capÍtulo 1. introducción -...
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CAPÍTULO 1. Introducción
ÍNDICE
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................... 1
1.0 OBJETIVOS Y ALCANCE ................................................................... 1
1.1 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA .......................................................... 1
1.2 EJEMPLOS DE ALGUNAS PLANTAS MED ..................................... 20
1.3 REFERENCIAS .................................................................................. 24
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Evolución de la capacidad mundial de desalación, instalada y contratada [3]. ......... 2
Figura 1.2. Procesos de desalación agrupados según el elemento extraído (agua o sales) [4]. 3
Figura 1.3. Capacidad de desalación mundial instalada, por tecnología (2013) [3]. ................... 4
Figura 1.4. Esquema de una planta de desalación mediante ósmosis inversa [3]. ..................... 4
Figura 1.5. Esquema del proceso de desalación flash multietapa con recirculación(MSF) [5]. ... 6
Figura 1.6. Imagen con las unidades de desalación MSF en la planta Al-Jubail (Arabia Saudí)
[7]. .................................................................................................................................. 6
Figura 1.7. Tecnología de destilación multiefecto con tubos sumergidos [8]. .............................. 7
Figura 1.8. Solubilidad del sulfato cálcico y temperatura máxima de salmuera (TBT) en una
configuración de alimentación en paralelo [9]. .............................................................. 8
Figura 1.9. Esquema de la desalación mediante la destilación de simple efecto [9]. .................. 9
Figura 1.10. Esquema de la desalación mediante la destilación multiefecto con alimentación en
serie................................................................................................................................ 9
Figura 1.11. (a) Alimentación en serie. (b) Alimentación inversa. (c) Alimentación en paralelo.
(d) Alimentación en paralelo/cruzado [9]. .................................................................... 12
Figura 1.12. Área específica en función del número de etapas para las distintas
configuraciones [11] ..................................................................................................... 13
Figura 1.13. GOR en función del número de etapas para las distintas configuraciones [11] .... 14
Figura 1.14. Esquema de un termocompresor o eyector de vapor [9]. ...................................... 15
Figura 1.15. Esquema de la destilación multiefecto con termocompresión [9]. ......................... 16
Figura 1.16. Planta MED-TVC de Tobruk en Libia [12]. ............................................................. 16
Figura 1.17. Planta MED-TVC Ras Laffan C en Qatar [12]. ....................................................... 17
Figura 1.18. Esquema de la planta piloto CSP-NF-MSF-DBM [14]. .......................................... 18
Figura 1.19. (a) Consumo específico (bombeo) de la unidad MSF frente a la TBT................... 19
(b) Caudal másico de destilado producido por la planta MSF frente a la TBT. .......................... 19
(c) GOR frente a la TBT [14]. ...................................................................................................... 19
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Ejemplos de plantas MED convencionales [15] ........................................................ 20
Tabla 1.2. Más ejemplos de plantas MED y MED-LT [16].......................................................... 21
Tabla 1.3. Capacidad y tipo de plantas MED revisadas por [16] ............................................... 22
ÍNDICE DE SÍMBOLOS
A Área de los evaporadores en los efectos, m2
Apreh Área de los precalentadores, m2
Capacidad térmica específica media del agua de mar a presión constante,
kJ/kg°C
Di Diámetro interior de las tuberías que conectan los efectos, mm
L Longitud de las tuberías, m
N Número de efectos
qD Caudal másico de destilado producido, kg/s
qs Caudal másico de vapor externo, kg/s
sA Área específica de transferencia, m2/(kg/s)
sqcw Caudal másico específico de refrigeración, -
Ts Temperatura de saturación del vapor externo, °C
Tin Temperatura de entrada del agua de mar a la instalación, °C
Xf Salinidad de la alimentación, ppm
XN Salinidad de la salmuera en el último efecto, ppm
ÍNDICE DE ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS
ABHP Absorption heat pump (bomba de calor de absorción)
ADHP Adsorption heat pump (bomba de calor de adsorción)
BF Backward feed
EES Engineering equation solver
FF Forward feed (alimentación en serie)
FM Freezing-melting
FO Forward osmosis
GOR Gained output ratio
HDH Humidification–dehumidification
MED Multi-effect distillation (destilación multiefecto)
MVC Mechanical vapor compression (compresión de vapor mecánica)
MD Membrane distillation (destilación por membranas)
MSF Multi-stage flash (flash multietapa)
PF Parallel cross (alimentación en paralelo/cruzado)
PF Parallel feed (alimentación en paralelo)
PVD Passive vacuum desalination
PX Pressure exchanger
RO Reverse osmosis
ST Solar still
TVC Thermal vapor compression (compresión térmica de vapor)
TRABAJO FIN DE MÁSTER Modelado de un sistema de desalación de agua de mar basado en …
Capítulo 1 - 1
1.0 Objetivos y alcance
La finalidad de este trabajo es desarrollar un modelo físico de un sistema de
desalación de agua de mar mediante destilación multiefecto con alimentación
en serie. El modelo creado es estacionario y está construido a partir de
balances de materia y energía aplicados en los diferentes equipos de la
instalación. Para su implementación se elige el software EES (Engineering
Equation Solver, [1]), que permite resolver de forma simultánea sistemas de
ecuaciones algebraicas y además incluye librerías con las propiedades
termofísicas de un gran número de especies, entre ellas el agua y el agua de
mar.
