Evaporador-cristalizador para salmueras mineras: guía de selección

Un evaporador-cristalizador de compresión mecánica de vapor (MVR) evapora agua con 15–30 kWh eléctricos por tonelada, mientras que un tren de cuatro efectos consume 0.35–0.6 t de vapor por tonelada evaporada (rangos típicos; base: 5–10 t/h de agua, elevación del punto de ebullición —BPR— de 5–8 K, vapor saturado a 6 bar(g), energía de red). Cuál gana lo deciden el precio de la energía, el BPR y la especificación de tamaño de cristal.

Puntos clave

• Un tren de evaporación-cristalización se parte en un deber barato de concentración y un deber caro de producción de cristal.
• El BPR, no el caudal, fija el compresor y el número de efectos más que ningún otro parámetro.
• El MVR gana con energía eléctrica barata y BPR moderado; el múltiple efecto gana donde ya existe vapor residual.
• La circulación forzada es la opción por defecto cuando hay que producir sólidos; el OSLO compra tamaño y el DTB compra caudal.
• Materiales y control de incrustación deciden la vida de corrida, y ambos deben cerrarse antes de comparar CAPEX.

Qué hace un evaporador-cristalizador y qué familias lo componen

La expresión cubre dos deberes que las licitaciones confunden. El primero es concentrar: quitar agua a un licor diluido para reducir volumen aguas abajo, recuperar reactivos o subir ley antes de precipitar o cristalizar. El segundo es producir cristal: llevar el licor más allá de la saturación y hacer crecer un sólido vendible o desechable con una distribución de tamaño definida. Un tren hace ambos en un solo circuito térmico: concentra, sobresatura, suspende y hace crecer el cristal, y descarga una pulpa bombeable. En un esquema de descarga líquida cero añade un tercer trabajo silencioso: entregar una solución madre lo bastante limpia o una sal lo bastante seca para que el sitio deje de construir balsas.

Tres definiciones cargan el peso técnico. MVR es una bomba de calor del lado vapor: comprime el vapor de ebullición unos grados por encima de su temperatura de saturación y lo devuelve como vapor de calentamiento, de modo que la energía que entra es potencia de eje y no vapor fresco. BPR es la propiedad coligativa que eleva la temperatura de ebullición de una salmuera sobre la del agua pura a la misma presión, y crece rápido al acercarse a la saturación: fija la diferencia de temperatura útil para transferir calor y limita cuánto puede elevar el vapor una etapa de compresor. Cristalizador de circulación forzada es un recipiente que recircula la magma por un intercambiador externo a alta velocidad y la expansiona en un volumen a baja presión, manteniendo los tubos barridos mientras la sobresaturación se libera en el flash y no en la superficie de transferencia.

Un cuarto término aparece en toda hoja de datos: la economía de vapor, kilogramos de agua evaporada por kilogramo de vapor vivo. El reparto del deber importa comercialmente porque las dos mitades del tren tienen precio distinto: clarificación, precalentamiento y preconcentración por película descendente son baratas por tonelada de agua; producir cristal de tamaño controlado no lo es. En descarga cero, el último 10 % del agua suele costar más por tonelada que el primer 60 %, y el tren debe partirse en consecuencia en lugar de forzarse por una sola máquina.

Ninguna máquina cubre toda la curva desde alimentación diluida hasta sal seca, así que un tren es un ensamblaje de familias y la pregunta es dónde poner las fronteras. La película descendente da el mayor coeficiente y el menor tiempo de residencia y es la etapa estándar de preconcentración, pero no admite cristales que puenteen los tubos y se detiene antes de la saturación. El múltiple efecto (MEE) encadena varios cuerpos a presión decreciente para reutilizar el mismo kilogramo de vapor efecto a efecto: maduro, poco intensivo en electricidad y por defecto donde el vapor es barato o sobrante. El MVR compra independencia del sistema de vapor al precio de infraestructura eléctrica y mantenimiento de compresores. La circulación forzada es el caballo de tiro para hacer sólidos en salmueras cloruradas y sulfatadas: robusta frente al ensuciamiento y de cristal modesto. El DTB (tubo de tiro con baffle) añade una zona de baffles para eliminar finos, con más caudal y mejor control. El OSLO es un lecho fluidizado donde el cristal crece suave y clasifica por tamaño: la elección cuando un cristal grueso y estrecho justifica el costo. El concentrador de salmuera es una máquina MVR de tubos verticales y alta recirculación llevada a casi saturación en salmueras de BPR alto, común en litio y química del carbón. El tren ZLD es el ensamblaje completo: pretratamiento y ablandamiento, preconcentración, cristalizador, espesamiento, centrífuga o filtro, y secado.

