Selección de evaporadores MVR: guía de dimensionamiento

La selección de un evaporador MVR —el dimensionamiento y la elección de un evaporador de recompresión mecánica de vapor— se reduce a hacer coincidir tres números: el servicio de evaporación en toneladas de agua por hora, la elevación del punto de ebullición del licor y la relación de compresión que puede entregar el compresor. Con esa coincidencia bien resuelta, la planta evapora agua por unos 15–40 kWh de electricidad por tonelada de agua, frente a 25–40 t de vapor vivo por tonelada en una unidad de simple efecto.

Conclusiones clave

• El MVR baja la energía de evaporación a 15–40 kWh por tonelada de agua evaporada, frente a 25–40 t de vapor en simple efecto.
• La elevación del punto de ebullición, no el caudal, fija la relación de compresión y por tanto el tipo de compresor.
• Las calandrias de película descendente sirven para licores limpios y poco viscosos; la circulación forzada, para salmueras incrustantes y saturantes.
• Los servicios con cristalización, como la recuperación de sulfato de sodio o de litio, exigen volumen de amortiguación y diseño antiincrustante.
• El piloto con su licor real reduce el riesgo del dimensionamiento antes de comprometer capital.

Qué es la recompresión mecánica de vapor y cómo funciona

El MVR es una técnica de bomba de calor que recomprime el vapor desprendido del licor para reutilizarlo como vapor de calefacción en el mismo evaporador, una y otra vez. Es, por tanto, un lazo energético cerrado: la única entrada significativa de energía externa es la potencia eléctrica del compresor, más un aporte modesto de vapor de arranque que se corta cuando el lazo alcanza el régimen estable.

El ciclo funciona así. El licor hierve, por ejemplo, a 90 °C dentro de la calandria. El vapor que sale del separador está cerca de la saturación a esa temperatura, pero lleva mucho más calor latente del que el licor necesita a una temperatura ligeramente superior. El compresor eleva la presión del vapor desde unos 70 kPa(abs) hasta quizá 110–160 kPa(abs), lo que sube la temperatura de saturación entre 6 y 15 K según el servicio. Ese vapor sobrecalentado condensa sobre el exterior de los tubos y su calor latente hierve más licor. El condensado sale como agua destilada caliente y el concentrado por el fondo del separador.

La cifra que importa al ingeniero de energía es el coeficiente de desempeño: masa de agua evaporada por unidad de energía eléctrica del compresor expresada en equivalente de vapor. Las plantas MVR prácticas con licores acuosos logran una economía de 15–40 kWh por tonelada de agua, equivalente termodinámicamente a evaporar 15–30 t de agua por tonelada de vapor equivalente. Como el portador de energía es electricidad, el MVR encaja de forma natural con sitios de energía barata, con calor residual de fundición o con renovables locales: una situación común en plantas hidrometalúrgicas que también operan electrólisis.

Cuándo tiene sentido para un licor hidrometalúrgico

La respuesta honesta es: cuando la elevación del punto de ebullición (BPE) del licor se mantiene moderada, porque la BPE es el impuesto termodinámico que se paga en cada tonelada de vapor recomprimido. La BPE es la diferencia entre la temperatura de ebullición del licor y la del agua pura a la misma presión. El agua pura a 70 kPa(abs) hierve a unos 90 °C; una solución madre de sulfato de litio al 20% en peso de Li2SO4 puede hervir 3–5 K más caliente, y una corriente saturada de sulfato de sodio puede mostrar 6–8 K, dominada por la sal disuelta y no por sólidos en suspensión.

• BPE por debajo de ~8 K en todo el rango de concentración: el MVR de una etapa es directo.
• BPE entre 8 y ~15 K: el MVR sigue funcionando, pero el compresor debe entregar mayor relación de compresión y el COP efectivo baja; puede convenir un arreglo de dos efectos (dos recipientes en serie con un solo compresor).
• BPE por encima de ~15 K, o licores que espuman violentamente o hierven con arrastre severo: el MVR pierde su ventaja y conviene estudiar un concentrador de salmuera con su propio lazo de compresión o una evaporación simple por vapor.

