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CAPÍTULO 4. INTEGRACIÓN DE UNA PLANTA

DE ÓSMOSIS INVERSA EN EL CICLO DE

POTENCIA

TABLA DE CONTENIDOS

CAPÍTULO 4. INTEGRACIÓN DE UNA PLANTA DE ÓSMOSIS INVERSA EN EL

CICLO DE POTENCIA ............................................................................................................ 127 4.0 Presentación .................................................................................................................. 131

4.1 Objetivos ...................................................................................................................... 132

4.2 Descripción del sistema de desalación mediante ósmosis inversa ................................ 132

4.2.1 Esquema general de la planta .......................................................................... 133

4.2.2 Pretratamiento ................................................................................................. 134

4.2.3 Núcleo del proceso .......................................................................................... 136

4.2.4 Tipos de membrana ......................................................................................... 136

4.2.5 Recuperación de la energía de la salmuera ..................................................... 137

4.2.6 Configuraciones básicas .................................................................................. 139

4.2.7 Post-tratamiento .............................................................................................. 140

4.3 Unidad de ósmosis inversa acoplada a la planta termosolar ......................................... 141

4.4 Unidad de ósmosis inversa conectada a la red .............................................................. 145

4.5 Comparación con la destilación multifecto ................................................................... 146

4.6 Conclusiones ................................................................................................................. 147

Apéndice 4-A. Consumo de energía del proceso de ósmosis inversa ..................................... 148

Apéndice 4-B. Esquema de una planta de ósmosis inversa .................................................... 151

REFERENCIAS .................................................................................................................... 152

Capítulo 4 INTEGRACIÓN DE UNA PLANTA DE ÓSMOSIS INVERSA … Bartolomé Ortega Delgado

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ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 4.1. Reparto de costes en una planta típica de ósmosis inversa. ................................................ 131

FIGURA 4.2. Proceso de ósmosis natural y ósmosis inversa. ................................................................... 132

FIGURA 4.3. Esquema general de procesos de una planta de ósmosis inversa......................................... 134

FIGURA 4.4. Configuración típica de una planta de ósmosis inversa con recuperador de presión. .......... 136

FIGURA 4.5. Membrana de fibra hueca. .................................................................................................. 137

FIGURA 4.6. Membrana tipo arrollamiento en espiral ............................................................................. 137

FIGURA 4.7. Tipologías de recuperación de energía en una planta de ósmosis inversa. .......................... 138

FIGURA 4.8. Esquema de funcionamiento de un intercambiador de presión rotatorio. ............................ 138

FIGURA 4.9. Configuración de un solo paso. .......................................................................................... 139

FIGURA 4.10. Configuración en dos pasos. ............................................................................................. 139

FIGURA 4.11. Configuración en dos etapas. ............................................................................................ 139

FIGURA 4.12. Esquema básico del acoplamiento de la unidad de OI en la planta termosolar. ................ 141

FIGURA 4.13. Esquema básico del grupo de potencia con la unidad de ósmosis inversa. ....................... 143

FIGURA 4.14. Potencia entregada a red y caudal diario nominal frente al caudal de producto. ............... 144

FIGURA 4.15. Esquema básico del sistema de ósmosis inversa y planta termosolar en operación

desacoplada. ...................................................................................................................... 145

FIGURA 4-A.1. Esquema básico del sistema de ósmosis inversa.............................................................. 148

FIGURA 4-B.1. Esquema general de una planta de ósmosis inversa. ........................................................ 151

ÍNDICE DE TABLAS TABLA 4.1. Propiedades termodinámicas y otros datos relativos al proceso de ósmosis. ........................ 142

TABLA 4.2. Parámetros del ciclo que se mantienen constantes al modificar el caudal de producto. ........ 143

TABLA 4.3. Potencias en función del caudal de producto con la unidad de OI acoplada a la planta

termosolar. ........................................................................................................................ 144

TABLA 4.4. Potencias en función del caudal de producto con la unidad de OI acoplada a la red. ............ 146

TABLA 4.5. Comparación de los procesos de desalación. ........................................................................ 146