Tabla 1 — Comparación indicativa (base: salmueras cloradas y sulfatadas clarificadas, 5–50 t/h de agua; confirmar por cotización)

La columna de CAPEX explica casi todas las discusiones del rubro: una etapa de película descendente quita agua a la mitad del costo por tonelada de un cuerpo de circulación forzada, así que cada tonelada que pueda hacerse aguas arriba del cristalizador se compra barata.

Qué parámetros de diseño deciden el resultado

Ocho parámetros deciden si una cotización va a funcionar, y su interacción es mayor de lo que admiten los pliegos. BPR. Lo que manda es el BPR en la superficie de ebullición, no en el tanque de alimentación: una salmuera que marca 3 K con 10 % de sólidos puede marcar 9 K en el cristalizador con 28 %, y un compresor MVR de una etapa necesita unos 4–6 K de elevación solo para vencer el BPR más un margen térmico; los compresores de dos etapas o de tornillo amplían el rango a costo adicional. El criterio de planta es medir el BPR en la solución madre clarificada del ensayo, no calcularlo desde el análisis de alimentación, porque la polarización de concentración en el tubo añade 1–2 K que los números de alimentación nunca ven.

Deber de evaporación. En t/h de agua fija el número de cuerpos, no su sofisticación: sobre unas 40–60 t/h los trenes se parten en varias líneas porque los diámetros de un solo cuerpo y los tamaños de compresor dejan de escalar económicamente. Energía específica. Los kWh por tonelada del MVR y las toneladas de vapor por tonelada del MEE solo son comparables tras convertir el vapor a su costo energético equivalente. Economía de vapor. La de placa de un tren de cuatro efectos se cita en 3.5–4.0 kg de agua por kg de vapor; el consumo instalado, con precalentadores, stripping, eyectores, arranque y margen de ensuciamiento, suele aterrizar en 0.35–0.6 t de vapor por tonelada de agua: conviene preguntar cuál de los dos usa la cotización.

Distribución de tamaño de cristal (CSD). Se especifica como d50 y coeficiente de variación (0.3–0.5). El tipo de cristalizador fija lo alcanzable —OSLO el más grueso y estrecho, DTB intermedio, circulación forzada el más ancho y fino— y el control de nucleación (destrucción de finos, tasa de siembra) mueve el resultado dentro de cada familia en torno a ±30 %. Tiempo de residencia. El crecimiento necesita tiempo: 1–3 h de magma en circulación forzada y DTB; descargar más rápido produce finos en la centrífuga diga lo que diga la curva del proveedor. Densidad de pulpa. Típicamente 10–30 % en peso de sólidos suspendidos: bajo 10 % domina la nucleación secundaria y la CSD se degrada; sobre 35–40 % sufren la bomba de circulación y la centrífuga. Es el parámetro que más falta en los balances de los proveedores y el que decide si la centrífuga aguas abajo va a funcionar.

