Recompresión mecánica de vapor: principio de funcionamiento y energía

La recompresión mecánica de vapor (MVR) reduce la demanda energética de un evaporador a 15–30 kWh por tonelada de agua evaporada, entre 20 y 40 veces menos que los más de 600 kWh/t equivalentes de vapor de un tren de múltiple efecto. En lugar de rechazar el vapor limpio que sale del licor en ebullición, el sistema lo comprime unos pocos grados y lo devuelve como vapor de calefacción.

Puntos clave

• El MVR reutiliza el vapor como su propio medio de calefacción y baja el consumo específico a 15–30 kWh/t de agua.
• La electricidad sustituye al vapor, así que la economía depende del precio local de la energía frente al del combustible.
• La elevación del punto de ebullición (BPE) fija el salto que debe dar el compresor y, con ello, el límite técnico.
• Ventiladores, compresores de tornillo y centrífugos cubren ventanas distintas de caudal y de salto térmico.
• Incrustación, incondensables y espuma son las causas habituales de deriva del rendimiento.

Qué es y de dónde viene

Un evaporador convencional descarga el vapor a un condensador y tira entre 2,250 y 2,300 kJ por kilogramo de agua en forma de calor de baja temperatura, o gasta vapor vivo en una cascada de múltiple efecto para reutilizarlo unas pocas veces. El MVR reutiliza ese mismo vapor de forma continua: el cuerpo del evaporador se convierte en un lazo termodinámico cerrado con un compresor dentro. La economía de vapor de un solo paso se sustituye por una recirculación prácticamente ilimitada, limitada no por el número de efectos sino por la eficiencia del compresor y por el salto térmico disponible.

El concepto no es nuevo: se patentó en Europa en el siglo XIX y se instaló en salmueras y en la industria azucarera a comienzos del siglo XX, pero su adopción se aceleró desde los años setenta con el precio del petróleo y la madurez de los ventiladores centrífugos y los compresores de tornillo. Hoy es la opción por defecto para evaporar licores limpios o moderadamente contaminados cuando el vapor es caro y la elevación del punto de ebullición es moderada. En hidrometalurgia importa porque la evaporación y la cristalización están entre los pasos más intensivos del diagrama: en un circuito de cristalización de sulfato de níquel o en la recuperación de sulfato de sodio, el MVR suele ser la mayor palanca de ahorro energético disponible.

Parámetros de operación

Dos términos ordenan todo lo demás. La elevación del punto de ebullición (BPE) es la propiedad que sube la temperatura de ebullición de una solución por encima de la del agua pura a la misma presión y que amplía el salto que debe entregar el compresor. El bombeo o surge es la inestabilidad aerodinámica que aparece cuando el caudal de vapor cae por debajo de la línea estable de la máquina, con oscilación, vibración y riesgo mecánico.

Temperatura y volumen de vapor. El compresor maneja caudales volumétricos enormes: el vapor de agua a 70 °C tiene un volumen específico cercano a 5.5 m³/kg. Subir la temperatura de ebullición reduce la máquina de forma drástica, porque duplicar la presión absoluta casi divide por dos el caudal por tonelada. Por eso los evaporadores de película descendente en servicio MVR suelen operar a 85–95 °C en lugar del vacío profundo típico de las plantas MED, siempre que el licor tolere la temperatura.

ΔT y área. El ΔT útil es la temperatura de saturación comprimida menos la del licor en ebullición. Como el MVR recicla su propio vapor, comprar área con superficie barata compra directamente menos kilovatios: la optimización clásica es intercambiar placas o tubos contra potencia del compresor.

BPE. El agua pura tiene BPE cercana a cero; un licor saturado de sulfato de sodio muestra del orden de 3–5 K; las salmueras de litio concentradas y las corrientes alcalinas pueden superar 8 K. La BPE es salto desperdiciado: se paga en cada kilogramo de vapor y no realiza trabajo de evaporación. Cuando la BPE más el ΔT de proceso superan 20–25 K, la economía del MVR normalmente se derrumba y el MED con recompresión térmica pasa a ser la comparación válida.

Selección de la máquina. Los ventiladores axiales o centrífugos de gran caudal sirven servicios enormes de relación baja (aguas residuales, condensados). Los compresores de tornillo toleran relaciones mayores, vapores húmedos o sucios y amplio rango de regulación. Los centrífugos de una o dos etapas cubren el rango medio de plantas de sulfato de níquel y de descarga cero. La eficiencia isoentrópica bien diseñada se sitúa entre 70 y 82% y entra directamente en el cálculo.

