VUELCO LÍQUIDO CERO: EVAPORACIÓN COMO SOLUCIÓN AL EFLUENTE LÍQUIDO

Cuando el componente de un efluente líquido más volátil es el agua, la evaporación de esta puede ser la solución para eliminar o disminuir el vuelco. Por Ing. Alejandro Gancedo*

Grupo Gancedo

El vuelco de un efluente líquido está definido en la legislación vigente donde básicamente se establece la cantidad de líquido a volcar por unidad de tiempo (caudal ej.: m3/h), dónde realizar el vuelco según la ubicación geográfica (curso natural, pluvial o cloacal) y finalmente la composición química permitida para ese efluente la que dependerá del tipo de procesos del cual proviene y consecuentemente su fórmula, esto es el contenido específico máximo permitido de los contaminantes más algunas variables químicas como el pH y otras físicas como la temperatura, entre otras.

Es condición sine qua non cumplir con las especificaciones de vuelco, siempre que este se realice, en la totalidad de los parámetros establecidos con la autoridad que corresponda. El delito medioambiental en la República Argentina es de carácter federal. De lo expuesto se establece que la eficiencia en el tratamiento del efluente líquido y su posterior vuelco debe ser del 100%.

Para minimizar la posibilidad de error la evaporación suele ser una solución eficaz, se trata de transformar el líquido en vapor, por este procedimiento se calienta una disolución de sólidos en un líquido o de líquidos entre sí (efluente) para que el líquido más volátil se transforme en vapor no contaminante expelido a la atmósfera, a su vez los sólidos concentrados podrán disponerse como Residuos Especiales representando aproximadamente y dependiendo del tipo de efluente una décima parte o menos del volumen total.

Fenómeno de la evaporación

La teoría cinética de los gases establece que un número estadístico de moléculas a una temperatura dada puede ponerse de manifiesto por la ley de distribución de Maxwell de las velocidades moleculares. Una consecuencia de esta ley es el hecho de que algunas moléculas de este grupo estadístico poseen una energía cinética mayor que la energía cinética promedio y otras moléculas poseen una energía menor que el promedio. Esta ley es aplicable al estado líquido, como en el estado gaseoso, la energía cinética de las moléculas sigue también la distribución de Maxwell.

Utilizando este enunciado como punto de partida podemos estudiar los fenómenos de evaporación, tensión de vapor y ebullición de los líquidos. Todas las moléculas que se ubican en la superficie de un líquido son las que poseen mayor cantidad de energía cinética y por ende las que tendrán la mayor tendencia a abandonar la superficie del líquido en forma de vapor (fase gaseosa). La temperatura de la masa líquida es una medida de la energía cinética promedio de todas las moléculas, si se eleva la energía cinética la cantidad de moléculas que pasen a estado gaseoso será mayor, si el volumen de la fase gaseosa hacia la cual se evaporan las moléculas es muy grande (Ej.: la atmósfera) las moléculas continuarán abandonando la superficie del líquido produciéndose la evaporación completa.

En este punto se ha producido la separación del solvente (Ej.: agua) y el soluto (sólidos u otros líquidos disueltos). El solvente agua se ha convertido en vapor el cual se disipará en la atmósfera o se condensará si el proceso corresponde a una destilación cuyo producido será el agua destilada.

Evaporadores

Como se ha señalado el aumento de energía produce el cambio de estado de un líquido a un gas llamado vapor, los evaporadores básicamente son recipientes donde se aplica energía en forma de calor para producir el cambio de estado. Básicamente se clasifican en atmosféricos o al vacío, para ambos casos es aplicable la siguiente clasificación de transferencia de calor:

  • Calentamiento por intercambiadores alimentados con vapor o fluidos térmicos.
  • Calentamiento por flama directa.
  • Calentamiento por tubo sumergido.
  • Calentamiento eléctrico.
  • Calentamiento por radiación solar.

Para el caso de aquellos equipos que operan con flama directa, la aplicación de vacío se restringe por la necesidad de mayores dimensiones del equipo para producir el vacío. La elección del tipo de evaporador estará dada por el monto de la inversión y el costo operativo, los de tipo flama directa o tubo sumergido resultan ser los más eficaces a la hora de evaluar la economía del proceso.

Operación de evaporadores

Para el desarrollo de este punto utilizaremos como ejemplo el tipo “Calentamiento por tubo sumergido”. Se trata de un equipo compuesto por un recipiente donde se aloja un intercambiador de calor (tubo sumergido) por donde se hace circular la flama producida por la combustión del elemento combustible. A través de la pared del tubo se realiza el intercambio térmico, un sistema automático alimenta al evaporador a medida que el líquido contenido en el recipiente se trasforma en vapor manteniendo un ciclo continuo de trabajo el cual se evaluará por el caudal de líquido evaporado en unidad de tiempo.

Esquema I.

El proceso de evaporación podrá realizarse en forma directa o indirecta, esto es: forma directa enviando el efluente al evaporador, la forma indirecta es realizando la separación de los sólidos o semisólidos no disueltos previamente por decantación y/o flotación enviando el líquido al evaporador y los sólidos o semisólidos a disposición final como residuos especiales. Aquí cabe destacar la conveniencia del uso de los “Filtro prensa” para la deshidratación de los lodos cuyo líquido remanente podrá también enviarse al evaporador (Esquema I). Otro tipo de separadores de sólidos previos son los “Decanter centrífugos” de gran utilidad y eficiencia cuando los sólidos en suspensión representan una parte importante del efluente.