Tabla 2 — Parámetros clave (base: salmueras mineras cloradas y sulfatadas; verificar con ensayos de banco y piloto)

Materiales, incrustación y vida de corrida

Las salmueras mineras concentran todo lo que la mena liberó, y la aleación mojada ve el pico en el punto más caliente y saturado del tren. La pregunta de materiales es por eso más simple y más afilada: es casi enteramente cloruro contra temperatura contra pH. El titanio es la opción por defecto en servicio clorurado caliente, oxidante y de neutro a ligeramente ácido: la superficie de ebullición de un concentrador de salmuera de litio o magnesio a 90–110 °C es territorio clásico de titanio, normalmente Grado 2, ocasionalmente Grado 12 donde preocupa la corrosión por rendija. Los dúplex y superdúplex (2205, 2507) cubren la mayor parte de la preconcentración a cloruro y temperatura moderados y cuestan mucho menos por cuerpo. Donde el pH baja y el cloruro es alto a la vez —concentrados de drenaje ácido de mina, algunos licores de tierras raras— entran las aleaciones de níquel y el cuerpo del cristalizador puede duplicar su costo. Los espacios de vapor y el lado de condensado no están exentos: el vapor de una salmuera clorada arrastra gotas y corroe rápido los condensadores de acero al carbono si los separadores y el lavado no están bien resueltos.

Dos advertencias ganadas en operación. La aleación correcta en el cristalizador suele estar sobredimensionada para la preconcentración y subdimensionada en la descarga de sal: especifique por zona, no por tren. Y los pares galvánicos entre carcasa de titanio e internos de dúplex concentran el ataque en el miembro menor: diseñe los internos pensando en el par.

La incrustación, no la corrosión, termina antes las campañas. La química del depósito es predecible —sulfato de calcio, carbonato de calcio y sílice explican la gran mayoría del ensuciamiento en salmueras mineras— y cada uno tiene su palanca. Un programa que funciona: mapear dónde cada especie cruza su límite de solubilidad, casi siempre el flash del último efecto y la superficie del calentador del cristalizador; interceptar la dureza aguas arriba con ablandamiento cal-sosa, intercambio iónico o nanofiltración, que cuesta una fracción de quitar depósitos de tubos de titanio; sembrar donde la sobresaturación no se puede evitar, reciclando semilla fina para que el sulfato de calcio crezca en la pulpa y no en la pared, práctica estándar en salmueras saturadas de yeso y razón por la que muchos trenes de circulación forzada corren de seis a doce meses entre lavados; mantener la velocidad en tubos sobre el umbral de deposición, con 2.0–2.5 m/s como piso en calentadores de circulación forzada, enclavando el caudal mínimo de circulación a la carga térmica y no a la atención del operador; diseñar el lavado, con ebullición en línea con ácido diluido o quelante, vallada y tubería desde el día uno, que convierte una parada de tres días en un lavado de cuatro horas; y vigilar la solución madre, porque sílice y sulfato se acumulan en recirculación cerrada y un análisis semanal detecta la deriva meses antes de que la pérdida de ΔT aparezca en el DCS. La economía es unilateral: el hardware y los ensayos de control de ensuciamiento cuestan 1–3 % del CAPEX del tren y devuelven su costo en la primera parada evitada, porque una parada forzada en un tren de 20 t/h cuesta producción y vapor a la vez.

Qué tren gana en la práctica

Conclusiones condicionales, porque la respuesta honesta es un árbol de decisión con hojas definidas. Elija MVR cuando la electricidad es barata o autogenerada (0.05–0.08 USD/kWh), el vapor es caro o no existe, el BPR queda bajo unos 8–10 K y el deber es continuo y estable; también gana en el balance de emisiones de sitios que se descarbonizan y evita una casa de calderas nueva. Pierde cuando la cristalización pesa mucho frente a la concentración, porque los compresores no toleran BPR alto ni pulpas densas. Elija múltiple efecto cuando ya hay vapor en el sitio (fundición, circuito SART, central vecina), el deber es grande y el suministro eléctrico es débil: es la opción de menor riesgo tecnológico, tolera vapor sucio y la repara cualquier contratista mecánico; su piso es el precio del vapor, y sobre unos 25–30 USD/t el tren de cuatro efectos suele perder el costo de ciclo de vida frente al MVR. Elija circulación forzada accionada por vapor en arreglo múltiple cuando el BPR es alto (10–15 K), domina la producción de sólidos y la alimentación es sucia: es la configuración clásica de sal desde salmuera, sin compresor que se ensucie con licor arrastrado y con cada efecto como cristalizador. Entre OSLO y DTB, elija OSLO cuando la especificación exige cristal grueso y estrecho (potasa, algunas sales sulfatadas vendidas por tamaño), el caudal es moderado y hay operadores para manejar un lecho fluidizado; elija DTB cuando importan disponibilidad y tonelaje, cuando la destrucción de finos debe ser parte de la máquina y cuando la química de alimentación varía, porque el DTB perdona más y produce más. Los concentradores de salmuera entran cuando hay que llegar a casi saturación con BPR alto y la cristalización se maneja aparte, algo común en litio de espodumeno y circuitos DLE.

