Tratamiento de aguas residuales industriales mediante evaporación al vacío

Definición

La destilación térmica consiste en la separación de dos o más líquidos que se encuentran mezclados o de un soluto y su disolvente, mediante la aplicación de la energía suficiente para provocar la ebullición.

Con esta ebullición, los componentes más volátiles de dicha mezcla pasan a estado gaseoso y pueden ser posteriormente condensados a parte de la mezcla inicial.

El objetivo habitual de la separación térmica es la eliminación de impurezas que se encuentran disueltas en el agua y que hacen que esta no pueda ser reaprovechada o devuelta a un medio natural.

La separación por evaporación se ha utilizado de manera muy extensa a lo largo del tiempo y ha evolucionado en distintas técnicas que tienen características particulares y diferentes aplicaciones, como son el tratamiento de aguas, tratamiento de aguas residuales, la recuperación de solutos, o la purificación de líquidos, entre otras.

En este artículo nos centraremos en analizar la evaporación al vacío como proceso para el tratamiento de aguas residuales industriales.

Principios básicos de funcionamiento de la evaporación al vacío

Para lograr el cambio de estado que permite la separación del soluto y el solvente, debe suministrase calor a la mezcla para que la parte líquida se evapore y se separe de la parte sólida. Dicho calor puede ser generado de varias maneras:

• De forma directa mediante calentamiento de un recipiente que contiene la muestra.
• De forma indirecta empleando vapor de agua como agente transmisor del calor: evaporación al vacío

En el caso de la evaporación al vacío, se emplea una caldera donde se calienta agua hasta que se evapora. Dicho vapor se conduce hasta una cámara donde se transmitirá ese calor a la mezcla que se desea separar.

Por otra parte, para facilitar la evaporación del disolvente se pueden emplear sistemas generadores de vacío, de modo que se someta a la mezcla que se desea separar a presiones inferiores a la atmosférica. Con ello, se logra disminuir la temperatura de ebullición de los líquidos y también aumentar la eficiencia del fenómeno de transferencia de calor en el sistema.

Al plantear la utilización de un proceso térmico de separación para su aplicación sobre una mezcla líquida concreta, deben considerarse los siguientes puntos:

• La termosensibilidad de la disolución.
• La potencial corrosión a los materiales.
• La concentración y otras características físicas.
• La potencial aparición de incrustaciones.

Respecto a la termosensibilidad de la disolución es destacable la importancia que tiene trabajar a baja temperatura en aquellos casos en los que las propiedades de dicha disolución puedan verse alteradas con la temperatura.

Esto es muy frecuente en los elementos proteínicos, que pueden desnaturalizarse con el aumento de temperatura. La separación por volatilización del disolvente para concentrar el soluto permite la aplicación de vacío para disminuir así la temperatura de volatilización del disolvente y eliminar el riesgo de alteración de las propiedades de la disolución alimento.

La corrosión de los materiales que conforman el evaporador puede aparecer si el líquido alimento es considerablemente agresivo respecto a los materiales en los que se ha construido el evaporador. En la actualidad todos los evaporadores se construyen ya con acero inoxidable, grafito, níquel, cobre y algunas aleaciones de especial resistencia a la corrosión, por lo que el espectro de disoluciones potencialmente tratables por separación térmica es muy amplia.

Ventajas de la evaporación al vacío

La separación mediante evaporación al vacío tiene la función de separar el agua entrante en dos partes: una parte con un agua con baja concentración de contaminantes en disolución y otra parte con un condensado líquido con un elevado contenido de los mismos contaminantes.

Para ello el agua es transformada en vapor, separándola en ese momento de los materiales contaminantes que se encuentran disueltos en ella, y se transporta dicho vapor a una cámara donde se refrigera para volver a concentrar el agua ya libre de contaminantes.

Así pues, este procedimiento es uno de los más eficientes para el tratamiento de efluentes industriales, ya que permite separar con gran eficacia los contaminantes que se encuentran en el agua basándose en la relativamente baja volatilidad de las sales frente al agua. Gracias a la evaporación se pueden eliminar sustancias como los sólidos disueltos, aunque no separarse aquellos compuestos que tengan un punto de ebullición similar o cercano al del agua, como podría ser el alcohol.

Se trata de una tecnología indispensable para aquellas empresas que quieran implantar un sistema de vertido cero.

Tras un proceso de evaporación se obtienen elevadísimos porcentajes de agua destilada (95%) y una cantidad muy pequeña de rechazo (5%) para ser gestionado. Este rechazo es tan pequeño debido a la elevada concentración de residuos que se consigue en el proceso. Gracias a ello, las industrias que han de tratar caudales medios y grandes pueden beneficiarse de importantes ahorros, ya que el volumen de residuos que se han de enviar a gestionar se reduce considerablemente.

