Evaporación instantánea

Un tambor de flash típico

La evaporación instantánea (o evaporación parcial ) es el vapor parcial que se produce cuando una corriente de líquido saturado sufre una reducción de presión al pasar a través de una válvula de estrangulamiento u otro dispositivo de estrangulamiento. Este proceso es una de las operaciones unitarias más simples . Si la válvula de estrangulamiento o el dispositivo está ubicado en la entrada de un recipiente a presión de modo que la evaporación instantánea se produzca dentro del recipiente, entonces el recipiente a menudo se denomina tambor flash . ^{[1] [2]}

Si el líquido saturado es un líquido de un solo componente (por ejemplo, propano o amoníaco líquido ), una parte del líquido se convierte inmediatamente en vapor. Tanto el vapor como el líquido residual se enfrían a la temperatura de saturación del líquido a presión reducida. Esto a menudo se denomina "refrigeración automática" y es la base de la mayoría de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor convencionales .

Si el líquido saturado es un líquido multicomponente (por ejemplo, una mezcla de propano , isobutano y butano normal ), el vapor instantáneo es más rico en los componentes más volátiles que el líquido restante.

La evaporación instantánea incontrolada puede resultar en una explosión de vapor en expansión de líquido hirviendo ( BLEVE ).

Evaporación instantánea de un líquido de un solo componente

La evaporación instantánea de un líquido de un solo componente es un proceso isentálpico y, a menudo, se denomina flash adiabático . La siguiente ecuación, derivada de un simple balance de calor alrededor de la válvula o dispositivo de estrangulamiento, se usa para predecir la cantidad de líquido de un solo componente que se vaporiza.

${\displaystyle X={\frac {H_{u}^{L}-H_{d}^{L}}{H_{d}^{V}-H_{d}^{L}}}}$^[3]

dónde:
${\displaystyle X}$	= relación en peso de líquido vaporizado / masa total
${\displaystyle H_{u}^{L}}$	= entalpía líquida aguas arriba a temperatura y presión aguas arriba, J / kg
${\displaystyle H_{d}^{V}}$	= entalpía de vapor instantáneo a presión aguas abajo y     temperatura de saturación correspondiente , J / kg
${\displaystyle H_{d}^{L}}$	= entalpía de líquido residual a presión aguas abajo y     temperatura de saturación correspondiente , J / kg

Si los datos de entalpía requeridos para la ecuación anterior no están disponibles, entonces se puede usar la siguiente ecuación.

${\displaystyle X={\frac {c_{p}(T_{u}-T_{d})}{H_{v}}}}$

dónde:
${\displaystyle X}$	= fracción de peso vaporizada
${\displaystyle c_{p}}$	= calor específico del líquido a temperatura y presión aguas arriba, J / (kg ° C)
${\displaystyle T_{u}}$	= temperatura del líquido aguas arriba, ° C
${\displaystyle T_{d}}$	= temperatura de saturación del líquido correspondiente a la presión aguas abajo, ° C
${\displaystyle H_{v}}$	= calor líquido de vaporización a presión aguas abajo y     temperatura de saturación correspondiente , J / kg

Aquí, las palabras "aguas arriba" y "aguas abajo" se refieren a antes y después de que el líquido pase a través de la válvula o dispositivo de estrangulamiento.

Este tipo de evaporación instantánea se utiliza en la desalinización de agua salobre o de mar mediante " Multi-Stage FlashDestilación ". El agua se calienta y luego se envía a una" etapa "de evaporación instantánea a presión reducida donde parte del agua se convierte en vapor. Este vapor se condensa posteriormente en agua sin sal. Se introduce el líquido salado residual de esa primera etapa en una segunda etapa de evaporación instantánea a una presión más baja que la presión de la primera etapa. Se inyecta más agua en vapor que también se condensa posteriormente en más agua sin sal. Este uso secuencial de múltiples etapas de evaporación instantánea se continúa hasta que los objetivos de diseño de la Una gran parte de la capacidad de desalinización instalada en el mundo utiliza destilación instantánea de múltiples etapas. Por lo general, estas plantas tienen 24 o más etapas secuenciales de evaporación instantánea.

Destello de equilibrio de un líquido multicomponente

El destello de equilibrio de un líquido multicomponente puede visualizarse como un proceso de destilación simple usando una sola etapa de equilibrio . Es muy diferente y más complejo que la evaporación instantánea de un líquido de un solo componente. Para un líquido multicomponente, calcular las cantidades de vapor instantáneo y líquido residual en equilibrio entre sí a una temperatura y presión determinadas requiere una solución iterativa de prueba y error . Este cálculo se conoce comúnmente como cálculo flash de equilibrio. Implica resolver la ecuación de Rachford-Rice : ^{[4] [5] [6] [7]}

${\displaystyle \sum _{i}{\frac {z_{i}\,(K_{i}-1)}{1+\beta \,(K_{i}-1)}}=0}$

dónde:

• z _i es la fracción molar del componente i en el líquido de alimentación (se supone que es conocido);
• β es la fracción de alimento que se vaporiza;
• K _i es la constante de equilibrio de componente i .