Tras una breve introducción a la desalación térmica de agua de mar, en
especial a la destilación multiefecto, en el Capítulo 2 se desarrolla el modelo de
forma detallada y se presentan las principales hipótesis introducidas. En el
Capítulo 3 se muestran los resultados conseguidos tras la simulación del
modelo para un caso base y se realizan una serie de análisis paramétricos para
observar la influencia de diversas variables en la eficiencia y en el
comportamiento del sistema. Asimismo se lleva a cabo una comparación con
otros modelos propuestos en la literatura. Finalmente se exponen las
principales conclusiones que se obtienen tras la realización del trabajo y se
proponen nuevos estudios y líneas de investigación futuras.
El modelo descrito permite obtener una primera estimación de las variables de
interés del sistema (temperaturas, presiones, salinidades, etc.) para realizar el
prediseño de la planta. La consideración del consumo eléctrico por bombeo,
auxiliares, dimensionamiento de los equipos, número de tubos, diámetros, etc.
queda relegada a un estudio posterior.
1.1 Estado de la tecnología
La desalación de agua de mar mediante la evaporación y posterior
condensación de los vapores ha sido una técnica muy utilizada históricamente,
sin embargo, no fue hasta la segunda mitad del siglo XX cuando comenzó a
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 2
desarrollarse la desalación mediante destilación multiefecto y flash multietapa,
principales tecnologías térmicas utilizadas hoy en día.
interés
A partir la crisis del petróleo de 1973 surgió el interés por la utilización de las
energías renovables como fuente energética del proceso de desalación térmica
[2]. En los últimos años, debido a la creciente preocupación por el impacto de la
actividad humana sobre el medio ambiente, el reclamo de este tipo de
tecnologías limpias ha aumentado considerablemente.
La evolución de la capacidad mundial de desalación se muestra en la siguiente
figura, donde se compara la capacidad instalada con la contratada [3]:
Figura 1.1. Evolución de la capacidad mundial de desalación, instalada y contratada [3].
Puede observarse cómo la evolución es claramente creciente, sin embargo,
con la aparición de la crisis económica de 2008, la tendencia ha cambiado su
signo debido a las dificultades de financiación para construir nuevas plantas de
desalación.
Existen diversas técnicas de desalación de agua de mar y diferentes
clasificaciones de las mismas. Atendiendo al elemento que se extrae en el
proceso, agua o sales, una clasificación posible es la que se ilustra en la Figura
1.2 [4]:
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Capítulo 1 - 3
Figura 1.2. Procesos de desalación agrupados según el elemento extraído (agua o sales) [4].