Una segunda compuerta es el comportamiento frente a la saturación. El evaporador de película descendente distribuye el licor como película fina por el interior de tubos calientes, con coeficientes altos y bajo inventario de líquido: ideal para licores limpios y no incrustantes. El evaporador de circulación forzada, en cambio, es un lazo impulsado por bomba que mantiene los cristales en suspensión y barre las superficies a alta velocidad, y por eso es el recipiente estándar cuando el licor cristalizará dentro del evaporador. Si el servicio es concentrar un refinado de sulfato de litio antes de un cristalizador aparte, una unidad MVR de película descendente suele bastar; si se pretende precipitar torta de sulfato de sodio directamente en el recipiente MVR, la circulación forzada con volumen externo de cristalización es la opción más segura.

Una tercera compuerta es la corrosividad. Los licores con cloruro a temperatura elevada empujan hacia aceros dúplex o superausteníticos, titanio o recipientes revestidos, y esas decisiones cambian de forma sustancial la cifra de capital.

Parámetros de dimensionamiento y selección del compresor

El dimensionamiento es un lazo iterativo entre el balance térmico y la curva del compresor, pero toda iteración parte del mismo conjunto pequeño de parámetros.

Dos acoplamientos merecen énfasis. Primero: el área de transferencia escala aproximadamente al inverso de la diferencia efectiva de temperatura, mientras la potencia del compresor escala de forma aproximadamente proporcional a ella, así que un diseñador agresivo que pide un recipiente pequeño lo paga en el medidor durante toda la vida de la planta. Segundo: la BPE que importa es la de la concentración final, no la de la alimentación; un licor que empieza en 3 K y termina en 12 K tendrá un compresor dimensionado por el punto final, y las primeras etapas del lote correrán con exceso de margen.

Selección del compresor. Es la decisión de equipo más consecuente de toda la planta: suele ser 40–60% del costo de equipo instalado y prácticamente todo el riesgo rotativo. Cuatro familias dominan la práctica:

• Ventiladores centrífugos de una etapa y gran caudal: la opción de trabajo para servicios grandes con BPE baja, del orden de 20–100 t/h de agua desde alimentaciones diluidas. Alcanzan relaciones de hasta ~1.3, toleran algunas gotas arrastradas y son mecánicamente simples.
• Sopladores tipo Roots: desplazamiento positivo con salto moderado por etapa, tolerantes al vapor húmedo y simples de controlar por velocidad. Comunes en servicios pequeños y medianos con capital ajustado, pero más ruidosos y menos eficientes que los centrífugos en grandes volúmenes.
• Compresores de tornillo: las máquinas sin aceite manejan relaciones de hasta ~1.8 en una etapa y toleran bien vapores de alto peso molecular y algo de arrastre líquido. Para BPE en la banda de 8–15 K suelen ser la elección correcta, porque entregan el salto en una sola máquina sin complicaciones entre etapas.
• Centrífugos multietapa: cuando el salto supera lo que un impulsor puede dar —salmueras de alta salinidad, grandes rangos de concentración— se especifican máquinas multietapa con interenfriamiento o dos recipientes en serie. Conllevan el mayor capital y complejidad de mantenimiento, así que el salto extra debe justificarse con el balance térmico.

Tres verificaciones protegen el proyecto: contrastar la curva del compresor con toda la envolvente operativa, desde la dilución de arranque hasta la concentración de fin de campaña; confirmar materiales y sellos frente a la química del vapor —nieblas ácidas, amoníaco o cloruro han acortado más de una vida de compresor—; y verificar la capacidad de reducción, porque una planta que debe operar al 40% de alimentación necesita álabes de entrada o control de velocidad que la mantenga fuera de bombeo en todo el rango.