También es una tecnología muy adecuada para la producción del agua de alta calidad que numerosas industrias necesitan para incorporar a sus procesos productivos.

Ventajas de los evaporadores al vacío:

• Alta calidad del destilado.
• Es posible recuperar hasta un 97% de agua limpia.
• Permite la reutilización de las aguas tratadas.
• Puede tratar los efluentes más complejos.
• Bajo consumo de electricidad.
• Diseño flexible y compacto de las máquinas.
• Es una tecnología de fácil uso y requiere poco mantenimiento.
• Alta reducción y concentración de los residuos líquidos.

Otro aspecto destacable de los evaporadores al vacío es su versatilidad y el gran número de ocasiones en que pueden ser aplicados (siempre y cuando los resultados justifiquen la inversión necesaria para su instalación, ya que no son la tecnología más económica). Los evaporadores al vacío son especialmente adecuados para la separación y el tratamiento de:

• Hidrocarburos disueltos en aguas contaminadas.
• Emulsiones aceitosas.
• Tratamiento de lixiviados.
• Aguas de enjuague de metalización galvánica.
• Aguas de desengrase.
• Aguas con alto contenido de sustancias oleosas.
• Aguas con alto contenido de metales pesados.
• Aguas con alto contenido de sales disueltas.

Es habitual completar un proceso de evaporación al vacío con otras tecnologías de tratamiento de aguas residuales, que se pueden aplicar anteriormente (membranas, procesos fisicoquímicos, etc.), sometiendo al efluente a un pretratamiento que facilite el proceso de evaporación, o posteriormente si se quiere obtener un concentrado todavía mayor. En este segundo caso, la tecnología más adecuada son los cristalizadores, que pueden ser utilizados de dos maneras:

1. Cristalizador usado como una etapa final después de un proceso de evaporación clásico.
2. Evaporador y cristalizador integrados en una única unidad que combina ambos procesos. Esta solución es adecuada para caudales pequeños y difíciles de tratar.

Dependiendo de cuál sea la composición de las aguas residuales a tratar, un proceso de evapo-cristalización permite separar sus componentes y recuperar productos secundarios, que pueden ser reutilizados o vendidos. Así sucede con el aceite de aguas aceitosas, que se puede vender como un producto secundario con un contenido de agua inferior al 5%, o con la recuperación de hidróxido de aluminio, que puede utilizarse posteriormente como producto químico, por citar algunos ejemplos.

Tipos de procesos de evaporación al vacío

Los diferentes tipos de evaporación al vacío que podemos encontrar son:

Evaporación Multietapa

Es muy utilizada en el ámbito industrial y consiste en calentar el líquido alimento en un recipiente y acto seguido conducir el agua por un sistema de tuberías de calentamiento en el que parte del agua pasa a ser vapor. Después pasa a otro recipiente en el cual la presión y temperatura son tales que una parte del agua caliente pasa súbitamente a vapor dejando en forma líquida un remanente concentrado que pasa a alimentar la siguiente etapa.

Tras esto se deja enfriar el vapor hasta que vuelve a licuarse y entonces se recoge libre de impurezas. A continuación, se repite el proceso en otra etapa. Después de una serie determinada de etapas, se consigue agua que se ha destilado repetidas veces de manera muy rápida y que, por ello, contiene muy poca cantidad de contaminantes disueltos.

Este tipo de evaporación opera a temperaturas entre 90º y 120º.

Evaporación por efectos múltiples

Consiste en calentar el agua alimento mediante el aprovechamiento del calor residual de aguas ya tratadas y conducirla hasta una serie de tanques a los que llega caliente pero todavía en estado líquido. En estos tanques el agua se distribuye en películas finas a fin de facilitar la evaporación a base de reducir la presión. El fenómeno de reducción progresiva de la presión permite que el agua alimento sufra procesos de licuefacción y evaporación continuamente sin necesidad de ir añadiendo calor al sistema.

Estos procesos trabajan a temperaturas entorno a los 70º.

Evaporación por compresión de vapor

Consiste en la evaporación del agua a base de suministrarle calor procedente de la compresión de vapor, en vez de transmitir el calor mediante contacto directo con un cuerpo sólido caliente. Este tipo de plantas se diseñan para que funcionen reduciendo el punto de ebullición del agua mediante disminución de la presión.

El compresor crea vacío en un extremo de un recipiente por donde extrae el vapor de agua formado, pero por el otro extremo comprime dicho vapor formado y lo condensa en el interior de unos tubos. El agua cae sobre estos tubos calientes y se evapora. Posteriormente, mediante compresión del vapor y puesta en contacto de este con el agua alimento, se logra la evaporación del agua y la eliminación de las sales en una salmuera muy concentrada.