Los procesos que extraen el agua dulce se dividen a su vez en dos: con
cambio de fase y sin cambio de fase. Entre los que pertenecen al primer grupo
está la desalación flash multietapa (multi-stage flash, MSF), la destilación
multiefecto (multi-effect distillation, MED), la destilación solar (solar still, ST),
humidificación-deshumidificación (humidification–dehumidification, HDH),
destilación al vacío (passive vacuum desalination, PVD), destilación por
membrana (membrane distillation, MD), congelación-fusión (freezing-melting,
FM) y las técnicas basadas en la utilización de bombas de calor: compresión
mecánica de vapor (mechanical vapor compression, MVC), compresión térmica
de vapor (thermal vapor compression, TVC), bomba de calor de absorción
(absortion heat pump, ABHP) y bomba de calor de adsorción (adsorption heat
pump, ADHP). En el segundo grupo, sin cambio de fase, están la ósmosis
inversa (reverse osmosis, RO) y la ósmosis directa (forward osmosis, FO).
Dentro de los procesos de extracción de las sales está la electrodiálisis
(electro-dialysis, ED), el intercambio de iones (ion exchange, IE) y la
desionización capacitiva (capacitive deionization, CD), las cuales se utilizan
habitualmente con agua salobre pero no con agua de mar.
Las tecnologías de desalación más comunes, con mayor capacidad instalada a
nivel global, son, por orden de capacidad (Figura 1.3): ósmosis inversa (63%),
destilación flash multietapa (23%), destilación multiefecto (8%), electrodiálisis
(3%) y el resto [3].
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 4
Figura 1.3. Capacidad de desalación mundial instalada, por tecnología (2013) [3].
La ósmosis inversa tiene la mayor capacidad debido a que consume
comparativamente menos energía en el proceso de desalación que las
tecnologías basadas en el cambio de fase. Además el abaratamiento de las
membranas y el aumento de la capacidad de producción de agua desalinizada
hacen de la ósmosis inversa una tecnología de desalación muy interesante.
Sólo requiere energía eléctrica (mecánica) para operar, mediante un grupo de
bombeo que impulsa el agua de mar hacia los bastidores de membranas donde
tiene lugar la separación de las sales y el agua pura (permeado) mediante el
filtrado en las membranas arrolladas en espiral.
Además, parte de la energía introducida puede recuperarse mediante
intercambiadores de presión (Pressure Exchangers, PX) que aprovechan la
presión de salida de la salmuera de rechazo para disminuir las necesidades de
bombeo a la entrada. Un esquema del proceso se muestra en la siguiente
figura:
Figura 1.4. Esquema de una planta de desalación mediante ósmosis inversa [3].
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Capítulo 1 - 5
Dentro de los inconvenientes que presenta esta tecnología puede citarse el
mayor y más dificultoso pretratamiento del agua de mar requerido, ya que las
membranas son muy sensibles a las impurezas del agua, tanto orgánicas
(fouling biológico = acumulación de microorganismos, bacterias, plantas, algas,
etc.) como inorgánicas (scaling = incrustaciones por depósitos de sales).
Además, la fuente energética, si es electricidad tomada de la red, no es energía
primaria sino un vector energético, la cual necesita ser producida a partir,
normalmente, de una central térmica convencional. Por cada kWh de
electricidad producida en la central, aproximadamente se necesitan 3 kWh
térmicos, de los cuales 2 kWh se pierden hacia el ambiente. A la hora de
comparar las tecnologías de desalación, mediante procesos térmicos y de
membrana, hay que hacerlo partiendo de las mismas condiciones.
La tecnología de desalación por evaporación súbita o flash multietapa (Multi-
Stage Flash, MSF) consiste en evaporar el agua de mar en cámaras o etapas
a una presión menor de la presión de saturación correspondiente a la
temperatura existente. El agua de mar de alimentación es precalentada
mediante unos condensadores en cada etapa, condensando así el vapor libre
de sales formado por flash. Antes de entrar en la primera cámara el agua de
mar recibe el aporte de calor externo mediante una corriente de vapor motriz
externo. Al entrar en la cámara, que está a una menor presión, se provoca la
expansión súbita del agua de mar vaporizándose el agua pura y quedando las
sales en el fondo del depósito.
Típicamente esta tecnología utiliza entre 15 y 25 cámaras dispuestas
secuencialmente a presión y temperaturas decrecientes desde la primera
etapa. Operan a una temperatura de salmuera no superior a los 110°C debido
a que a temperaturas superiores se produce corrosión en las superficies
metálicas de los intercambiadores de calor.