Reglas de decisión y modos de falla a prevenir

1. Fijar los datos del licor antes del layout: sin análisis verificado de cationes y aniones, curva de BPE medida en laboratorio frente a concentración, datos de densidad y viscosidad y evaluación de especies incrustantes (CaSO4, SiO2, fluoruro), no debe empezar ninguna selección. Una semana de laboratorio aquí es la reducción de riesgo más barata del proyecto.
2. Elegir primero la temperatura de evaporación y después el compresor: 90–100 °C cuando el producto lo permite da mejor coeficiente y menor área; la estabilidad térmica y la tendencia al ensuciamiento fijan el techo.
3. Ajustar la calandria al riesgo de incrustación, no al catálogo: los licores limpios justifican tubos de película descendente; cualquier licor a menos de un factor de dos de la saturación de CaSO4 o SiO2 debe empujar el diseño hacia circulación forzada o hacia un diseño sembrado y tolerante a lodos.
4. Dimensionar el compresor en la peor esquina de la ventana: la BPE de fin de campaña, la presión mínima de succión y la superficie máxima ensuciada definen el punto real; el punto de placa es un artefacto comercial.
5. Decidir temprano si la cristalización ocurre dentro o fuera del lazo MVR: si se formarán sólidos en el evaporador, prever desde el día uno el volumen adicional, el bombeo de circulación y el manejo de cristales; readaptar un evaporador clarificador para lodos rara vez funciona.
6. Verificar materiales contra el concentrado, no contra la alimentación: la composición más corrosiva que verá el recipiente es el concentrado final a temperatura de operación; especifique aleaciones contra eso, con sobrespesor de corrosión, y corra cupones en licor real.
7. Exigir piloto para cualquier química nueva: una o dos semanas con licor real validan BPE, espumado, velocidad de ensuciamiento y comportamiento de cristales, los cuatro insumos que ningún cálculo de escritorio predice con confianza.

La regla 7 merece su propio párrafo: el ensuciamiento y el espumado son fenómenos hidrodinámicos que solo aparecen a velocidad y carga de vapor industriales. Un evaporador piloto montado en skid, con 50–200 L/h de su licor real, los revela en días.

Modos de falla: incrustación de sulfato de calcio en superficies calientes —tiene solubilidad inversa y se deposita rápido al cruzar la sobresaturación; mantenga la diferencia de temperatura de pared por debajo del umbral de incrustación, típicamente ≤10 K para licores sospechosos, siembre el licor o pase a circulación forzada, y vigile la tendencia del coeficiente—; ensuciamiento por sílice en el circuito de concentrado, que polimeriza de forma impredecible por encima de unos 100–150 mg/L según pH y temperatura; bombeo del compresor durante la reducción de carga; espumado y arrastre, con contaminación del condensado y llegada de gotas al compresor; pérdida de vacío o acumulación de no condensables, que sube la presión de condensación y ahoga la transferencia; arrastre de cristales al lazo de circulación en servicio con cristalización; y corrosión bajo depósito en licores con cloruro.

Costos y ejemplo de dimensionamiento

Cifras ilustrativas para discusión de planificación; no son cotizaciones.

La comparación que suele decidir el debate es MVR frente a evaporación de múltiple efecto. Un tren de múltiple efecto consume del orden de 0.3–0.5 t de vapor por tonelada de agua evaporada según el número de efectos, de modo que una unidad de cuatro efectos necesita unos 0.3 t/t; el MVR no necesita vapor en servicio continuo pero consume electricidad. El punto de cruce depende por completo de la relación de precios vapor/electricidad en su sitio y de la diferencia de capital.

Ejemplo (números inventados para ilustrar; no describen ningún proyecto real): concentrar 20 m³/h de refinado de sulfato de litio de 6% a 24% en peso de Li2SO4 antes de un cristalizador, a 92 °C, con electricidad a 0.07 USD/kWh.