Funcionamiento paso a paso

1. Precalentamiento. La alimentación pasa por un banco de precalentadores calentado por el condensado de salida y, en muchos diseños, por un condensador de venteo; recuperar 15–20 K aquí es un seguro barato.
2. Separación de vapor. La alimentación desciende por los tubos de película descendente y se evapora parcialmente; el cuerpo de vapor separa líquido y vapor con un demister. Los licores espumantes exigen un demister bien dimensionado, porque el arrastre de gotas salina el compresor.
3. Compresión. El vapor se comprime y sube su temperatura de saturación entre 5 y 15 K. La potencia es pequeña frente al calor latente transportado: ese es todo el argumento económico. La regulación por velocidad o álabes guía mantiene la máquina lejos del bombeo.
4. Condensación. El vapor sobrecalentado pasa al lado de calefacción del calandria, se desobrecalienta y condensa sobre los tubos, liberando su calor latente para evaporar más licor al otro lado de la misma pared metálica. El calor rechazado ayer es el vapor de calefacción de hoy.
5. Extracción de condensado. El condensado, prácticamente agua destilada, sale por trampas controladas por nivel; en hidrometalurgia suele ser un producto: agua de lavado o alimentación a una etapa de ósmosis.
6. Purga de incondensables. Aire infiltrado, gases disueltos y productos de descomposición se acumulan y cubren la superficie de intercambio; una purga pequeña con condensador de venteo los retira. Cada kilogramo de gas arrastra vapor y un exceso de purga es un sumidero energético oculto muy común.
7. Control. La densidad del producto (o la elevación del punto de ebullición) gobierna la extracción, el nivel gobierna la alimentación y la capacidad del compresor mantiene el equilibrio. Instrumentación imprescindible: pares presión-temperatura de succión y descarga, indicación de BPE en el lado del licor y presión diferencial del demister.

Por qué se degrada el rendimiento

1. BPE creciente y pérdida aparente de capacidad. La evaporación cae mientras el compresor trabaja más caliente y consume más. Causa: la concentración superó el diseño y subió la BPE y la viscosidad. Solución: verificar la BPE contra la curva de diseño y restablecer el control de densidad de descarga.
2. Incrustación. El coeficiente de transferencia cae durante semanas y el ΔT se abre a carga constante. Causa: sulfato de calcio, sílice o cristales en el lado del licor. Solución: CIP químico con la receta adecuada, limpieza mecánica cuando la química no basta, y prevención con antincrustante, control de siembra y ablandamiento aguas arriba.
3. Bombeo o vibración. Retumbo, presión de descarga oscilante y disparos por vibración a caudal reducido. Causa: operar bajo el caudal de bombeo o succión restringida por un demister ciego. Solución: revisar la válvula de reciclo antisurge y la lógica de capacidad, limpiar el demister y recalcular el punto de operación.
4. Acumulación de incondensables. Pérdida gradual de transferencia, presión alta en la carcasa y purga saturada. Causa: entrada de aire en sellos, CO₂ o NH₃ liberados, purga subdimensionada. Solución: buscar fugas en la envolvente de vacío y ajustar la purga; unos pocos por ciento de aire en el vapor de calefacción hunden el coeficiente de condensación.
5. Espuma y arrastre. Condensado con sales y ensuciamiento del compresor en días. Causa: tensoactivos, sólidos finos u orgánicos que estabilizan la espuma. Solución: antiespumante bien dosificado, mejora del demister o pretratamiento. En un lazo MVR el arrastre se autoamplifica, porque las sales se depositan justo donde la máquina es menos tolerante.

Ninguno de estos modos es exótico, y todos aparecen en las tendencias semanas antes de costar producción. Una revisión mensual de potencia por tonelada evaporada, BPE y ΔP del demister los detecta casi todos a tiempo.

Cómo calcular la demanda de energía

El cálculo se reduce a dividir el calor latente reciclado por el coeficiente de operación efectivo del compresor y sumar las pérdidas de motor y engranajes. Ejemplo con base declarada: evaporar 10 t/h de agua a 90 °C desde un licor con BPE de 2 K; calor latente a 90 °C ≈ 2,283 kJ/kg; ΔT útil de 6 K, de modo que el compresor debe subir la temperatura de saturación ΔT + BPE = 8 K; eficiencia isoentrópica 75% y motor con engranajes 95%.