PFC COMPARACIÓN ECONÓMICA DE LA INTEGRACIÓN … Bartolomé Ortega Delgado

Capítulo 4. Página 129 de 224

ÍNDICE DE SÍMBOLOS

f Factor de conversión

nm Número de membranas conectadas en serie en un permeador

np Número de permeadores conectados en paralelo

mp,tot Producción total de agua desalada en la vida útil de la planta, kg

nh Horas diarias de funcionamiento de la planta termosolar, h/día

nd Número de días de un año, días/año

N Años de vida útil de la planta termosolar, años

PW,OI Potencia mecánica total consumida por la unidad de ósmosis inversa, kW B

WP Potencia mecánica consumida por la bomba de alta presión, kW

b

WP Potencia mecánica consumida por la bomba booster, kW

PW,B Potencia mecánica consumida por las bombas del ciclo de potencia, kW

PWmain Potencia consumida por las bombas de alta presión más la booster, kW

p Presión del agua de mar, kN/m2

q Caudal másico de producto, kg/h

qnom Caudal volumétrico nominal de producto diario, m3/día

qvapor Caudal másico de vapor circulando por el campo solar, kg/s

qv,prod Caudal volumétrico de producto, m3/h

Wmain Consumo específico de las bombas de alta presión, kWh/m3

Waux Consumo específico de las bombas auxiliares (toma y pretratamiento), kWh/m3

ÍNDICE DE SÍMBOLOS GRIEGOS

ρsw Densidad del agua de mar en condiciones ambiente (25 ºC, 1 bar), kg/m3

HP Rendimiento de la bomba de alta presión

b Rendimiento de la bomba booster

cs Rendimiento del campo solar

g Rendimiento global solar a eléctrico

th Rendimiento térmico del ciclo de potencia

Π Presión osmótica

sw Volumen másico del agua de mar, m3/kg


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ÍNDICE DE ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS

HID Hybrid membrane interstage design

IDA Internacional Desalination Association

IP Intercambiador de presión

MED Multi-Effect Distillation (destilación multi-efecto)

OI Ósmosis inversa

PX Pressure Exchanger (intercambiador de presión)

SDI Silt Density Index (índice de densidad de sedimentación)

SLN Sandia National Laboratories

SWRO Seawater Reverse Osmosis (ósmosis inversa para el agua de mar)

TDS Total dissolved solids (sólidos totales disueltos), mg/l

TP Turbina Pelton

USBR United States Bureau of Reclamation

UV Ultra-violeta

SUPERÍNDICES

B Bombeo principal de la ósmosis inversa

b Bombeo auxiliar, toma más pretratamiento

v Volumétrico

SUBÍNDICES

b Booster

in Inlet, entrada

nom Nominal



4.0 PRESENTACIÓN

La desalación de agua de mar por ósmosis inversa supone actualmente la tecnología con mayor

capacidad instalada a nivel mundial (61,1%), seguida de la destilación flash multietapa (25,7%)

y la destilación multiefecto (8,3%) [IDA, 2009].

Los principales motivos de la gran aceptación de esta tecnología tienen su origen en la

progresiva disminución de los costes de las membranas, las cuales también han aumentado su

productividad y rechazo de sales en los últimos años, junto con la reducción de consumos

energéticos mediante recuperadores de presión de la salmuera.

Por otra parte estos sistemas tienen gran modularidad facilitando su instalación. Existen

pequeñas unidades se instalan en la localización elegida, antes de construir la planta real, para

diseñar adecuadamente el pretratamiento del agua y comprobar la operación in situ.

El proceso de ósmosis no requiere aporte térmico externo y opera a temperatura ambiente.

Depende fuertemente del consumo eléctrico, representando según fuentes un 44% del coste total

de la planta de ósmosis inversa [USBR & SNL, 2003].

FIGURA 4.1. Reparto de costes en una planta típica de ósmosis inversa.

[USBR & SNL, 2003]

El coste total de la planta depende en gran parte del precio de la energía eléctrica la cual es

variable según la localización, el tiempo y la evolución del mercado energético. Así, García

Molina et al. (2009) atribuye un 55% del coste total a la energía consumida y un 30% a los

costos fijos, en el caso de plantas de gran capacidad.

El acoplamiento directo entre una central termosolar y una unidad de ósmosis inversa supone un

doble proceso de conversión energética: de la energía térmica de la radiación solar a energía

mecánica en el eje de la turbina y de ésta a la energía eléctrica en el generador. Un sistema de

captación solar mediante tecnología fotovoltaica convierte directamente la energía térmica del

sol en energía eléctrica continua en las celdas siendo necesario sólo un invertidor para conseguir

energía eléctrica alterna. Este análisis sin embargo no entra dentro de este trabajo.

El desarrollo de este capítulo está basado en la información obtenida principalmente de Peñate

Suárez (2010), Kucera (2010), Romero Ternero (2003) y Delgado Torres (2006).


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4.1 OBJETIVOS

En este capítulo se pretende:

Describir brevemente el sistema de desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa.

Calcular las potencias exergéticas del fluido así como los caudales en cada punto de la

instalación en los dos casos considerados de desalación acoplada a la planta termosolar y

alimentada por la red eléctrica nacional.