1. Balance de agua: sólidos en alimentación = 20,000 × 0.06 = 1,200 kg/h de Li2SO4. Al 24%, caudal de concentrado = 1,200 / 0.24 = 5,000 kg/h. Agua evaporada = 15,000 kg/h = 15 t/h.
2. BPE: según datos de laboratorio ilustrativos, 4.5 K al 24% y 1.5 K al 6%. Se diseña con el punto final.
3. Balance térmico con ΔT = 7 K: con U = 1.6 kW/m²·K para película descendente a esa viscosidad y calor latente de 2,278 kJ/kg a 92 °C, Q = 15,000 × 2,278 ÷ 3,600 = 9,492 kW. Área = 9,492 / (1.6 × 7) ≈ 848 m².
4. Relación de compresión: succión a 75 kPa(abs); la descarga necesita saturación a 92 + 7 = 99 °C más ~1 K por pérdida de carga, es decir unos 103 °C, que son aproximadamente 113 kPa(abs). Relación = 113 / 75 ≈ 1.51.
5. Potencia del compresor: con eficiencia global del 70%, unos 25 kWh por tonelada de agua evaporada; 15 t/h × 25 ≈ 375 kW de consumo instalado.
6. Comprobación energética: el equivalente en simple efecto sería unos 15 t/h de vapor; el MVR usa 375 kW ≈ 1.35 GJ/h frente a unos 34 GJ/h de calor latente de vapor, más de veinte veces menos energía primaria, en línea con el referente de 15–40 kWh/t.
7. Costo operativo: 375 kW × 0.07 USD/kWh × 8,000 h/año ≈ 210,000 USD/año. La alternativa de simple efecto con 15 t/h de vapor, incluso a un modesto 25 USD/t, enfrentaría 15 × 8,000 × 25 = 3,000,000 USD/año. Esa brecha de 1.4 millones de dólares anuales explica por qué las plantas de litio han convergido en el MVR para sus servicios de concentración.

Note dónde están las sensibilidades: 2 K más de ΔT alcanzable eliminan unos 200 m² de área, mientras 2 K más de BPE empujan la relación de compresión y la potencia específica hacia arriba durante toda la vida de la planta. Esa asimetría es la esencia del dimensionamiento MVR: gaste esfuerzo en datos de licor y control de ensuciamiento antes de gastar dinero en acero.

Preguntas frecuentes

¿Cuánta electricidad consume realmente un evaporador MVR?

Las plantas instaladas reportan típicamente 15–40 kWh de electricidad del compresor por tonelada de agua evaporada, con el extremo bajo en licores diluidos y de BPE baja y el alto en salmueras concentradas de BPE alta con relaciones de compresión mayores. Convertido a energía primaria equivale a evaporar 15–30 t de agua por tonelada de vapor, y por eso el MVR se considera el referente de eficiencia energética en servicio continuo.

¿El MVR alcanza cristalización completa o solo concentración?

Ambas se hacen industrialmente, pero el servicio de cristalización cambia el diseño de forma sustancial. Si se forman sólidos dentro del evaporador, el recipiente necesita circulación tolerante a lodos —normalmente forzada— más manejo de finos y lavado de cristales aguas abajo. Muchas plantas concentran hasta justo por debajo de la saturación en una unidad MVR y envían el concentrado caliente a un cristalizador separado, lo que mantiene limpio el evaporador y simplifica el control de calidad del cristal.

¿Es adecuado el MVR para operación intermitente o por lotes?

El MVR premia la continuidad. Cada arranque consume vapor para establecer el lazo y los ciclos aumentan el esfuerzo térmico y el ensuciamiento. Las plantas que operan menos de unas 4,000 horas al año, o con alimentación muy variable, deben evaluar si un evaporador simple por vapor, o un esquema mixto con apoyo de vapor en las rampas, ofrece mejor costo de ciclo de vida que un lazo MVR puro.

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