miniaturadeimagen|Destilador de compresión de vapor fabricado por BRAM-COR (Italia).

La evaporación por compresión de vapor es un método que utiliza un soplador, compresor o eyector de chorro para comprimir el vapor y, por lo tanto, aumentar su presión. Dado que este aumento de presión también incrementa la temperatura de condensación, el vapor puede servir como medio de calentamiento para concentrar el líquido o la solución original a partir de la cual se generó inicialmente. Sin compresión, el vapor estaría a la misma temperatura que el líquido o la solución en ebullición, impidiendo la transferencia de calor.

Este proceso también se conoce como destilación por compresión de vapor (VCD, del inglés vapor compression distillation). Cuando la compresión se realiza mediante un compresor o soplador accionado mecánicamente, se denomina recompresión mecánica de vapor (MVR, del inglés mechanical vapor recompression). En el caso de la compresión mediante eyectores de vapor a alta presión, el proceso se llama termocompresión, compresión de vapor o eyectocompresión.

Proceso MVR

Entrada de energía En el sistema MVR, la energía de entrada corresponde al trabajo de bombeo del compresor. El consumo energético teórico se calcula como:

donde: es la energía de bombeo teórica total (en kJ), es la masa de vapor que pasa por el compresor (en kg), y son la entalpía específica del vapor aguas arriba y aguas abajo del compresor, respectivamente (en kJ/kg).

El consumo energético real es superior al teórico y depende de la eficiencia del sistema, que suele oscilar entre el 30 % y el 60 %. Por ejemplo, si la energía teórica es de 300 kJ y la eficiencia del 30 %, la energía real requerida será de 1000 kJ.

En unidades de gran tamaño, la potencia de compresión suele estar entre 35 y 45 kW por tonelada métrica de vapor comprimido.

Equipos para evaporadores MVR El compresor es el componente central de la unidad. Los compresores utilizados en esta aplicación son típicamente centrífugos o de desplazamiento positivo, como los sopladores Roots (similares al sobrealimentador Roots, aunque de mayor tamaño). Las unidades de gran capacidad (100 toneladas métricas por hora o más) pueden emplear compresores de flujo axial. El trabajo de compresión genera vapor sobrecalentado respecto al equilibrio teórico de presión-temperatura. Por esta razón, la mayoría de las unidades MVR incorporan un desobrecalentador entre el compresor y el intercambiador de calor principal.

Termocompresión

Entrada de energía En la termocompresión, la energía de entrada proviene de un caudal de vapor motriz a una presión superior a la de los vapores aspirados y descargados. El caudal total de vapor comprimido a la salida es mayor que el aspirado:

donde: es el caudal másico de vapor a la salida del eyector, es el caudal aspirado, es el caudal de vapor motriz.

Debido a este exceso de vapor, los evaporadores de termocompresión suelen incluir un condensador de vapor. El consumo específico de vapor motriz por unidad de caudal aspirado depende de la relación motriz (presión del vapor motriz frente a la presión de succión) y de la relación de compresión (presión de salida frente a presión de succión). A mayor relación de compresión y menor relación motriz, el consumo de vapor motriz es mayor y el balance energético menos eficiente.

Equipos de termocompresión El componente principal es el eyector de vapor. El dimensionamiento del intercambiador de calor principal, el cabezal de vapor y otros componentes sigue los principios generales de diseño de evaporadores.

Comparación Ambas tecnologías tienen campos de aplicación distintos, aunque solapados:

MVR es preferible para unidades grandes debido a su menor consumo energético. El mayor evaporador MVR de un solo cuerpo construido (1968, por Whiting Co., posteriormente Swenson Evaporator Co., en Cirò Marina, Italia) fue un cristalizador de cloruro de sodio con una capacidad de evaporación de aproximadamente 400 toneladas métricas por hora de agua, equipado con un compresor de flujo axial (Brown Boveri, luego ABB). Esta unidad se transformó hacia 1990 en el primer efecto de un evaporador de múltiple efecto. Los evaporadores MVR con capacidad de 10 toneladas métricas por hora o más son comunes. La relación de compresión en MVR no suele superar 1,8. A presión atmosférica (0,101 MPa), una compresión de 1,8 da una presión de condensación de 0,182 MPa, correspondiente a una temperatura de condensación de aproximadamente 390 K. Considerando la elevación del punto de ebullición (8 K para una solución salina saturada), la diferencia de temperatura útil en el intercambiador es inferior a 8 K, lo que exige grandes superficies de transferencia. Los compresores de flujo axial y Roots pueden alcanzar relaciones ligeramente superiores. Los evaporadores de termocompresión pueden alcanzar relaciones de compresión más altas (2 o más). Sin embargo, a menos que el vapor motriz esté a presión muy alta (por ejemplo, 16 bar manométricos o 250 psig), el consumo de vapor motriz puede ser de 2 kg por kg de vapor aspirado. Una mayor relación de compresión permite un intercambiador de calor más pequeño y menor inversión, pero a costa de un mayor consumo energético si la presión motriz no es suficiente. Además, el compresor MVR es una máquina costosa, mientras que el eyector es más sencillo y económico.