El mecanismo de separación vapor-sales consiste en la evaporación por
disminución de presión, y no por aporte térmico en los tubos de un evaporador,
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 6
como ocurre en las MED. Un esquema del proceso se ilustra en la siguiente
figura.
Figura 1.5. Esquema del proceso de desalación flash multietapa con recirculación(MSF) [5].
Esta tecnología tiene sus orígenes en la década de los 50 del siglo XX y la
primera planta se construyó en Kuwait en 1959, con una capacidad de 4560
m3/d y 19 etapas [6]. Posteriormente fue incrementando su capacidad mediante
unidades individuales capaces de producir desde 30000 hasta 75000 m3/d
cada una, como la planta de Al-Jubail [7], en Arabia Saudí, que tiene una
capacidad total de 908500 m3/d.
Figura 1.6. Imagen con las unidades de desalación MSF en la planta Al-Jubail (Arabia Saudí)
[7].
La tecnología de desalación mediante destilación o evaporación multiefecto
(Multi-Effect Distillation/Evaporation, MED/MEE) fue la primera en aparecer, sin
embargo problemas de operación debido a la utilización de evaporadores de
tubos sumergidos, hizo a la industria optar por la destilación flash multietapa.
Estos problemas estaban asociados a la aparición de depósitos de sales sobre
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Capítulo 1 - 7
los tubos debido a la disminución de la solubilidad de las sales con el aumento
de la temperatura de operación.
En la configuración de tubos sumergidos, el agua de mar confinada en
depósitos evapora gracias al vapor saturado que circula por el interior de tubos
sumergidos en la misma, el cual condensa cediendo su entalpía de cambio de
fase. Esta técnica provocaba la aparición de incrustaciones salinas,
principalmente debidas al CaSO4, muy complicadas de quitar. Los depósitos
calcáreos suponen una resistencia térmica adicional que hace disminuir
considerablemente la transferencia de calor y el rendimiento del proceso.
Figura 1.7. Tecnología de destilación multiefecto con tubos sumergidos [8].
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 8
Figura 1.8. Solubilidad del sulfato cálcico y temperatura máxima de salmuera (TBT) en una configuración de alimentación en paralelo [9].
Este defecto fue superado posteriormente gracias a la utilización de
evaporadores de película delgada, principalmente horizontales, donde la
salmuera evapora en la cara exterior de los tubos al ser rociada sobre los
mismos y gracias al calor latente de condensación del vapor motriz que circula
por el interior de los tubos del evaporador.
La destilación multiefecto con evaporadores de película delgada está basada
en el proceso simple de evaporación de agua de mar, ilustrado en la Figura 1.9.
Consta básicamente de dos equipos, un condensador y un evaporador de
tubos horizontales. El agua de mar entra al condensador donde es
precalentada gracias a la condensación del vapor de destilado producido en el
evaporador. Parte de dicha agua precalentada se utiliza para expulsar el
exceso de calor añadido al proceso, constituyendo el agua de refrigeración
(cooling seawater). El resto se dispersa sobre el haz de tubos del evaporador
donde se produce la evaporación del disolvente (destilado), quedando las sales
concentradas en el fondo del depósito, también llamado efecto. Esta
evaporación se realiza gracias al calor de condensación de una corriente de
vapor externo denominada vapor motriz. En su recorrido ascendente el vapor
de destilado pasa a través de una malla deshumidificadora (demister) para
evitar las gotas de condensado, y se dirige al condensador, donde cede su
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Capítulo 1 - 9
calor latente y forma el caudal de destilado, el producto final. También existe
una pequeña fracción del vapor de destilado producido por efecto flash al entrar
en la celda.
Este proceso es muy ineficiente porque no se provecha toda la energía
introducida en el sistema, las corrientes de salida tienen aún alto contenido
energético. Por ello se propone el proceso de destilación multiefecto, formando
una secuencia de efectos simples, donde la presión y temperatura de cada
efecto es menor que la del anterior. El primer efecto está alimentado por vapor
externo a unos 70 °C (para evitar las precipitaciones de sales), mientras que
los restantes por el vapor de destilado producido en el efecto anterior, por ello
se necesitan temperaturas y presiones cada vez menores. La alimentación de
agua de mar de cada efecto es la salmuera remanente del anterior,
concentrándose de forma progresiva. Esta tecnología se ilustra en la Figura
1.10.
