Evaporador de película descendente: Guía de diseño, energía y selección

EVAPORACIÓN Y CONCENTRACIÓN

Evaporadores de película descendente: concentración de líquidos termosensibles sin cocerlos

Concentrar líquidos termosensibles sin cocerlos: cómo funciona la evaporación en película descendente, cuándo supera a la película ascendente o a la circulación forzada, y las decisiones que determinan la calidad de su producto y su factura de vapor

Cada proyecto de concentración tropieza con el mismo conflicto: eliminar el agua requiere calor, y el producto que se intenta proteger es precisamente lo que ese calor daña. Un evaporador de película descendente resuelve dicho conflicto actuando de forma opuesta a una olla hirviendo. En lugar de mantener un gran volumen a temperatura constante durante horas, extiende el producto en una película tan delgada que puede concentrarse en un solo paso, a una temperatura que el producto tolera, con un tiempo de residencia medido en segundos.

Este artículo explica qué es un evaporador de película descendente, cómo se compara con otros tipos de evaporadores, cómo las configuraciones de múltiple efecto, recompresión térmica de vapor y recompresión mecánica de vapor modifican el balance energético, y qué preguntas vale la pena resolver antes de construir un sistema. Los equipos mostrados a lo largo del texto corresponden a nuestras propias instalaciones.

Grabado en una unidad en funcionamiento: la tapa del recipiente instrumentada, el nivel y el caudal visibles a través de la mirilla, y el producto descargándose hacia el tanque receptor.

Archivo de vídeo: https://sc02.alicdn.com/kf/H74328f887453403b9092073e11cffb4fj.mp4

Qué diferencia a la evaporación por película descendente

El producto se bombea hasta la parte superior de un haz de tubos verticales y se distribuye de modo que fluye hacia abajo por la pared interior de cada tubo como una película delgada y continua. El medio calefactor —vapor, agua caliente o vapor recomprimido— circula por el lado exterior (carcasa). Como el producto forma una película y no llena completamente la columna, el vapor que genera puede desplazarse hacia abajo junto con él, en lugar de tener que ascender forzadamente a través del líquido; además, no es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición antes de que comience la evaporación.

• Tiempo de residencia corto. El producto permanece solo unos segundos en la zona de calentamiento, no horas, por lo que su color, aroma y principios activos sensibles al calor sobreviven a condiciones que los degradarían en un recipiente tipo calderín.
• Funcionamiento a baja temperatura. Mantener el sistema bajo vacío reduce el punto de ebullición, de modo que la concentración se lleva a cabo a una temperatura elegida según las características del producto, y no según las condiciones atmosféricas.
• Una pequeña diferencia de temperatura es suficiente. La película descendente funciona con una modesta diferencia de temperatura impulsora entre el medio calefactor y el producto, lo que precisamente hace factibles las configuraciones de múltiple efecto y de recompresión de vapor.
• Bajo volumen de líquido retenido. Un inventario reducido implica puesta en marcha y parada rápidas, menos producto atrapado en el sistema durante un cambio de operación y menos tiempo expuesto a temperatura cuando la planta se detiene.
• Comportamiento superior con alimentaciones espumantes y de viscosidad moderada frente a un haz inundado, porque la película no se agita.

Dónde resulta adecuada la película descendente y dónde no

La película descendente no es la solución adecuada para todas las aplicaciones. Las diferencias que realmente importan en la práctica son cómo se desplaza el producto a través de la zona de calentamiento y qué efecto tiene eso sobre el tiempo de residencia y el riesgo de ensuciamiento.

La cuestión energética: múltiples efectos, TVR o MVR

La evaporación representa la mayor parte del costo operativo de una planta de concentración, y la configuración elegida depende principalmente de los servicios auxiliares disponibles, no de consideraciones mecánicas.

Múltiples efectos

Un evaporador de múltiple efecto conecta recipientes de modo que el vapor generado en un efecto se convierte en el medio de calentamiento para el siguiente. Cada efecto adicional reutiliza vapor que, de otro modo, tendría que condensarse; por lo tanto, el consumo de vapor por kilogramo de agua evaporada disminuye al aumentar el número de efectos. La contrapartida es el costo de capital, la superficie ocupada y la complejidad del control, razón por la cual el número económico de efectos depende de los precios de la energía y del tiempo previsto de operación de la planta.

Recompresión térmica de vapor (TVR)

Un eyector de vapor toma parte del vapor y lo recomprime mediante vapor de arrastre, elevando su presión y temperatura hasta un nivel suficiente para reutilizarlo como medio de calentamiento. Es una solución compacta para reducir el consumo de vapor sin carga eléctrica, y normalmente es la opción a considerar cuando ya se dispone de vapor de presión media en la instalación.

Recompresión mecánica de vapor (MVR)

Un sistema MVR comprime el vapor con un ventilador o compresor y lo devuelve al lado de calentamiento como fuente principal de calor. Así, la planta funciona principalmente con electricidad en lugar de vapor, lo que resulta atractivo en lugares donde el vapor es costoso, no está disponible o está regulado, y donde la tarifa eléctrica es favorable. Además, el MVR elimina la mayor parte de la carga del condensador y la demanda de agua de refrigeración de un tren convencional, un factor decisivo en instalaciones con capacidad de refrigeración limitada o restricciones de vertido.

No existe una respuesta universalmente óptima. La configuración adecuada depende de los precios de sus servicios públicos, de la estabilidad de su alimentación y del rango de reducción de carga (turndown) que realmente necesite. Especificar un sistema en torno a un servicio público que posteriormente se vuelve escaso o costoso es el error más común en proyectos de evaporación, y dicha decisión se toma en la primera página de la especificación, no durante la puesta en marcha.

