Circulación forzada vs película descendente: 7 reglas de selección
La elección entre un evaporador de circulación forzada (FC) y uno de película descendente (FF) la decide un solo dato antes que cualquier otro: la carga de sólidos en suspensión o en cristalización del licor. Con sólidos presentes, la circulación forzada es la opción correcta; con un licor claro y no incrustante y una diferencia de temperatura disponible superior a unos 4 K, la película descendente concentra la misma corriente con un 5–10% menos de coste de capital. Todo lo demás en esta comparación se deriva de esas dos condiciones límite. Para el panorama general del equipo, consulte nuestra biblioteca de recursos de evaporación y cristalización.
Puntos clave
- Los sólidos en la alimentación deciden el debate: la FC los tolera, la FF no.
- La FF gana en coste de capital con licores limpios: alrededor de 0,90–0,95 del coste de la FC.
- La FC mantiene su coeficiente de transferencia de calor; la FF pierde superficie rápidamente cuando empieza la incrustación.
- El rango de turndown favorece a la FC: 40–100% del caudal de diseño, frente a 60–100% de la FF.
- La mayoría de las plantas modernas son híbridas: preconcentración en FF que alimenta un cristalizador FC.
¿Qué separa a un evaporador de circulación forzada de uno de película descendente?
Ambos equipos eliminan agua del licor con la misma física de economía de vapor, pero mueven el líquido a lo largo de la superficie de intercambio de formas fundamentalmente distintas, y cada consecuencia de selección que sigue se remonta a esa única diferencia.
Un evaporador de circulación forzada es un equipo de lazo bombeado que impulsa el licor por los tubos a 1,5–3,5 m/s mediante una bomba externa, manteniendo la superficie inundada y suprimiendo la ebullición dentro de los tubos. El flash ocurre aguas abajo, en un separador de baja velocidad. Como la bomba —no la gravedad— controla el flujo, los tubos operan en un entorno de alto cizallamiento tolerante a sólidos: los cristales permanecen en suspensión y los que golpean la pared son arrastrados en lugar de adherirse.
Un evaporador de película descendente distribuye el licor en la parte superior de un haz vertical de tubos y lo deja descender como una película delgada por las paredes, evaporando durante la caída. La ebullición ocurre directamente en la pared mojada, lo que explica su eficiencia, pero exige el mojado completo y uniforme de cada tubo durante toda la campaña: una sola zona seca se convierte en foco de incrustación en pocas horas.
La tolerancia a sólidos es la línea divisoria más nítida entre ambas tecnologías: la FC hace pasar los sólidos continuamente por el lazo hacia el separador, mientras que la FF no tiene mecanismo para mover un cristal a través de su película y requiere una alimentación prácticamente sin sólidos. El cegamiento de tubos —la obstrucción de los extremos inferiores por incrustaciones o sólidos compactados— es el modo de fallo dominante de la FF en servicio hidrometalúrgico.
Los siete números que deciden la selección
La comparación se reduce a siete ejes cuantificados. La tabla A resume los rangos típicos de planificación para licores hidrometalúrgicos; todos son indicativos y deben confirmarse con ensayos sobre su propia alimentación.
Tabla A — Comparación técnica (rangos típicos de planificación)
| Criterio | Circulación forzada | Película descendente | Implicación práctica |
|---|---|---|---|
| Coeficiente de transferencia de calor limpio (W/m²·K) | 800–1500 | 600–1200 | La FC conserva su valor bajo ensuciamiento; la FF se degrada con la incrustación |
| Diferencia de temperatura utilizable (K) | 8–20 | 4–10 | La FF necesita ΔT bajo; la FC acepta servicio más caliente y sucio |
| Residencia en la zona caliente (min) | 2–8 | 0,3–1 (20–60 s) | La corta residencia de la FF protege químicas sensibles; la FC permite cristalizar |
| Viscosidad máxima (cP) | hasta ~500 | ~50 | La concentración final suele superar el límite de la FF |
| Tolerancia a sólidos e incrustaciones | Alta — los sólidos atraviesan el lazo | Baja — alimentación casi sin sólidos | Primer filtro de selección, antes de hablar de coste |
| Turndown (% del caudal de diseño) | 40–100 | 60–100 | Caudales estacionales o erráticos favorecen la FC |
| Índice de coste de capital (FC = 1,0) | 1,0 | 0,90–0,95 | La FF ahorra 5–10% de capex solo si la alimentación se mantiene limpia |
Tres filas concentran el peso de la decisión en hidrometalurgia. El coeficiente de una FC tras seis meses de servicio con cristalización de sulfato de níquel conserva típicamente el 80–90% de su valor limpio, porque el cizallamiento de la bomba renueva continuamente la capa límite de la pared; el de una FF en el mismo servicio decae mes a mes al nuclearse incrustaciones en zonas mal mojadas, por lo que la comparación a valor limpio favorece artificialmente a la FF. En economía térmica, la FF rinde mejor a 4–10 K, que combina de forma natural con efectos múltiples o MVR en condiciones suaves; la FC consume parte de sus 8–20 K en impulsar el flujo a alta velocidad, y ese castigo compra la capacidad de seguir operando mientras el licor cristaliza. En calidad de producto, los 20–60 s de exposición calentada de la FF son más suaves con la química del licor —menos hidrólisis y menos nucleación de yeso—, mientras que los 2–8 min de la FC dan a los cristales tiempo de crecer hasta un tamaño separable: por eso la FC es el cuerpo de cristalizador por defecto.
¿Qué condiciones del licor empujan hacia cada tipo?
- Sulfatos en cristalización (Ni, Co, Mg, Na) con sólidos > 1% v/v: FC, porque los sólidos deben atravesar la zona caliente; la FC raspa la superficie, la FF se ciega.