Figura 1.9. Esquema de la desalación mediante la destilación de simple efecto [9].
Cooling seawater, Mcw, Tf
IntakeSeawater, Tcw, Min
Brine, Bn, Xb
Feed seawater, Mf, Xf
Motive steamMs, Ts
1 2 3 4 5 6
Figura 1.10. Esquema de la desalación mediante la destilación multiefecto con alimentación en serie.
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 10
Aparte del consumo térmico, la desalación mediante destilación multiefecto
necesita también un consumo eléctrico para el bombeo de las diferentes
corrientes. Este consumo es significativo cuando el volumen de agua de
refrigeración es alto, por lo cual disminuir las necesidades de refrigeración en el
condensador final supone también disminuir consumo eléctrico de bombeo.
Las configuraciones típicas que adquieren estos sistemas son cuatro:
1. Alimentación directa o en serie (Forward Feed, FF). Se distingue
porque el destilado y la salmuera fluyen en la misma dirección a través
de los efectos. La principal ventaja de este sistema es que puede operar
a altas temperaturas máximas de salmuera [10]. Figura 1.11 (a).
2. Alimentación inversa o posterior (Backward Feed, BF). En ella el
destilado y la salmuera tienen sentidos contrarios. La alimentación de
agua se realiza en el último efecto, y recorre el resto en el sentido
creciente de temperaturas y presiones. Por ello este arreglo es el que
más energía de bombeo consume. En la práctica no se utiliza para
desalar agua de mar ya que el efecto que está a mayor temperatura
(primer efecto) es el de mayor concentración de sales. Tiene un buen
rendimiento térmico pero también un alto mantenimiento. Figura 1.11 (b).
3. Alimentación en paralelo (Parallel Feed, PF). El agua de mar se
introduce al mismo tiempo en todos los efectos de forma perpendicular y
el vapor fluye desde la izquierda hacia la derecha, en el sentido de las
presiones decrecientes. Es la configuración más simple y más utilizada
en la desalación de agua de mar. Tiene el menor rendimiento térmico de
las tres configuraciones pero también el menor consumo eléctrico.
Figura 1.11 (c).
4. Alimentación en paralelo-cruzado (Parallel/Cross, PC). Al contrario
que en el sistema con alimentación en paralelo, en esta configuración la
salmuera de la primera etapa se dirige hacia la segunda, donde se
produce vapor flash y se mezcla con la salmuera de la propia etapa.
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Capítulo 1 - 11
(a)
(b)
(c)
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Capítulo 1 - 12
(d)
Figura 1.11. (a) Alimentación en serie. (b) Alimentación inversa. (c) Alimentación en paralelo. (d) Alimentación en paralelo/cruzado [9].
Uno de los parámetros de medida del rendimiento de estas plantas es el Gain
Output Ratio (GOR), que se define como el caudal másico de destilado
obtenido dividido por el caudal másico de vapor externo introducido. Este
parámetro puede definirse de distintas formas ya que no existe una uniformidad
de criterio dentro de la literatura sobre desalación térmica.
(1.1)
Además, el área específica de transferencia (sA) se define como la suma total
de las áreas de los precalentadores (Apreh) y de los evaporadores (A), junto con
las del condensador final (Ac), divididas por el caudal másico de destilado
producido.
∑ ∑
(1.2)
Un estudio sobre las distintas configuraciones de plantas MED es llevado a
cabo por Darwish et al. [11]. En concreto, para la alimentación directa, la
inversa y la paralela. Cada una de las variantes en la alimentación del proceso
persigue unos objetivos específicos. El modelo utilizado en este trabajo
simplifica el análisis suponiendo capacidad térmica específica media constante
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Capítulo 1 - 13
para el destilado, la alimentación y la salmuera; un valor medio constante para
el calor latente de evaporación; iguales cantidades de vapor generado en cada
efecto y mismas diferencias de temperatura entre las etapas y entre el vapor
externo y el de ebullición en la primera etapa. Asimismo, en el análisis de los
precalentadores supone saltos de temperatura constantes de la alimentación,
junto con un valor constante de la elevación del punto de ebullición.