En el interior del sistema: los módulos que determinan el rendimiento

Figura 1. Una instalación de evaporación en película descendente sobre su bastidor: columna de evaporación vertical, recipientes auxiliares y de separación, y la tubería sanitaria que conecta las etapas.

Una instalación de evaporación en película descendente es más que una columna calentada. Estas son las piezas que determinan si funciona según lo diseñado una vez que cambia la alimentación.

• Calandria: haz de tubos y carcasa. El diámetro, la longitud y el estado superficial de los tubos definen el área de transferencia de calor y la caída de presión, mientras que el lado de la carcasa se dispone alrededor del medio calefactor seleccionado.
• Sistema de distribución de la alimentación. El elemento más importante de un diseño en película descendente: un distribuidor desigual deja sin alimentación algunos tubos, y un tubo sin alimentación se incrusta.
• Recipiente de separación vapor-líquido, dimensionado para que el arrastre no expulse producto junto con el vapor.
• Condensador, sistema de vacío y manejo del condensado, adaptados a la presión de operación del último efecto.
• Bombas de circulación y trasvase con conexiones sanitarias, y la tubería que mantiene estable la película entre etapas.
• Instrumentación: temperatura y presión en cada efecto, control de nivel en los recipientes y separadores, indicación de caudal y ventanas de observación, y —en aplicaciones alimentarias y farmacéuticas— medición en línea de la concentración.
• Limpieza: diseño con drenaje, soldaduras higiénicas, conexiones tipo tri-clamp y una ruta de limpieza en lugar (CIP) dimensionada para que la limpieza sea breve y verificable, no meramente estimada.

Figura 2. Cabeza del recipiente con ventanas de observación y manómetros en los recipientes separadores; el módulo de filtración de doble carcasa se encuentra en primer plano.

Figura 3. El mismo tren visto desde el extremo de accionamiento: intercambiador de calor en la cabeza de la columna, bombas de producto y recipiente de recolección montados sobre el bastidor (skid).

Los puntos de control que determinan la calidad del producto

• Temperatura máxima del producto —establecida por su producto, no por la máquina. El nivel de vacío es el parámetro que la fija y limita todas las diferencias de temperatura disponibles aguas abajo.
• Tiempo de residencia —un diseño de paso único lo mantiene breve; cada bucle de recirculación añade tiempo a temperatura.
• Concentración por paso: una relación elevada ahorra energía, pero aumenta la viscosidad de salida y el riesgo de zonas secas en la pared del tubo.
• Estabilidad de la alimentación: la evaporación es un proceso en estado estacionario. Una alimentación cuyo contenido de sólidos o caudal varíe provocará variaciones equivalentes en la concentración de salida.
• Margen contra incrustaciones: el área superficial adquirida debe dimensionarse para funcionar entre ciclos de limpieza in situ (CIP), no para parecer eficiente el primer día.

Donde se utilizan evaporadores de película descendente

• Concentración de jugos de frutas y hortalizas, donde el color y el aroma son los puntos clave de venta
• Procesamiento lácteo y de suero
• Azúcar, jarabes de glucosa e hidrolizados de almidón
• Glicerina y polioles
• Extractos vegetales y herbales
• Intermedios químicos y corrientes de proceso
• Líquidos de procesos farmacéuticos y biológicos
• Concentración de aguas residuales y lixiviados de la industria alimentaria para aplicaciones de descarga cero de líquidos

Selección de un sistema: las preguntas que definen el diseño

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuál es la diferencia entre un evaporador de película descendente y uno de película ascendente?

En una unidad de película ascendente, el líquido y el vapor viajan juntos hacia arriba, por lo que el vapor debe atravesar la columna de líquido. En una unidad de película descendente, el producto fluye hacia abajo por el interior del tubo como una película delgada junto con el vapor, lo que reduce el tiempo de residencia, disminuye la diferencia de temperatura necesaria y tolera mayor viscosidad.

P: ¿Puede un evaporador de película descendente manejar un producto viscoso?

Hasta cierto punto. A medida que aumenta la viscosidad, resulta más difícil mantener una película continua y crece el riesgo de zonas secas. Más allá de ese punto, la solución habitual es añadir una etapa de circulación forzada tras la película descendente, en lugar de aceptar una película con mala humectación.

P: ¿Por qué disminuye la capacidad a lo largo de una campaña de producción?

Casi siempre por incrustaciones en alguna parte de la instalación, y con frecuencia comienzan en la distribución de la alimentación, no en el producto mismo. Si el distribuidor no alimenta todos los tubos de forma uniforme, los tubos desprovistos de alimento se incrustan primero y la pérdida de superficie activa se manifiesta como una caída de la capacidad.

P: ¿Es siempre más económico operar con MVR?

No. MVR desplaza el costo del vapor a la electricidad, por lo que resulta ventajoso donde el vapor es caro o no está disponible y la tarifa eléctrica es favorable. Asimismo, implica el costo de capital del compresor y su mantenimiento. La comparación corresponde realizarla en la etapa de diseño, con los precios reales de sus servicios públicos.

P: ¿Qué nivel de vacío necesito?

Ese nivel depende de la temperatura máxima que soporta su producto, no de un valor estándar. Una vez conocido el límite de temperatura, el nivel de vacío se determina por el punto de ebullición de su líquido a la concentración que está alcanzando.

P: ¿Puede una sola unidad concentrar varios productos distintos?

Sí, siempre que esté diseñada para ello: una disposición con drenaje, una limpieza en sitio (CIP) eficaz y un control basado en recetas son las características habilitadoras. En ese caso, lo que adquiere es velocidad de cambio entre productos y repetibilidad, más que una única función fija.

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