Se realizan las siguientes hipótesis:

Sólo se estudian los procesos de pretratamiento y núcleo de la ósmosis inversa (bombeo

principal más paso por membranas). No se considera el post-tratamiento del agua

desalada.

La planta de ósmosis inversa se estudia como “caja negra” siendo sólo relevantes las

propiedades termodinámicas de los flujos, los caudales y los consumos energéticos.

La energía consumida por los equipos auxiliares y por el bombeo principal se calcula

mediante los índices proporcionados por Peñate Suárez (2010). Las propiedades

termodinámicas del agua de mar se adquieren de la misma referencia.

La integración de la unidad de desalación en el ciclo de potencia es de tipo eléctrico, no

se estudia el acoplamiento mecánico.

4.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE DESALACIÓN

MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA

La desalación por ósmosis inversa es un proceso de membrana donde el destilado se produce

gracias al aporte de energía mecánica. Se basa en el proceso físico de ósmosis entre dos

soluciones con distinta concentración separadas por una membrana permeable al disolvente

(agua) pero impermeable al soluto (sal). El disolvente pasa a través de los poros de la membrana

de manera natural igualando las concentraciones. La diferencia de presión en el equilibrio se

denomina presión osmótica.

Si se aplica a la solución salina una presión mayor que la osmótica, el disolvente (agua) pasa a

través de la membrana semipermeable al lado de menor concentración de sales, separándose así

el agua dulce de las sales. Este proceso artificioso se denomina ósmosis inversa y es la base

teórica de este tipo de tecnología de desalación.

p >

FIGURA 4.2. Proceso de ósmosis natural y ósmosis inversa.

Π = presión osmótica; p = presión externa ejercida.



4.2.1 Esquema general de la planta

Una planta de ósmosis inversa consta de las siguientes etapas:

Entrada de agua de mar. Existen básicamente dos tipos de entrada: toma abierta a poca

distancia de la costa y pozos playeros, los cuales suelen proporcionar mejores calidades

del agua (menor índice de ensuciamiento SDI, Silt Density Index, o índice de densidad de

sedimentación).

Tratamiento físico y químico para evitar el ensuciamiento (fouling) y depósitos de sales

(scaling) en las membranas produciendo una pérdida de rendimiento del proceso global.

El tratamiento habitual consiste en colocar filtros de cartucho y antiescalantes.

Bombeo a alta presión (del orden de 60 bar para TDS, sólidos totales disueltos, menores

de 40000 mg/l) que aporta la energía mecánica necesaria a la entrada de la unidad de

membranas.

Proceso de ósmosis inversa. Tiene lugar en el módulo principal constituido por nm

membranas en espiral conectadas en serie en np permeadores conectados en paralelo

donde se separa el permeado (producto) de las sales. Existen varias configuraciones: un

solo paso, doble paso, etc. (4.2.6).

Etapa de recuperación de energía (turbina Pelton o intercambiador de presión con bomba

booster) donde la presión remanente en la salmuera de rechazo se transfiere en parte

hacia la alimentación disminuyendo el consumo energético.

Post-tratamiento y almacenamiento del agua producto. El producto presenta una pequeña

proporción de sales y un pH bajo, luego se necesita un acondicionamiento químico para

remineralizar, desinfectar y ajustar el agua para el consumo humano según la legislación

local. La remineralización consiste en hacer pasar el agua por unos lechos de calcita

(CaCO3) y la dosificación de CO2 para reestablecer el equilibrio de sales.

Descarga de la salmuera de rechazo a baja presión a través de emisarios en la playa o

pozos de dilución de manera que el oleaje y la turbulencia provoquen una rápida

disgregación de las sales de la salmuera.

En el Apéndice 4-B se muestra un diagrama de flujo de una planta de desalación de OI típica

donde se observan los principales subsistemas: toma de agua de mar, pretratamiento, filtros,

núcleo del proceso, post-tratamiento, almacenamiento y distribución.

Un esquema simplificado de la planta de ósmosis inversa con los principales procesos que en ella

tienen lugar se ilustra en la siguiente figura.


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Toma de aguade mar

Pretratamientofísico

Pretratamientoquímico

Filtros Núcleo de la planta

Post-tratamientoAlmacenamiento

Distribución

FIGURA 4.3. Esquema general de procesos de una planta de ósmosis inversa.

4.2.2 Pretratamiento

El pretratamiento supone una etapa primordial en toda planta de desalación por ósmosis inversa

ya que el agua de alimentación suele contener partículas orgánicas, sólidos suspendidos,

microorganismos, bacterias, precipitaciones de sales, metales pesados, etc. que reducen

notablemente la eficiencia de las membranas por tres motivos fundamentales:

Ensuciamiento (fouling) de las membranas debido a la deposición de los sólidos

suspendidos, partículas orgánicas y microbios en la superficie de la fibra. Se agudiza con

el aumento del caudal y la disminución de la velocidad de paso. Produce un incremento

de la presión de trabajo y de la pérdida de carga debido a la pequeña capa de

ensuciamiento que se forma.

