilla i sense utilització de reactius. Són altament eficaços fins i tot quan les tecnologies convencionals no són viables. El fet de treballar en condicions de buit permet reduir la temperatura d’ebullició, per la qual cosa es redueix el consum energètic. A més, es pot concentrar un efluente residual tant com es desitgi de forma eficient i senzilla, arribant a obtenir un vessament zero si es requereix.
A mode de resum cal destacar que l’evaporació al buit permet el tractament d’efluents que per la seva composició, per les seves característiques o per la seva complexitat de gestió no poden ser tractats mitjançant tècniques fisicoquímiques convencionals. El seu consum energètic contingut, fa possible reduir severament el volum de residus, recuperar un gran cabal d’aigua per a la seva reutilització i fins i tot implantar un sistema de vessament zero amb un cost econòmic realment assumible. Permeten obtenir més d’un 95% d’aigua neta i una concentració de residus, que poden ser reaprofitats o venuts com a matèria primera.
Evaporadors al buit per bomba de calor
El funcionament d’aquest sistema es basa en el cicle frigorífic d’un gas, el qual es troba en un circuit tancat. El gas frigorífic es comprimeix mitjançant l’acció d’un compressor augmentant la seva pressió i temperatura. Circula a través de l’intercanviador de calor del propi evaporador, escalfant l’aliment.
En treballar al buit, la temperatura d’ebullició és de l’ordre de 40 ºC. El líquid refrigerant abandona l’intercanviador de l’evaporador i, mitjançant una vàlvula d’expansió, es descomprimeix i refreda. En passar per un segon intercanviador de calor, el condensador, fa que el vapor format a l’evaporador condensi, alhora que augmenta la seva temperatura just abans de tornar a passar pel compressor i repetir així el cicle.
El mateix fluid refrigerant permet evaporar l’aliment així com condensar el vapor generat, per la qual cosa el sistema no precisa d’altres fonts ni de calor ni de refrigeració. Aquest fet fa que sigui un procés molt avantatjós des del punt de vista econòmic i de gestió. Compten, a més, amb un baix cost de manteniment i estan totalment automatitzats, i asseguren una qualitat constant del destil·lat en proporcionar una separació total de metalls i surfactants. Aquests evaporadors també disposen d’un sistema de control d’escuma.
És una tecnologia idònia per tractar cabals no elevats de líquids corrosius, incrustants o viscosos. El seu funcionament pot suposar un consum d’energia de 130-170 kWh per metre cúbic de destil·lat. Ofereixen al seu torn, una important reducció de la DQO en el destil·lat i una baixa quantitat del concentrat de descàrrega.
Evaporadors al buit per compressió mecànica de vapor
Aquesta tecnologia es basa en la recuperació de la calor de condensació del destil·lat com a font de calor per evaporar l’aliment. Per aconseguir-ho, la temperatura del vapor generat en l’evaporació s’incrementa comprimint-lo mecànicament. Aquest vapor comprimit, i per tant sobreescalfat, en passar per l’intercanviador del propi evaporador, aconsegueix un doble objectiu: (1) escalfar el líquid a evaporar i (2) condensar, estalviant l’ús d’un fluid refrigerant.
Un evaporador al buit per compressió mecànica del vapor està dissenyat per al tractament eficaç d’efluents residuals industrials dels processos productius i rebuigs de plantes de tractament d’aigües residuals amb un baix cost energètic. La seva elevada eficiència es deu a l’ús d’un bufador rotatiu o compressor de vapor, que permet incrementar la calor latent del mateix per l’acció mecànica de compressió volumètrica amb un petit consum elèctric del motor que acciona aquest compressor.
Aquesta calor del vapor comprimit serà cedida mitjançant un intercanviador de calor per escalfar l’efluent a evaporar i conseqüentment permetrà la condensació del vapor per produir l’aigua destil·lada. En treballar al buit, generat pel propi bufador rotatiu o mitjançant l’ajuda d’una bomba de buit auxiliar, les temperatures d’ebullició i de vapor van des dels 60 ºC fins als 90ºC.
A continuació, un breu resum de les 3 categories principals d’evaporadors al buit per compressió mecànica de vapor:
Evaporadors de circulació natural
Es tracta d’equips molt competitius idonis per a aquells casos en què es requereix una baixa producció de vapor, 10-120 L/h.
Aquests sistemes funcionen amb energia elèctrica i són de fàcil ús i manteniment. A més, suposen una excel·lent inversió degut a la seva combinació de qualitat de destil·lat, alta tecnologia i robustesa.
Evaporadors de pel·lícula descendent, o falling film
Són evaporadors d’última generació, amb sistema de neteja integrat a l’equip i que poden arribar a produir fins a 4.000 L/h.
Gràcies al seu separador d’alt rendiment no generen pràcticament escuma. A més, la divisió interior a les zones calentes i fredes redueix el desgast dels equips de control i regulació.
Disposa d’un sistema de neteja integrat i automàtic a l’equip que garanteix la seva contínua disponibilitat. Tots els paràmetres de procés importants es visualitzen en una pantalla tàctil i el seu disseny, amb grans portes a ambdós costats, facilita el seu ús i manteniment.