Paso 1. Para saltos pequeños, el trabajo isoentrópico por kilogramo se aproxima con un aumento de entalpía de unos 18–20 kJ/kg; tomemos 19 kJ/kg. Trabajo real = 19 / 0.75 ≈ 25.3 kJ/kg.

Paso 2. Con 10,000 kg/h: 10,000 × 25.3 = 253,000 kJ/h = 70.3 kW; con 95% de eficiencia de motor y engranajes, 70.3 / 0.95 ≈ 74 kW eléctricos.

Paso 3. Consumo específico: 74 kW ÷ 10 t/h = 7.4 kWh por tonelada de agua evaporada. Las instalaciones reales en servicio limpio reportan 15–30 kWh/t porque el salto real, la operación a carga parcial, las purgas, el margen por incrustación y los auxiliares se suman al mínimo termodinámico.

Paso 4. Comparación con MED. Un evaporador de cuatro efectos con economía cercana a 4.0 consume unos 0.25 t de vapor por tonelada; con 2,200 kJ/kg de calor latente, 0.25 × 2,200 × 10,000 kg/h = 5.5 GJ/h térmicos. Con 90% de eficiencia de caldera y expresado como energía primaria, son 600–640 kWh por tonelada de agua: entre 25 y 80 veces la demanda eléctrica del MVR según el extremo de la banda que se tome.

Dos precauciones: el COP de un compresor MVR no es un número fijo —se degrada con el salto y con la incrustación—, así que todo consumo específico debe cotizarse a un ΔT y una BPE declarados; y con BPE alta hay que repetir el cálculo antes de creer cualquier promesa de proveedor.

Qué muestran las plantas instaladas

Las cifras siguientes son ilustrativas y anonimizadas; valen como orden de magnitud representativo, no como garantía. Un evaporador MVR que concentra salmuera litífera a unos 4,000 m de altitud reportó consumos en la veintena baja de kWh/t —dentro de la banda realista— tras dos rondas de optimización de demister y purga en el primer año; la mejora del segundo año vino sobre todo de corregir entradas de aire. Un proyecto de refino de sulfato de níquel en Asia Oriental alcanzó su tasa de evaporación de diseño con unos 25 kWh/t, pero solo después de duplicar la frecuencia de CIP: el compresor nunca fue el problema, el modelo de incrustación subestimó el arrastre de calcio y sílice. Una planta de recuperación de sulfato de sodio en Mongolia Interior mostró la firma clásica de la BPE: al oscilar la concentración por el control del cristalizador, la BPE medida se movió 1.5–2 K y el consumo subió cerca de 10%; ajustar el control de densidad recuperó la pérdida sin cambios de equipo. Y un servicio de concentración de salmuera con descarga cero en Oriente Medio, con un gran compresor de tornillo seleccionado para 12 K de salto, pudo pasar a una alimentación más salina (BPE unos 3 K mayor) sin cambiar la máquina, solo recalibrando controles y el programa de antincrustante. Disciplina de purga, realismo en la incrustación, control guiado por BPE y margen de relación: esos cuatro patrones se repiten en todos los continentes.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el MVR en términos simples?

Es una bomba de calor montada sobre un evaporador. El vapor de agua que se desprende del licor —normalmente calor residual— se comprime unos pocos kelvin y se usa otra vez como vapor de calefacción al otro lado del intercambiador. Como el calor latente se recicla de forma continua, la única entrada significativa es la electricidad del compresor.

¿Cuándo conviene el MVR frente al múltiple efecto?

Cuando el vapor es caro frente a la electricidad, la BPE del licor es moderada (en torno a menos de 8–10 K) y la planta opera de forma continua. El MED sigue siendo competitivo con vapor residual barato, con BPE muy alta o en operación intermitente. Como regla de planificación, la prima de capital del MVR se recupera en uno a cuatro años en la mayoría de los mercados eléctricos.

¿Qué BPE puede manejar un MVR?

Las máquinas comerciales manejan con comodidad saltos combinados (ΔT más BPE) de 8–20 K; los compresores de tornillo y los centrífugos multietapa lo amplían algo. Al crecer la BPE la potencia sube casi proporcionalmente, así que los licores de BPE alta exigen una verificación económica cuidadosa. Mida la BPE en el licor real a la concentración final: los valores de manual para sales puras suelen subestimar las corrientes industriales mixtas.