Depósitos de sales (scaling) sobre la membrana al precipitar sales cálcicas, las sílices

reactivas y sulfatos metálicos. El efecto se agrava con el caudal, al acumularse mayor

cantidad de sustancias sobre la superficie de la membrana, que al saturarse precipitan y

forman los sedimientos salinos. Menores velocidades de paso constituyen mayor tiempo

de residencia para las sustancias lo que favorece el depósito sobre la membrana. Provoca,

además del aumento de presión de operación y pérdidas de carga, un menor rechazo de la

membrana

Degradación de las membranas, que resulta en una menor productividad de las mismas,

es decir, una menor cantidad de permeado producido. Por ello es necesario realizar una

limpieza química eventualmente de manera que se reestablezcan sus condiciones

originales.

La cantidad de sólidos disueltos se determina a través de la turbidez del agua y mediante el

índice de ensuciamiento SDI, el cual habitualmente debe ser menor que 3 para asegurar ausencia

de fouling en las membranas. La frecuencia de limpieza de las membranas aumenta



considerablemente cuando no existe un buen pretratamiento, con los consiguientes gastos de

mantenimiento, de sustitución de membranas y pérdidas por la parada de la planta. Además

disminuye notablemente la vida útil de las membranas cuando el pretratamiento no es efectivo.

Existen básicamente cuatro tipos de procesos de pretratamiento:

Mecánicos. Incluye todos los procesos físicos utilizados para disminuir la turbidez,

sólidos suspendidos, metales pesados, coloides, dureza del agua, etc. como la

clarificación, filtración multimedia, filtración por carbón activo, radiación UV, ...

Químicos. Se utilizan principalmente para evitar las calcificaciones, colonias bacterianas,

y agentes oxidantes. Engloba los procesos de desinfección por ozono y cloro, adición de

anti-incrustantes (inhibidores de la precipitación de sales), acidificación para el control

del pH, coagulación y floculación, etc.

Mecánicos y químicos. Combinación de los anteriores.

Secuenciales. Consiste en una serie de tratamientos físicos y químicos sucesivos,

adecuados a cada planta particular de desalación, que eliminan del agua de mar de

entrada todos los elementos perjudiciales para las membranas.

El pretratamiento depende fuertemente de la localización de la planta y el tipo de toma de agua

de mar, ya que estos factores influyen en su calidad. Un pretratamiento típico consiste en:

Desbaste y desinfección. El agua captada atraviesa una serie de tamices que retienen los

sólidos de pequeño tamaño (3 mm aproximadamente). También se añade un

desinfectante (cloro gas, hipoclorito sódico), para evitar la formación del fouling

biológico sobre la superficie de las membranas, constituido por microorganismos y

bacterias. La dosis de cloro debe ser controlada pues también ataca a las membranas.

Coagulación y floculación. Las partículas coloidales suspendidas se agregan y depositan

mediante la adición de floculantes y coagulantes como el cloruro férrico para facilitar su

recogida.

Acidificación. Para controlar el pH y evitar las precipitaciones de bicarbonato cálcico en

las membranas se añade ácido sulfúrico en proporciones adecuadas previo al proceso de

filtración en arena.

Filtración. Las membranas son muy sensibles a los diferentes compuestos orgánicos y

biológicos y se requiere un proceso de filtración que retenga los flóculos formados

anteriormente y las partículas de menor tamaño que aún puedan existir en la corriente.

Consiste en hacer pasar el agua por lechos filtrantes, filtros de arena y filtros de cartucho

(<5 m).

Decloración y antiincrustrantes. El cloro libre residual puede eliminarse mediante la

adición de bisulfito sódico. Además se añaden antiescalantes (dispersantes) para evitar la

formación de depósitos de sales de sulfato cálcico, sulfato de estroncio, fluoruro cálcico,

etc. sobre la superficie de las membranas y otros equipos al sobrepasarse el límite de

solubilidad de dichas sustancias.