Es tracta d’una tecnologia molt eficient per a l’obtenció d’aigua de gran qualitat a partir d’un efluente amb una concentració de contaminants elevada. Els evaporadors de pel·lícula descendent utilitzen energia tèrmica, però en operar en condicions de buit la temperatura d’ebullició es redueix, per la qual cosa es disminueix també el consum energètic.
Evaporadors de circulació forçada
Són els equips per compressió mecànica del vapor amb menor consum energètic i els que permeten tractar els majors cabals (fins a 20.000 L/h).
Estan especialment indicats quan el cabal a tractar acostuma a ser complex: substàncies incrustants, viscositats, cristal·litzacions, aigües salines (o salmorres), aigües oleoses, aigües de banys de treball, rebuigs d’osmosi inversa o altres elements que impedeixen dur a terme una circulació natural.
L’evaporació al buit és una tecnologia que permet el tractament d’efluents complexos que habitualment són enviats a un gestor extern.
El següent vídeo mostra amb gran detall el funcionament d’un model d’evaporador al buit per circulació forçada (Envidest MVR FC), dissenyat i fabricat per Condorchem Envitech. Es tracta d’un sistema eficaç per al tractament d’una gran diversitat d’aigües residuals. És capaç de produir fins a 2.000 litres/hora de destil·lat (aigua tractada).
El tanc de la caldera de l’evaporador es plena en posar en marxa la bomba de buit des del panell de control principal. Degut a que el sistema està sota buit, permet generar valors propers als 600 mil·libars (mb) (0.6bar). Un cop el dipòsit de la caldera està ple, s’activa la bomba de recirculació i les resistències elèctriques comencen a treballar per assolir una temperatura de funcionament de 60ºC (140ºF).
Quan s’assoleix la temperatura de treball, les resistències elèctriques s’aturen i degut al buit del sistema, s’assoleixen valors propers als 240 MB (2.4bar) al dipòsit de la caldera de l’evaporador. A partir d’aquest moment l’aigua residual comença a evaporar-se i la bomba root s’activa. Aquesta pren l’aigua residual evaporada des del dipòsit de la caldera i la comprimeix mitjançant l’elevació de la temperatura i la pressió de vapor. Després transfereix l’aigua residual tractada a l’intercanviador de plaques. A l’intercanviador de calor de plaques trobem l’aigua residual entrant a un costat i a l’altre el vapor de l’aigua residual ja tractada.
Degut a la diferència de temperatura entre els dos costats de les plaques, l’aigua residual entrant més freda s’escalfa i el vapor d’aigua residual perd calor, tornant de nou al seu estat líquid. Aquest líquid, denominat destil·lat, surt de l’intercanviador de calor i es recull en un dipòsit de destil·lat.
L’aigua residual entrant, que ara s’ha beneficiat de la transferència de calor a l’intercanviador de calor de plaques, flueix cap al tanc de la caldera de l’evaporador inicial. A mesura que el nivell al dipòsit inicial de la caldera va baixant, una vàlvula d’alimentació d’entrada s’obre per permetre de forma automàtica l’entrada de més aigua residual. El destil·lat que s’ha acumulat al dipòsit de destil·lat es descarrega a través d’una bomba centrífuga. Aquest passa a través d’un segon intercanviador de calor de plaques. Al costat contrari de les plaques hi ha l’aigua residual entrant.
Aquest intercanviador de calor addicional augmenta encara més l’eficiència del sistema mitjançant l’augment de la temperatura de les aigües residuals a tractar. També ajuda a refredar encara més el destil·lat de la descàrrega. A mesura que el sistema continua tractant les aigües residuals, augmenta el nivell de concentrat al dipòsit de la caldera de l’evaporador. Aquest dipòsit es configura de forma que vagi duent a terme descàrregues parcials programades del concentrat, el qual serà retornat al dipòsit de subministrament d’aigües residuals.
Evaporadors al buit de múltiple efecte
Aquesta tecnologia consisteix en un conjunt d’evaporadors connectats entre si en sèrie en què el buit augmenta progressivament del primer a l’últim. Això fa que la temperatura d’ebullició, en principi, vagi disminuint, per la qual cosa és possible utilitzar el vapor generat en un evaporador (o efecte) com a fluid calefactor del següent efecte, produint-se un efecte cascada. Finalment, el destil·lat es condensa mitjançant una torre de refrigeració, amb un consum d’aigua poc significatiu.
Utilitzen com a font d’energia aigua calenta o vapor procedent d’un circuit extern, fet que permet aprofitar fluxos residuals sobrants de calor.
Habitualment són unitats compostes per 1 (evaporador simple efecte), 2 (evaporador doble efecte) o 3 (evaporador triple efecte) etapes.
El seu principal avantatge respecte a un únic evaporador resideix en l’estalvi tant de fluid calefactor com de fluid refrigerant. Per tractar cabals elevats, aquesta és una de les opcions més competitives a nivell econòmic.
El següent vídeo presenta una planta de tractament d’aigües residuals industrials que opera amb un evaporador al buit de múltiple efecte de tres etapes.