Gancedo

Líquidos espumígenos

Una mención especial merece el tratamiento de aquellos efluentes que por su composición resultan en un líquido con baja tensión superficial, por ejemplo, aquellos provenientes de la limpieza de sitios o recipientes donde se utilizaron detergentes, jabones, desengrasantes, o algún agente que provocare la baja de la tensión superficial.

Tensión superficial se define como “la fuerza que, actuando perpendicularmente a la superficie del líquido tiende a resistir la deformación de la misma”. (Principios de Química, Hiller y Herber, cap. 8.3).

También puede expresarse como la cantidad de energía necesaria para aumentar la superficie de un líquido, esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. La unidad de medida para la tensión superficial más utilizada es la dina/cm. Para el agua 72.75 dinas/cm y se la suele reducir para lograr efectos de mojado de superficies.

Al momento de la evaporación se producirán burbujas de vapor cuyos tamaños dependerán de la presión interna de la burbuja, el conocimiento de la tensión superficial permite conocer la presión interna con la siguiente fórmula:

Donde P es presión en dinas/cm2; y es tensión superficial; r es el radio de la burbuja, aquí se observa que para presiones grandes corresponden burbujas pequeñas y viceversa. Los agentes espumígenos como los tensioactivos reducen la tensión superficial y en consecuencia la presión interna de la burbuja, y, por esa razón el tamaño de la misma aumenta en forma considerable. Las burbujas ocupan el espacio del líquido desplazándolo creando el efecto de expansión o dilatación volumétrica del líquido pudiendo superar valores de hasta seis veces la altura del líquido original, debe tenerse en cuenta que un kilogramo de agua con tensión superficial normal a presión de 1 bar y 100°C produce 1.75 m3 de vapor.

Gancedo

Existen varios modos de controlar la espuma, y de hecho los evaporadores son muy utilizados en estas condiciones, siendo los más destacados los agentes antiespumantes, las trampas para freno de gota y la altura de la chimenea. Se sugiere realizar un estudio previo del efluente para determinar la solución más adecuada.

Costos operativos

El calor de vaporización para 1Kg de agua a 1 bar de presión es de 539.6 Kcal, con esta cantidad de energía se produce el cambio de estado de líquido a gas (vapor). A esta cantidad de energía debe sumarse la cantidad de calor que demandará para elevar la temperatura desde el punto en el que se encuentre hasta los 99.9°C. Para su mejor comprensión damos el siguiente ejemplo: supongamos que deseamos evaporar 1 Kg de agua que se encuentra a 20°C.

La cantidad de calor Q = masa m x diferencial de temperatura ∆T x calor específico ce = 1Kg x (100 – 20) x 1 = 80 Kcal

Para producir el cambio de estado => 539.6 + 80 = 619.6 Kcal

Entonces la energía necesaria para evaporar 1 Kg de agua es 619.6 Kcal.

Para evaluar los costos debemos tener presente la eficiencia de los sistemas evaporadores, si bien esta varía dependiendo del tipo de evaporador, del combustible a utilizar, del sistema de intercambio térmico, de las presiones, etc. La eficiencia de aque-llos equipos alimentados con gas natural puede ubicarse en una banda de entre 85 % y 95 %. Suponiendo la peor condición para la evaporación de 150 litros de agua el cálculo es el siguiente:

Cantidad de gas natural

9300 Kcal/m3 Es la capacidad calorífica del GN 0.85 para una eficiencia del 85 %.

A fin de dar una idea sobre la puesta en marcha de un evaporador y la evolución de la temperatura a energía constante se presenta el siguiente gráfico 1 donde se muestra la ecuación para poder determinar la temperatura en los distintos intervalos de tiempo. Es notorio que a medida que aumenta la temperatura del sistema, este se hace más eficiente, dicho de otra manera, la temperatura aumenta en menos tiempo cuanto más caliente está el líquido.

Gráfico 1.

Accesorios

Existen una serie de dispositivos desarrollados como accesorios para las distintas condiciones que eventualmente pudieran presentarse según el tipo de efluente, a continuación, detallamos solo algunos:

Bombas dosificadas: suelen utilizarse para la inyección dentro del evaporador de compuestos del tipo antiespumante, supresores de olor, etc. Difusores de vapor: su aplicación tiene por objeto disipar la pluma de vapor producida en la salida de la chimenea con la finalidad de diluir el vapor con aire atmosférico minimizando también su efecto a la vista.

Trampas para arrastre de gota: cuando la velocidad de escape de vapor supera ciertos límites propios de cada efluente la cantidad de microgotas dispersas en este se incrementa, en algunos procesos esto no es deseado y por esa razón se implementan estas trampas que constan de laberintos y/o estructuras del tipo panal de abeja donde se produce el frenado de la corriente de las microgotas haciéndolas retornar al evaporador.

Supresor de espuma: es un complejo estructural diseñado para romper la espuma en forma mecánica generando una barrera, la que podrá operar en conjunto con los agentes químicos antiespumantes.

Filtro prensa y Decantes centrífugo: el residual de la evaporación es un concentrado de los distintos efluentes que se evaporaron, cada cierto tiempo se retiran del evaporador. Este concentrado puede disponerse como residuo especial o también podrá deshidratarse reduciendo su contenido de agua con alguno de estos tipos de equipo logrando un sólido compacto el cual representa una mínima porción del concentrado retirado. También pueden utilizarse como etapa previa a la evaporación.

*Director de Grupo Gancedo.

Más información: www.grupogancedo.com