Interferencia en la Transferencia de Calor y Vaporización
La interferencia en el paso del calor durante la evaporación puede originarse por un exceso de vapor en el proceso. Esta situación conduce a una reducción del coeficiente de vaporización, lo que se traduce en un menor rendimiento del evaporador. Como consecuencia, el diferencial de temperatura (Δt) en el equipo tiende a aumentar, al igual que el calor por unidad de área, hasta alcanzar un límite definido por la curva de Mac Adams.
La vaporización que ocurre sobre la superficie calefactora se denomina ebullición.
Propiedades Clave que Afectan la Evaporación
Diversas propiedades del líquido influyen significativamente en la eficiencia del proceso de evaporación:
- Concentración del Líquido: La viscosidad de la solución, determinada por su concentración, requiere una circulación y turbulencia adecuadas para un funcionamiento óptimo.
- Solubilidad: Establece el límite máximo de concentración alcanzable durante el proceso.
- Formación de Espumas: Algunas soluciones, especialmente las cáusticas, pueden generar espumas durante la evaporación, lo que puede ocasionar pérdidas de material.
- Sensibilidad a las Temperaturas: Ciertas sustancias delicadas pueden deteriorarse si se exponen a temperaturas moderadas durante periodos prolongados. En estos casos, es necesario emplear técnicas especiales para minimizar tanto la temperatura como el tiempo de calentamiento.
- Presión y Temperatura: La presión determina la temperatura de ebullición de la solución, la cual puede ser modificada por la concentración del líquido.
- Incrustaciones: La deposición de sólidos en la superficie de calefacción reduce el coeficiente de transmisión del calor.
- Materiales de Construcción: La selección de materiales como níquel, acero inoxidable o plomo, que pueden ser costosos, exige un cálculo preciso de la superficie de calefacción para asegurar la funcionalidad del equipo y minimizar los costos.
Elevación del Punto de Ebullición y sus Consecuencias
La elevación del punto de ebullición puede ser causada por una carga hidrostática adicional ejercida por el líquido sobre el haz de tubos, o por la concentración de la solución. La principal consecuencia de este fenómeno es la necesidad de aumentar la superficie de calefacción o de aportar más calor al equipo para mantener la eficiencia del evaporador.
El punto de ebullición de una solución está determinado por la presión en la interfaz líquido-vapor. Este punto puede aumentar con la concentración de la solución y debido a la carga hidrostática. Una capa de líquido considerable sobre los tubos ejerce presión, elevando la temperatura de ebullición. A mayor presión, es más fácil alcanzar temperaturas altas sin que el líquido se evapore, lo que permite obtener mejores rendimientos en equipos industriales al aprovechar la energía de manera más eficiente.
Condensadores Barométricos y Sistemas de Eyectores
Los condensadores barométricos pueden operar en contracorriente o en flujos paralelos. El agua de enfriamiento ingresa en forma de cortinas o chorros para condensar la mayor parte del vapor del último efecto. Los gases incondensables se mezclan con vapor vivo en un eyector; a través de un tubo de Venturi, la presión disminuye y la velocidad aumenta, mejorando el vacío y condensando vapores. Se pueden emplear hasta tres eyectores en serie para optimizar el vacío. Para mantener el vacío, el agua se extrae mediante una pierna barométrica, cuya presión es igual a la diferencia entre la presión atmosférica y la presión del vacío interior. Desde la pierna, el agua se dirige a un pozo caliente junto con el condensado de los eyectores.
Configuraciones de Evaporadores de Múltiples Efectos: Paralelo vs. Contracorriente
La elección entre una disposición en contracorriente o en paralelo en evaporadores de múltiples efectos depende de varios factores:
Alimentación a Contracorriente
En esta configuración, el líquido a evaporar ingresa en el último efecto y sale concentrado por el primero. El líquido y el vapor calefactor circulan en sentidos opuestos. El líquido se mueve en dirección de presiones crecientes, lo que exige el uso de bombas en cada efecto para transferir la solución concentrada. Esto representa una complicación mecánica y el funcionamiento de las bombas a presiones inferiores a la atmosférica. Por estas razones, generalmente se prefiere la alimentación directa (paralela) si no existen otras consideraciones.
Alimentación en Paralelo (Directa)
El alimento entra simultáneamente a todos los efectos, y el líquido concentrado se une en una sola corriente. Este sistema es común en la concentración de disoluciones de sal común, donde la cristalización dificulta la disposición de la alimentación directa. Para decidir entre sistemas, es crucial calcular el rendimiento de evaporación para cada uno.
Consideraciones Adicionales para la Selección del Sistema de Alimentación:
- Si la temperatura de entrada del alimento es significativamente inferior a la temperatura de ebullición en el primer efecto, la alimentación directa destinará la mayor parte del calor sensible al calentamiento del alimento, resultando en un bajo rendimiento global. En este escenario, la alimentación a contracorriente es preferible.
- Si la disolución ingresa al sistema a una temperatura superior a la de ebullición del último efecto, la alimentación directa es más conveniente. En este caso, la disolución vaporizaría parcialmente el último efecto, generando vapor sin utilidad posterior. La disolución se enfriaría hasta la temperatura de la cámara de evaporación del último efecto y luego se calentaría progresivamente en cada efecto subsiguiente.
Detalles de las Configuraciones de Alimentación:
- Alimentación Paralela: La solución diluida se introduce directamente en cada efecto, sin transferencia de líquido entre ellos. Se emplea en evaporadores con cristalización, donde se retiran suspensiones de cristales y aguas madres.
- Alimentación Inversa (Contracorriente): La solución diluida se alimenta en el último efecto y se bombea a los efectos sucesivos hasta el primero. Requiere una bomba entre cada par de efectos y una bomba para extraer la solución concentrada, dado que el flujo es en sentido de presiones crecientes. La alimentación inversa puede ofrecer mayor capacidad con disoluciones viscosas, pero puede resultar menos económica si el alimento está frío.