Las constantes de equilibrio la K _i están en funciones generales de muchos parámetros, aunque el más importante es sin duda la temperatura; se definen como:

${\displaystyle y_{i}=K_{i}\,x_{i}}$

dónde:

• x _i es la fracción molar del componente i en fase líquida;
• y _i es la fracción molar del componente i en fase gaseosa.

Una vez que se ha resuelto la ecuación de Rachford-Rice para β , las composiciones x _i y y _i se pueden calcular inmediatamente como:

${\displaystyle {\begin{aligned}x_{i}&={\frac {z_{i}}{1+\beta (K_{i}-1)}}\\y_{i}&=K_{i}\,x_{i}.\end{aligned}}}$

La ecuación de Rachford-Rice puede tener múltiples soluciones para β , como máximo una de las cuales garantiza que todos x _i y y _i serán positivos. En particular, si solo hay un β para el cual:

${\displaystyle {\frac {1}{1-K_{\text{max}}}}=\beta _{\text{min}}<\beta <\beta _{\text{max}}={\frac {1}{1-K_{\text{min}}}}}$

entonces, β es la solución; si hay múltiples de tales β , significa que K _max <1 o K _min > 1, lo que indica, respectivamente, que no se puede mantener ninguna fase gaseosa (y por lo tanto β = 0) o, a la inversa, que no puede existir ninguna fase líquida (y por lo tanto β = 1).

Es posible utilizar el método de Newton para resolver la ecuación del agua anterior, pero existe el riesgo de converger al valor incorrecto de β ; es importante inicializar el solucionador a un valor inicial sensible, como ( β _max + β _min ) / 2 (que sin embargo no es suficiente: el método de Newton no ofrece garantías de estabilidad), o, alternativamente, utilice un solucionador de horquillado como el método de bisección o el método Brent , que están garantizados para converger pero pueden ser más lentos.

El flash de equilibrio de líquidos multicomponente se utiliza ampliamente en refinerías de petróleo , plantas petroquímicas y químicas y plantas de procesamiento de gas natural .

Contraste con el secado por atomización

El secado por aspersión a veces se considera una forma de evaporación instantánea. Sin embargo, aunque es una forma de evaporación líquida, es bastante diferente de la evaporación instantánea.

En el secado por pulverización, una suspensión de sólidos muy pequeños se seca rápidamente mediante suspensión en un gas caliente. La lechada se atomiza primero en gotitas de líquido muy pequeñas que luego se rocían en una corriente de aire seco caliente. El líquido se evapora rápidamente dejando polvo seco o gránulos sólidos secos. El polvo seco o los gránulos sólidos se recuperan del aire de escape utilizando ciclones , filtros de mangas o precipitadores electrostáticos .

Evaporación flash natural

La vaporización repentina natural o la deposición repentina pueden ocurrir durante los terremotos, lo que resulta en la deposición de minerales retenidos en soluciones sobresaturadas , a veces incluso minerales valiosos en el caso de aguas auríferas que contienen oro. Esto se produce cuando los bloques de roca son rápidamente tirados y separados unos de otros por fallas de trote . ^[8]

Ver también

• Evaporador
• Separador de vapor-líquido
• Destilación flash de múltiples etapas

Referencias

1. Stanley M. Walas (1988). Equipos de Procesos Químicos: Selección y Diseño . Butterworth-Heinemann. ISBN 0-409-90131-8.
2. Asociación de proveedores de procesamiento de gas (GPSA) (1987). Libro de datos de ingeniería (décima edición, Vol. 1 ed.). Asociación de proveedores de procesamiento de gas, Tulsa , Oklahoma .
3. Vic Marshall; Steve Ruhemann (2001). Fundamentos de la seguridad de procesos . IChemE. pag. 46. ISBN 9780852954317.
4. Harry Kooijman y Ross Taylor (2000). El libro ChemSep (PDF) (2ª ed.). ISBN  3-8311-1068-9. Consulte la página 186.
5. Análisis de funciones objetivas (Universidad Estatal de Pensilvania)
6. Cálculos flash usando la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong (ver imagen a tamaño completo)
7. Curtis H. Whitson, Michael L. Michelsen, El destello negativo , Equilibrios de fase fluida, 53 (1989) 51-71.
8. Richard A. Lovett; Revista Nature (18 de marzo de 2013). "Los terremotos crean vetas de oro en un instante: los cambios de presión hacen que el metal precioso se deposite cada vez que la corteza se mueve, según un nuevo estudio. La información sugiere que la detección remota podría usarse para encontrar nuevos depósitos en rocas donde los movimientos de fallas son comunes" . Scientific American . Consultado el 18 de marzo de 2013 .

Enlaces externos

• Vapor y Flash Steam Animación, fotos y explicación técnica de la diferencia entre Flash Steam y Fracción vaporizada.
• Tutorial de Flash Steam Los beneficios de recuperar Flash Steam , cómo se hace y aplicaciones típicas.
• Tecnologías de desalación de agua en Oriente Medio y Asia occidental
• Discusión del secado por aspersión
• Programa de evaporación flash en línea Destilación flash de los compuestos de hidrocarburos.