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4.2.3 Núcleo del proceso

Un esquema general del núcleo de la planta de ósmosis inversa, desde el grupo de bombeo

principal hasta el módulo de membranas, puede verse en la Figura 4.4. El agua de mar ya

pretratada se divide en dos corrientes: la primera se dirige hacia las bombas de alta presión

mientras que la segunda va al sistema de recuperación energético donde aprovecha parte de la

energía de presión aún contenida en la salmuera de rechazo. A la entrada a los bastidores de

membranas las corrientes de alimentación vuelven a unirse, igualándose las presiones gracias a

una pequeña bomba booster. El agua de mar a alta presión (60-70 bar) atraviesa las membranas

donde se separa el producto (agua desalada) del rechazo (salmuera), que se conduce hacia el

sistema de recuperación de energía.

FIGURA 4.4. Configuración típica de una planta de ósmosis inversa con recuperador de presión.

[Peñate Suárez, 2010]

4.2.4 Tipos de membrana

Las membranas constituyen el elemento principal del proceso y es donde tiene lugar la

separación del agua producto de la salmuera de rechazo. Pueden tener varias estructuras

[Romero Ternero, 2003]:

Plana. Las láminas se apilan formando columnas.

Tubular. Conjunto de tubos de pequeño diámetro agrupados en un cilindro de presión.

De fibra hueca. Posee una capacidad de empaquetamiento (área de membrana por unidad

de volumen) muy alta. Consiste en un módulo cilíndrico con un gran número de fibras

huecas de pequeño diámetro por el exterior de las cuales circula el agua salada

presurizada. El permeado pasa por el interior de las fibras hasta llegar al colector final del

módulo donde se acumula y distribuye al siguiente paso.



FIGURA 4.5. Membrana de fibra hueca.

En arrollamiento espiral. Formada por dos membranas rectangulares sobre cada cara del

soporte poroso común. Varios de estos elementos se arrollan de forma espiral sobre un

tubo colector por donde circula el permeado. Los elementos se separan mediante una

malla que delimita los canales de la salmuera y el producto. Tiene un canal de circulación

mayor que el de fibra hueca lo que le hace menos sensible al ensuciamiento. Este tipo de

membrana se ilustra en la figura siguiente.

FIGURA 4.6. Membrana tipo arrollamiento en espiral

[MMS Iberica, 2010]

Los materiales de los cuales se fabrican dichas membranas son principalmente acetato de

celulosa y poliamida.

4.2.5 Recuperación de la energía de la salmuera

Hasta hace poco tiempo la alta presión aún remanente en la salmuera de rechazo se recuperaba

mediante una turbina Pelton acoplada al motor que mueve la bomba principal, sin embargo este

sistema está siendo reemplazado por el denominado intercambiador de presión, sistema más

eficiente pues reduce el consumo específico de la planta (kWh/m3), necesitando una pequeña

bomba (denominada booster) que aporte la presión necesaria para igualar la existente en la

entrada de las membranas. En la Figura 4.7 se muestran los dos tipos mencionados de

recuperación energética.


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FIGURA 4.7. Tipologías de recuperación de energía en una planta de ósmosis inversa.

[García Rodríguez, 2008]

El sistema de recuperación mediante intercambiador de presión transfiere directamente la presión

de la salmuera de rechazo al agua de mar de alimentación sin necesidad de convertir antes esta

energía en energía cinética, tal y como ocurre en las turbinas Pelton. Consiste fundamentalmente

en una serie de tubos rotatorios con pistones en su interior que se trasladan hacia un lado y al

otro, como consecuencia de la diferencia de presión entre la salmuera y la alimentación,

aumentando así la presión del agua de mar a la entrada. Puede reducir el consumo energético en

un 30% respecto a los sistemas tradicionales de turbina Pelton [Veza Iglesias, 2002]. Además

permiten que la bomba de alta presión trasiegue menos caudal disminuyendo la potencia de la

moto-bomba principal y costes de adquisición asociados. La eficiencia interna de este equipo

está en torno al 95%.

FIGURA 4.8. Esquema de funcionamiento de un intercambiador de presión rotatorio.

Adaptado de MacHarg (2007).

En una planta típica SWRO (Seawater Reverse Osmosis) con sistema de recuperación con

intercambiador de presión, el grupo de bombeo principal supone el 41% de la energía total, la

pequeña bomba booster el 2% y el sistema de recuperación PX el 57% restante [Stover, 2004].

Estos sistemas han permitido reducir el consumo energético de las plantas de ósmosis inversa

desde los 10 kWh/m3 de los años 80 hasta los 3 kWh/m

3 y menores actualmente.



4.2.6 Configuraciones básicas

Esencialmente pueden considerarse las siguientes composiciones del núcleo de la ósmosis

inversa:

Un solo paso. La unidad de ósmosis inversa recibe el caudal de alimentación

produciendo el caudal de permeado y el de rechazo. Cabe preguntarse si el rechazo puede

ser concentrado aun más, disminuyendo el caudal vertido al mar y consiguiendo una

mayor conversión del proceso, por ello se estudian otros arreglos.