Energía y costos

Rangos etiquetados, porque un número absoluto sin base es marketing. Energía: MVR consume 15–30 kWh por tonelada de agua evaporada, típico de un compresor centrífugo de dos etapas o de tornillo con 6–12 K de elevación total; el MEE de cuatro efectos consume 0.35–0.6 t de vapor por tonelada de agua en base instalada. Con electricidad a 0.07 USD/kWh y vapor a 20 USD/t, eso es aproximadamente 1.1–2.1 USD/t de agua para MVR frente a 7–12 USD/t para el tren de vapor: la razón por la que el MVR se llevó casi todo el mercado nuevo en regiones con electricidad abundante y no en las ricas en vapor.

CAPEX: rangos indicativos FOB, 0.8–2.0 millones USD por t/h de deber instalado para trenes de concentración por múltiple efecto, y 1.2–2.5 millones USD por t/h cuando se incluye cristalización y aleaciones exóticas (titanio, superdúplex); base salmuera clorada, FOB fábrica, sin obras civiles, montaje, suministro de alta tensión ni repuestos, cifras de cribado a ±30 % que se reemplazan por cotizaciones y nunca autorizan un presupuesto. OPEX: como regla de plantas en operación, el OPEX total por tonelada evaporada (energía, mano de obra, consumibles, mantenimiento) corre 1.6–2.2 veces la línea de energía sola; el pretratamiento por membranas y el ablandamiento aguas arriba bajan esa relación al quitar química de lavado.

Dónde está el cruce: con electricidad a E USD/kWh y vapor a S USD/t, el MVR supera al MEE de cuatro efectos en costo de energía cuando E × 22.5 (valor medio de kWh/t) es menor que S × 0.48 (valor medio de t/t); en términos llanos, el MVR gana cuando la electricidad cuesta menos de unos 0.045 USD/kWh por cada 2 USD/t de vapor, todo lo demás igual. Un BPR sobre 10 K y una cristalización sobre 30 % del CAPEX del tren mueven el cruce en contra del MVR.

Preguntas frecuentes

¿Cuándo conviene el MVR frente al múltiple efecto?

Cuando la electricidad es barata frente al vapor —típicamente bajo 0.05–0.07 USD/kWh con vapor sobre 20 USD/t—, el BPR de la salmuera se mantiene bajo unos 8–10 K y el deber es continuo. También donde no hay casa de calderas y construirla dominaría el CAPEX. El múltiple efecto conserva la ventaja donde ya existe vapor sobrante, donde la energía es poco fiable y donde la cristalización es demasiado grande para máquinas con compresor.

¿Qué BPR deja al MVR fuera de juego?

Sobre unos 10–12 K en el cristalizador, un compresor de una etapa no entrega una diferencia de temperatura útil y uno de dos etapas compra elevación con eficiencia decreciente. Las salmueras de cloruro de sodio o magnesio casi saturadas, con 12–15 K, empujan el diseño a circulación forzada accionada por vapor o a un concentrador de salmuera dedicado. Mida el BPR en solución madre clarificada y no lo calcule desde el análisis de alimentación.

Si está armando un tren completo —ablandamiento, evaporación, cristalización, separación sólido-líquido y secado— y quiere una sola responsabilidad de ingeniería, procura y puesta en marcha, envíe el análisis de salmuera y el balance de agua. Métodos en la base de conocimiento y definiciones en el glosario.

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