Los resultados obtenidos muestran cómo tanto el GOR como el área específica
aumentan con el número de etapas, para las tres configuraciones. La
alimentación inversa presenta menor área específica y mayor GOR que la
alimentación directa. No obstante, esta disposición no se utiliza en desalación
ya que la mayor concentración de salmuera se produce en la etapa con mayor
temperatura, lo cual favorece la aparición de depósitos calcáreos. Esta
disposición necesita además un bombeo de la salmuera de etapa en etapa ya
que fluye en el sentido de las presiones crecientes.
Figura 1.12. Área específica en función del número de etapas para las distintas configuraciones [11]
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 14
Figura 1.13. GOR en función del número de etapas para las distintas configuraciones [11]
Como se observa en las figuras anteriores, la configuración de alimentación en
paralelo tiene un área específica parecida a la de la configuración inversa y
tiene el mayor rendimiento de las tres (Figura 1.13). No obstante, la máxima
salinidad de la salmuera se presenta en cada una de las etapas de esta
disposición.
En vistas a mejorar el rendimiento del proceso una solución posible es
incorporar termocompresores que aprovechen parte del calor residual
expulsado en el condensador final. Estos dispositivos comprimen vapor
partiendo de dos corrientes de alimentación, una a alta presión y temperatura
(vapor primario) y otra a baja presión y temperatura (vapor de succión,
entrained vapor).
Los termocompresores funcionan gracias al efecto Venturi. La corriente de
vapor a alta presión se acelera en la boquilla de entrada, con sección
convergente, disminuyendo su presión y creando un vacío que arrastra a la
corriente de baja presión. Ambos flujos se mezclan en la cámara intermedia,
para finalmente recuperar energía en forma de presión en la sección divergente
de salida, al desacelerarse el fluido. Estos dispositivos son fáciles de operar,
fiables y robustos. Por el contrario, presentan un rendimiento bastante bajo. En
la práctica, suelen utilizarse por las razones expuestas.
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Capítulo 1 - 15
Figura 1.14. Esquema de un termocompresor o eyector de vapor [9].
Al acoplar el termocompresor a la planta MED se logra aumentar el rendimiento
de manera significativa. Parte del vapor de destilado producido en el último
efecto se utiliza como vapor de succión en el termocompresor. Éste se alimenta
con vapor de alta presión procedente de algún proceso industrial o a partir de
una extracción de una turbina de vapor. Parte del calor que antes era
expulsado en el condensador final ahora es aprovechado en el proceso,
recirculando una fracción del vapor de destilado de un efecto intermedio o del
último efecto.
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 16
Figura 1.15. Esquema de la destilación multiefecto con termocompresión [9].
Como ejemplos de esta tecnología puede citarse la planta Tobruk en Libia, tipo
MED-TVC, desarrollada por Sidem [12], la cual produce 40000 m3/d gracias a
tres unidades de 13333 m3/d. Otro ejemplo es Ras Laffan C en Qatar
consistente en diez unidades de 28640 m3/d, totalizando una producción diaria
de 286400 m3/d.
Figura 1.16. Planta MED-TVC de Tobruk en Libia [12].
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Capítulo 1 - 17
Figura 1.17. Planta MED-TVC Ras Laffan C en Qatar [12].
Existen configuraciones híbridas de plantas MED, MED-TVC y MSF como las
descritas por Zak et al. [13], donde se proponen distintos arreglos que logran
aumentar la eficiencia de estos sistemas por separado. En concreto, la primera
configuración propuesta es un sistema que transita desde efectos de una MED-
FF hasta efectos de una MED-PC (Parallel-Cross), pudiendo ser combinada
con termocompresión. La segunda consiste en etapas de MSF y efectos de
MED-FF, empleando una ruta de vapor para la MSF que no suele utilizarse.
Finalmente la tercera configuración utiliza alimentación de vapor paralela para
las etapas MSF y los efectos MED-TVC con disposición en serie (MSF-MED-
TVC). Los resultados de este estudio demuestran que existe capacidad de
mejora en los procesos térmicos de desalación.