OI productoalimentación

rechazo

FIGURA 4.9. Configuración de un solo paso.

Dos pasos. El producto obtenido en la primera etapa es la alimentación de otra unidad

para conseguir un mayor rechazo de sales. La calidad del producto final es mejor sin

embargo se necesita otro bombeo ya que el permeado sale a una baja presión. Por ello se

incrementa el consumo específico y los costes de equipos.

1alimentación

rechazo

2 producto

rechazo

1er paso 2º paso

FIGURA 4.10. Configuración en dos pasos.

Dos etapas. El rechazo del primer paso es conducido hacia otra unidad de ósmosis

aumentando la conversión global y disminuyendo el caudal de rechazo. En general no

mejora la calidad del producto final.

OI productoalimentación

rechazo

OI

1ª etapa

2ª etapa

rechazo

FIGURA 4.11. Configuración en dos etapas.

Sistemas híbridos de membranas. Estudios recientes [Peñate et al., 2010a] señalan que

disponer diferentes tipos de membranas en un mismo permeador (Hybrid membrane


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interstage design, HID) puede repercutir en mayores producciones y menores consumos

energéticos, reduciéndose el coste de inversión hasta un 8% y mejorando la operación y

mantenimiento. Así se recomienda colocar las membranas con mayor rechazo de sales en

las primeras posiciones y las de mayor productividad y menor consumo en las últimas.

4.2.7 Post-tratamiento

En esta etapa se acondiciona el agua para que sea apta para el consumo humano. Básicamente

consiste en los siguientes procesos:

Aireación. El permeado puede contener elevadas cantidades de dióxido de carbono lo

que provoca problemas de incrustaciones en las tuberías y en el pH, por ello se hace pasar

a contra-corriente en una torre de aireación el agua desalada y una corriente de aire.

También se eliminan los gases en exceso.

Eliminación del boro. Este elemento perjudicial debe ser eliminado en las cantidades

indicadas por la normativa (menor de 1 ppm según el RD 140/2003), por ello se realiza

un segundo paso por membranas del permeado.

Alcalinización. Al introducir los ácidos en el pretratamiento baja el pH del permeado,

para aumentarlo hasta un valor de 7 aproximadamente se añade alguna sustancia alcalina

como el hidróxido sódico (NaOH).

Dureza del agua. Para adaptar el agua a las condiciones exigidas por la normativa (RD

140/2003) hay que equilibrar la dureza del agua haciendo pasar el permeado por lechos

de calcita CaCO3 ya que tras la filtración de iones en los pasos por membrana el agua

queda con baja concentración de calcio.

Desinfección. Durante el post-tratamiento el agua puede haber aumentado su contenido

en microorganismos por ello se añade hipoclorito sódico que actúa como agente

desinfectante.

Pasivación. Una vez potabilizada el agua, durante la distribución puede volver a resultar

corrosiva para las tuberías por lo cual se añade un agente anti-corrosivo como el fosfato

de zinc.



4.3 UNIDAD DE ÓSMOSIS INVERSA ACOPLADA A

LA PLANTA TERMOSOLAR

En esta configuración la planta de desalación obtiene la energía eléctrica del generador de la

planta termosolar disminuyendo así la potencia eléctrica que entrega a la red. El resto de

parámetros característicos de la planta como el rendimiento térmico o el rendimiento del campo

solar no varían ya que el aporte energético a la unidad de OI se realiza mediante potencia

eléctrica y no con extracción de vapor como ocurría en el caso de la destilación.

La composición del ciclo con la unidad de OI acoplada se ilustra en la siguiente figura:

GTBTA

b21c18

d15

a''3b''4c'520c''6d''7

d'17

12

10

11

12

13

14

Condensador

Válvulaprincipal

t t t

Desgasificador

BCBA

E

V

S

8

9

R

Refrigerante

Toma +Pretrat.

OI

M

M

(16)

(19)

(22)

b'23

a24

(25)

a'26

RED ELÉCTRICA

2728

29

30

FIGURA 4.12. Esquema básico del acoplamiento de la unidad de OI en la planta termosolar.

A continuación se realiza un análisis de las potencias exergéticas y los caudales de la unidad de

OI en función del caudal de producto el cual se modifica desde 15 hasta 186,4 m3/h para cubrir

un rango amplio de posibilidades de operación y estudiar su influencia en el resto de parámetros.

El valor superior es el límite impuesto en el caso de la unidad MED integrada sustituyendo al

condensador (MED 1), caso que no admite flexibilidad en la cantidad de agua a producir.

Posteriormente se analiza el caudal máximo diario que puede obtenerse con la planta de 5 MW.