En resumen, MVR se utiliza en unidades grandes donde la eficiencia energética es prioritaria, mientras que la termocompresión se limita a unidades pequeñas donde el consumo energético no es crítico.

Eficiencia La eficiencia y viabilidad del proceso dependen del rendimiento del dispositivo de compresión (soplador, compresor o eyector) y del coeficiente de transferencia de calor en el intercambiador. Teóricamente, si el condensado resultante se subenfría, es posible recuperar totalmente el calor latente de vaporización que de otro modo se perdería. Por tanto, este método es muy eficiente energéticamente y puede ser impulsado únicamente por el trabajo mecánico del compresor.

Aplicaciones

Producción de agua limpia Un evaporador de compresión de vapor puede producir agua de alta calidad a partir de diversas fuentes, incluyendo salmueras saturadas con sólidos disueltos totales (TDS) de hasta 650 g/L, superando las limitaciones de la ósmosis inversa (que normalmente trabaja con TDS < 35 g/L). En un cristalizador de sal, el condensado típicamente contiene menos de 50 partes por millón (ppm) de sales residuales o una conductividad eléctrica inferior a 10 μS/cm, lo que puede ser apto para consumo humano si se cumplen los demás requisitos sanitarios.

El principal desafío de esta tecnología es la elevación del punto de ebullición (EPE). Mientras que el agua de mar (~30 g/L TDS) tiene una EPE inferior a 1 K, una solución saturada de cloruro de sodio (360 g/L) alcanza unos 7 K. Esta elevación aumenta la relación de presión requerida en el compresor, siendo el factor dominante en los costes operativos.

Industria farmacéutica (Agua para Inyección) Los destiladores por compresión de vapor son ampliamente utilizados en la industria farmacéutica para la producción de Agua para Inyección (WFI, por sus siglas en inglés), un componente crítico en la elaboración de medicamentos parenterales. Empresas como BRAM-COR (Italia) fabrican equipos especializados para este fin, conocidos como destiladores de compresión de vapor (VCD) o de termocompresión.

Estos sistemas ofrecen ventajas significativas para aplicaciones farmacéuticas, donde la calidad (esterilidad, eliminación de pirógenos) y los costes operativos son factores críticos. Entre sus características se incluyen: Bajo consumo energético: No requieren agua de refrigeración para condensar el vapor puro. Versatilidad de la alimentación: Pueden operar con agua pretratada (ablandada o de ósmosis inversa) sin necesidad de alta presión. Alta calidad del producto: El agua producida (WFI) alcanza altos estándares de pureza. Diseño sanitario: Construidos en acero inoxidable AISI 316L con acabados electropulidos y juntas de PTFE para cumplir con las normativas de Buenas Prácticas de Fabricación (BPF) y la FDA. Compresor multietapa patentado: Algunos modelos incorporan compresores con velocidades de operación reducidas (aprox. 2000 rpm), diseño libre de aceite y una vida útil garantizada de al menos 5 años para el compresor.

Las capacidades de estos equipos pueden variar desde pequeños sistemas de unos 60 litros por hora (LPH) hasta grandes plantas industriales que superan los 20.000 LPH, utilizando uno o varios sopladores.

Drenaje por gravedad asistido por vapor (SAGD) La extracción de betún de las arenas bituminosas de Athabasca mediante el método drenaje por gravedad asistido por vapor (SAGD) es intensiva en agua. A finales de la década de 1990, el ingeniero Bill Heins (GE) desarrolló la evaporación por compresión de vapor de película descendente. En 1999 y 2002, la planta de Petro-Canada en MacKay River fue la primera en instalar sistemas GE SAGD de descarga cero de líquidos (ZLD), combinando evaporación y cristalización para reciclar toda el agua y descargar solo sólidos fuera del sitio. Esta tecnología reemplazó métodos más antiguos como el ablandamiento con cal caliente (para eliminar sílice y magnesio) y el intercambio iónico (para eliminar calcio). Además, reemplazó a los generadores de vapor de paso único (OTSG) que funcionaban con gas natural, cada vez más valioso. La calidad del agua producida por los evaporadores es cuatro veces superior, siendo necesaria para calderas de tambor. Para 2008, cerca del 85 % de las instalaciones SAGD en Alberta habían adoptado esta tecnología evaporativa, ya que SAGD requiere vapor de calidad 100 %.

Véase también Slingshot (sistema de destilación de vapor de agua) Refrigeración por compresión de vapor Desalinización por compresión de vapor Locomotora híbrida vapor diésel (sistema de vapor comprimido Cristiani)

Referencias

Categoría:Suministro de agua de edificios Categoría:Tratamiento de aguas Categoría:Operaciones unitarias Categoría:Procesos químicos Categoría:Evaporadores