Otras líneas de investigación en desalación mediante procesos térmicos se
basan en la integración de la nanofiltración (nanofiltration, NF) y la tecnología
MSF, alimentadas por energías renovables. Esta tecnología es analizada por
Mabruck et al. [14]. La unidad de nanofiltración se utiliza para permitir operar la
MSF a altas temperaturas de salmuera. A temperaturas mayores de 120°C el
sulfato cálcico (CaSO4) precipita si se superan los límites de solubilidad. La
formación de scaling alcalino (CaCO3 y MgOH) puede controlarse bajando el
pH o añadiendo floculantes. Los precipitados duros no alcalinos como el
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 18
CaSO4 sólo pueden ser evitados limitando la temperatura máxima de salmuera
por debajo de los 120°C.
Para realizar experimentos se utiliza una planta piloto localizada en Natroun
(Egipto), de capacidad 1 m3/d. En ella se aprecia una configuración novedosa
incluyendo una unidad de desgasificación-mezclador de sales. Los resultados
son comparados con los obtenidos a través de modelos teóricos, resultando
relativamente satisfactorios. La nueva configuración NF-MSF-DBM se ensaya
con TBT=100°C y el GOR se estima en 15) (el doble que una planta MSF
tradicional). Además reduce la energía térmica de entrada para poder ser
integrada con energías renovables.
Figura 1.18. Esquema de la planta piloto CSP-NF-MSF-DBM [14].
(a) (b)
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Capítulo 1 - 19
(c)
Figura 1.19. (a) Consumo específico (bombeo) de la unidad MSF frente a la TBT. (b) Caudal másico de destilado producido por la planta MSF frente a la TBT.
(c) GOR frente a la TBT [14].
La desalinización de agua de mar mediante procesos térmicos consume mucha
energía. Tiene que competir contra otras tecnologías, como la ósmosis inversa,
cuyo coste de producción del m3 de agua desalinizada es menor, debido al
abaratamiento de las membranas y al menor consumo necesario para realizar
el proceso (sólo necesita energía mecánica, parte de la cual puede ser
recuperada a la salida mediante intercambiadores de presión). Por ello es
necesario aumentar la eficiencia de estas técnicas basadas en la separación de
las fases líquida y vapor mediante aporte de energía térmica. Una de las
posibilidades estudiadas es la introducción de la termocompresión,
aprovechando parte del calor de salida contenido en los vapores de destilado, o
la utilización de bombas de calor que se alimenten de energía residual de algún
proceso industrial.
La destilación multiefecto es la tecnología de desalación térmica más eficiente
que existe actualmente, capaz de producir grandes volúmenes de agua a un
coste razonable. Otras posibilidades estudian la integración de la nanofiltración
con la desalación flash multietapa [14], o una combinación de distintas
tecnologías térmicas [13].
La integración de la destilación multiefecto con energía solar representa una
oportunidad para utilizar una fuente de energía renovable, barata y de alta
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 20
calidad. El problema de la intermitencia y discontinuidad de energía solar no es
crítico para la producción de agua pero sí para la producción eléctrica, cuya
variabilidad es muy acusada tanto diariamente como en periodos estacionales.
En plantas duales de producción conjunta es necesario pues adaptar la
generación eléctrica y de agua a dichos cambios, para mantener un buen
rendimiento en los procesos y finalmente un menor coste de producción.
1.2 Ejemplos de algunas plantas MED
Darwish et al. [15] publicaron datos sobre algunas plantas MED convencionales
en 2006, recogidos en la siguiente tabla:
Tabla 1.1. Ejemplos de plantas MED convencionales [15]
Las dos primeras plantas, Ashdod y Sidem 1, son de tipo low temperature (baja
temperatura, MED-LT) ya que no sobrepasan los 70°C en la temperatura
máxima de salmuera. La primera utiliza agua 63°C y tiene 6 efectos mientras
que la segunda es alimentada con vapor saturado a 70°C y tiene 12 efectos (lo
cual aumenta considerablemente el área específica de transferencia).
Cuanta mayor es la temperatura de la fuente energética externa, mayor salto
térmico y más etapas pueden ser instaladas, como ocurre en la planta Sidem 2,
TRABAJO FIN DE MÁSTER Modelado de un sistema de desalación de agua de mar basado en …
Capítulo 1 - 21
la cual utiliza vapor a 110°C (16 etapas). La configuración de esta planta es
Parallel feed y se consigue un GOR de 12,4.