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Las propiedades termodinámicas de las corrientes y otros datos necesarios para los cálculos se

obtienen de Peñate Suárez (2010, p.378) y se encuentran resumidos en la siguiente tabla:

TABLA 4.1. Propiedades termodinámicas y otros datos relativos al proceso de ósmosis.

PROPIEDADES TERMODINAMICAS

T (ºC) p (bar) b (mol/kg) h(kJ/kg) s(kJ/kg-K) ex(kJ/kg)

Alimentación al proceso 20 1 0,632 -2,189E-03 -1,602E-05 2,507E-03

Alim. membranas 20 52,75 0,632 4,667 -1,288E-03 5,044

Rechazo 21 50,78 1,078 10,952 0,029 2,393

Permeado 20 1,7 4,436E-03 -2,807 -0,033 6,733

PARÁMETROS

Salinidad del agua de mar de alimentación TDS mg/l 38170

Factor de conversión f - 0,40

Rendimiento de la bomba de alta presión HP - 0,74

Rendimiento de la bomba booster b - 0,77

Nº de horas de operación diaria de los CCP nh h 5,726

Nº de años de vida útil N - 20

Consumo bomba de alta presión + booster Wmain kWh/m3 2,14

Consumo auxiliar (toma+pretratamiento) Waux kWh/m3 0,85

El consumo principal corresponde al grupo de bombeo de alta presión:

qWP main

Wmain

(Ec. 4.1)

siendo:

PWmain potencia consumida por las bombas de alta presión más la booster, en kW,

Wmain consumo principal de las bombas de alta presión, en kWh/m3,

q caudal másico de producto, en kg/h y

ρ densidad del agua de mar en condiciones ambiente (25 ºC, 1 bar), 996,4 kg/m3

La potencia de bombeo disminuye con el aumento de la temperatura del agua de alimentación,

pero al aumentar la temperatura también lo hace la tasa de sólidos disueltos y por ello la potencia

de bombeo se eleva, contrarrestándose un efecto con el otro.

La potencia consumida por los equipos auxiliares, que incluyen la toma de agua de mar más el

pretratamiento se calcula de igual forma:

qWP aux

Waux

(Ec. 4.2)

La producción real de agua desalada en los 20 años de vida útil de la planta se determina

mediante:

Nnnqm dhtotp , (Ec. 4.3)

con:

mp,tot = producción total de agua desalada en los 20 años de vida útil, en kg,



q = caudal másico de producto, en kg/h,

nh = número de horas diarias de funcionamiento de la planta termosolar, en h/día,

nd = número de días de un año, 365, en días/año,

N = número de años de vida útil de la planta termosolar.

El caudal nominal de producto diario se obtiene según:

hnom nq

q

(Ec. 4.4)

donde:

qnom caudal volumétrico de producto diario, en m3/día,

q caudal másico de producto, en kg/h, y

ρ densidad del agua de mar en condiciones ambiente, 996,4 kg/m3.

El caudal de producto (agua desalada) es un dato de diseño a especificar para cerrar el problema

termodinámico. Se considera una potencia fija a la salida del generador de manera que la

potencia eléctrica cedida a la red será menor debido al consumo del proceso de ósmosis inversa,

tanto en auxiliares como en el bombeo principal. Las pérdidas producidas en los motores, ejes y

bombas de la unidad de OI se encuentran recogidas en el índice de consumo energético aportado

en las referencias.

G

M

M

RED ELÉCTRICA

Pw,u

Pw,gen Pw,e

Pw,aux Pw,main

eje

gen

FIGURA 4.13. Esquema básico del grupo de potencia con la unidad de ósmosis inversa.

Se escogen unos caudales volumétricos de permeado iguales a los del caso de planta de

destilación MED alimentada de forma paralela a la extracción de 63 ºC, y para cada caudal se

calculan las variables de interés, en particular las potencias exergéticas necesarias para el análisis

termoeconómico posterior. Los resultados obtenidos se encuentran en la Tabla 4.3.

El rendimiento térmico del ciclo, junto con el del campo solar, el caudal de vapor y la potencia

consumida por el bombeo del ciclo no cambian al introducir la unidad de ósmosis inversa.