- Concentrador de salmueras ZLD con 3–25% en peso de TDS y especies incrustantes (Ca, Si): FC, porque el Ca y la Si incrustan la superficie más caliente que encuentran; el arreglo FC permite operar la zona caliente subenfriada y concentrar por flash, moviendo el riesgo fuera de los tubos.
- Lixiviado ácido claro, < 0,1% de sólidos, en etapa de preconcentración: FF, con la mejor economía de vapor al menor capex.
- Pulido de aguas madres a alta densidad, > 100 cP: FC, porque la FF pierde la integridad de la película cerca de ~50 cP.
- Licores con orgánicos sensibles al calor: FF, porque su residencia de 20–60 s limita la degradación térmica.
- Caudales estacionales al 40–60% del diseño durante meses: FC, por su turndown de 40–100% frente al 60–100% de la FF.
La secuencia de selección en 7 pasos
- Caracterizar la alimentación: sólidos disueltos y en suspensión, especies incrustantes (Ca, Mg, Si, sulfato), viscosidad a la densidad objetivo y elevación del punto de ebullición. Ninguna selección hecha antes de esta tabla sobrevive al contacto con la planta.
- Aplicar el filtro de sólidos: cualquier sólido en suspensión o en cristalización por encima de niveles traza obliga a circulación forzada.
- Verificar la trayectoria de viscosidad: si la viscosidad final supera ~50 cP, la FF queda descartada.
- Emparejar el ΔT disponible: por debajo de ~8 K favorece estructuralmente a la FF; por encima de 10 K con licor sucio, la FC convierte ese ΔT en capacidad fiable.
- Comprobar el turndown frente al plan de alimentación: si la planta pasará meses por debajo del 60% del caudal de diseño, la FF exige recirculación intertubular o compensación de diseño; la FC simplemente reduce la bomba.
- Comparar costes con honestidad: incluir el tren de prefiltración de la FF, el margen de capacidad de la FC y las diferencias de mantenimiento antes de comparar índices de capital.
- Confirmar con ensayos: la elevación del punto de ebullición, la distribución de tamaño de cristal y la tasa de ensuciamiento son específicas de cada licor; verifique en piloto antes de congelar el diseño.
Circuitos híbridos y comparación de costes
La mayoría de los trenes hidrometalúrgicos modernos no eligen una vez: asignan a cada etapa el tipo que gana. El patrón híbrido dominante es una etapa FF que elimina el 60–80% del agua total en licor aún claro, alimentando una etapa FC que atraviesa el punto de nucleación, concentra y mantiene los sólidos en suspensión sin incrustar. Dos detalles deciden el éxito del híbrido: la densidad de transición debe fijarse por debajo del punto de nucleación con margen confirmado por curvas de ebullición de planta piloto, y el arreglo entre etapas debe impedir el retorno de licor cargado de cristales al haz de FF. Este esquema es hoy estándar en plantas de sulfato de níquel, de cobalto y de sodio.
Tabla B — Coste y energía (base indicativa, suministro de equipo)
| Concepto | Circulación forzada | Película descendente | Base / supuesto |
|---|---|---|---|
| Índice de coste de capital | 1,0 | 0,90–0,95 | FC = 1,0; incluye bomba, separador mayor y placa tubular más pesada |
| Consumo específico de vapor (t vapor / t agua, un efecto) | 0,45–0,60 | 0,40–0,55 | El número de efectos y MVR cambian ambos proporcionalmente |
| Potencia de bombeo (kWh/m³ de licor circulado) | 1,5–4 | 0,2–0,5 | Lazo FC a 1,5–3,5 m/s; la FF solo necesita carga de distribuidor |
| Frecuencia de limpieza CIP | Trimestral a anual | Mensual a trimestral | La alimentación incrustante acorta los intervalos de la FF |
| Prefiltración aguas arriba | Rara vez necesaria | Obligatoria, dimensionada a < 10–20 mg/L | Una línea real de capex y opex a menudo omitida en ofertas de FF |
Los fallos costosos casi siempre son del mismo tipo: una FF especificada para un licor para el que nunca fue adecuada. En casos documentados, una unidad FF sobre licor en cristalización ha perdido 15–25% de su capacidad evaporativa en semanas por cegamiento silencioso de las zonas mal mojadas; en un proyecto de sulfato de cobalto, la capacidad cayó ~20% en seis semanas y la unidad se reclasificó como etapa de preconcentración con un cristalizador FC añadido en la siguiente ampliación. A la inversa, en un concentrador de salmuera con alta sílice y calcio, la prima de la FC —cerca del 8% del capital del paquete— resultó la línea más barata de la oferta: el sílice habría cegado el haz de FF en el primer trimestre. Y el error espejo —una FC sobre un licor limpio y sensible al calor— paga energía de bombeo cada hora sin necesidad.
Preguntas frecuentes
¿Cuánto capital ahorra realmente la película descendente?
Sobre el cuerpo del evaporador, la FF suele cotizarse a 0,90–0,95 del paquete FC equivalente, un ahorro de 5–10%. Pero la comparación honesta suma su prefiltración obligatoria, su limpieza CIP más frecuente y la compensación del distribuidor ante turndown. En licores sucios o cristalizantes esos recargos eliminan por completo el ahorro; en alimentaciones limpias y prefiltradas el ahorro es real y duradero.
¿Qué viscosidad tolera cada tipo de evaporador?
La FF se limita a unos 50 cP: por encima, la película descendente pierde integridad, el mojado se vuelve irregular y aparecen zonas secas que se incrustan. La FC alcanza aproximadamente 500 cP gracias al cizallamiento de la bomba. Siga la viscosidad de su licor desde la alimentación hasta la densidad final antes de elegir; las tareas de concentración final suelen superar el techo de la FF.