Más ejemplos de plantas MED pueden encontrarse en la revisión de la
tecnología realizada por Al-Shammiri y Safar [16].
Tabla 1.2. Más ejemplos de plantas MED y MED-LT [16]
En la tabla anterior se observan diferentes tipos de plantas MED, de baja y de
alta temperatura. Tres ejemplos de plantas MED-LT son St. Thomas 1, St.
Thomas 2 y St. Croix 1 (U.S. Virgin Islands), con tecnología de
termocompresión, alimentadas mediante vapor de una extracción de la turbina
de una planta de potencia a 3 bar. Tanto la producción como el GOR en
operación han superado los valores nominales. La limpieza ácida de dichas
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 22
plantas se realiza cada seis años (cuando estaba previsto que fuese cada 2
años) y tras 10 años de operación la disponibilidad de las plantas ha superado
el 97%, consiguiendo una pureza del agua desalada de hasta 16 ppm (muy alta
calidad). Cabe mencionar que esta planta ya no está en operación, y ha sido
sustituida recientemente por una planta de ósmosis inversa, debido a un fallo
de la caldera de la planta de potencia ocurrido en noviembre de 2011 [17].
Tabla 1.3. Capacidad y tipo de plantas MED revisadas por [16]
Plantas que operan a alta temperatura, como la St. Croix 3 (121°C), pueden
presentar problemas de corrosión y afectar al rendimiento de la misma, como
de hecho ha ocurrido en St. Croix 3 que fue diseñada para un GOR de 13 pero
en operación sólo alcanzaba GOR de 7-8.
Estos ejemplos muestran la importancia de equilibrar un alto número de etapas
(mayor temperatura de la fuente energética externa) con los problemas reales
TRABAJO FIN DE MÁSTER Modelado de un sistema de desalación de agua de mar basado en …
Capítulo 1 - 23
que surgen en la operación en dichas condiciones (corrosión, depósitos
calcáreos, etc.)
Capítulo 1 Introducción
Capítulo 1 - 24
1.3 Referencias
[1] Klein, S.A., "Engineering Equation Solver Software (EES)", Professional v9.427. www.fchart.com. (2013).
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[3] Global Water Intelligence, "IDA Desalination Yearbook 2012-2013", www.desaldata.com. (2012).
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[8] Tadros, S. K., United States., Bureau of Reclamation., Denver Office.,Water Treatment Engineering and Research Group., Preliminary research study for the construction of a pilot cogeneration desalination plant in southern California, U.S. Bureau of Reclamation, Denver Office, Technical Service Center, Environmental Resources Team, Water Treatment Engineering and Research Group, [Denver, Colo.], 1995.
[9] El-Dessouky, H.T., Ettouney, H.M., "Chapter 4 - Multiple Effect Evaporation", Fundamentals of Salt Water Desalination, Elsevier Science B.V., Amsterdam, 2002, pp. 147-208.
[10] El-Dessouky, H.T., Ettouney, H.M., "Chapter 4 - Multiple Effect Evaporation", in: El-Dessouky HT, Ettouney HM (Eds.), Fundamentals of Salt Water Desalination, Elsevier Science B.V., Amsterdam, 2002, pp. 147-208.
[11] Darwish, M.A., Abdulrahim, H.K., "Feed water arrangements in a multi-effect desalting system", Desalination. Vol. 228 (1–3) (2008) 30-54.
[12] Sidem (Veolia Water Solutions and Technologies),7/11/2013http://www.sidem-desalination.com/en/.
TRABAJO FIN DE MÁSTER Modelado de un sistema de desalación de agua de mar basado en …
Capítulo 1 - 25
[13] Zak, G.M., Mitsos, A., "Hybrid thermal–thermal desalination structures", Desalination and Water Treatment. (2013) 1-15.
[14] Mabrouk, A.N.A., Fath, H.E.S., "Experimental study of high-performance hybrid NF-MSF desalination pilot test unit driven by renewable energy", Desalination and Water Treatment. (2013) 1-10.
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[17] desalination.com, St Thomas switches from MED to SWRO,25/11/2013 (2013)http://www.desalination.com/wdr/49/30/st-thomas-switches-med-swro.