TABLA 4.2. Parámetros del ciclo que se mantienen constantes al modificar el caudal de producto.

th

cs

g

qvapor

(kg/s)

PW,B

(kW)

0,372 0,443 0,157 4,97 41,32


Página 144 de 224

TABLA 4.3. Potencias en función del caudal de producto con la unidad de OI acoplada a la planta

termosolar.

qv,prod

(m3/h)

PW,main

(kW)

PW,aux

(kW)

PW,OI

(kW)

PW,red

(kW)

Pex,27

(kW)

Pex,28

(kW)

Pex,29

(kW)

Pex,30

(kW)

qv,27

(m3/h)

qv,29

(m3/h)

qp,nom*

(m3/d)

15 32,1 12,8 44,9 4913,8 0,026 52,34 14,9 27,95 37,4 22,5 90

50 107 42,5 149,5 4809,2 0,087 174,5 49,7 93,16 124,7 75,1 300

85 181,9 72,3 254,2 4704,5 0,147 296,6 84,4 158,4 212,0 127,6 510

120 256,8 102 358,8 4599,9 0,208 418,7 119,2 223,6 299,3 180,1 720

150 321 127,5 448,5 4510,2 0,260 523,4 149 279,5 374,2 225,2 900

158,6 339,4 134,8 474,2 4484,5 0,2751 553,4 157,5 295,5 395,6 238,1 951,6

186,4 398,9 158,4 557,3 4401,3 0,323 650,4 185,2 347,3 465,0 279,8 1118 * Suponiendo una operación diaria de 6 h

Si el agua desalada es el fin único de la instalación toda la potencia eléctrica puede dedicarse a

alimentar la planta de OI. En el límite el caudal de producto obtenido sería de 1658 m3/h (ver

Figura 4.14) lo que suponen 9948 m3 diarios (para un funcionamiento de 6 h/d de media anual).

0 400 800 1200 1600 2000-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

qv;prod [m3/h]

Wre

d

[kW

] WredWred

qp;n

om

[m

3/d

]

qp;nom;6hqp;nom;6h

FIGURA 4.14. Potencia entregada a red y caudal diario nominal frente al caudal de producto.



4.4 UNIDAD DE ÓSMOSIS INVERSA CONECTADA A

LA RED

En esta situación la unidad de ósmosis inversa se conecta directamente a red, pudiendo así

funcionar las 24 diarias. El ciclo de potencia puede inyectar en la red todo lo producido en el

generador (5 MW menos el autoconsumo del ciclo). La unidad de OI consume cierta potencia

eléctrica al precio fijado en el mercado, luego debe de incluirse como gasto necesario para la

operación de la planta en términos de inversión de capital.

Este tipo de integración se denomina indirecta ya que la potencia eléctrica que alimenta la

unidad de OI no proviene directamente de la planta termosolar sino de la red.

GTBTA

b21c18

d15

a''3b''4c'520c''6d''7

d'17

12

10

11

12

13

14

Condensador

Válvulaprincipal

t t t

Desgasificador

BCBA

E

V

S

8

9

R

Refrigerante

Toma +Pretrat.

OI

M

M

(16)

(19)

(22)

b'23

a24

(25)

a'26

RED ELÉCTRICA

2728

29

30

Red eléctrica

FIGURA 4.15. Esquema básico del sistema de ósmosis inversa y planta termosolar en operación

desacoplada.

Las propiedades termodinámicas del ciclo y de la unidad de OI no cambian ya que la única

variación que se produce es la fuente energética: mientas que en el caso anterior la energía

eléctrica requerida por el bombeo de la ósmosis inversa era proporcionada por la planta

termosolar, operando según su factor de capacidad anual (2090 h), en esta configuración la

energía eléctrica necesaria se toma de la red nacional que está disponible todas las horas del año,

con el consecuente beneficio sobre la producción (4474 m3/d frente a los 1067,3 m

3/d en el caso

anterior, para una misma producción horaria, 186,4 m3/h). La planta puede funcionar las 24 h del

día disminuyendo así el coste unitario del agua, como se quiere comprobar en el capítulo

siguiente.


Página 146 de 224

En la siguiente tabla se representan las potencias consumidas por la unidad de OI, la potencia

entregada a la red y el caudal de producto diario nominal, en función del caudal volumétrico de

agua desalada. La única variación respecto del caso anterior es en la potencia entregada a la red

por la planta termosolar, que evidentemente no se modifica al estar desacoplada de la unidad de

OI, y en el caudal nominal de producto diario, el cual es mayor debido a el mayor tiempo de

funcionamiento (24 h/d).

TABLA 4.4. Potencias en función del caudal de producto con la unidad de OI acoplada a la red.

qv,prod

(m3/h)

PW,OI

(kW)

PW,red

(kW)

qp,nom*

(m3/d)

15 44,9 4958,7 360

50 149,5 4958,7 1200

85 254,2 4958,7 2040

120 358,8 4958,7 2880

150 448,5 4958,7 3600

158,6 474,2 4958,7 4080

186,4 557,3 4958,7 4474 *Suponiendo un funcionamiento de 24 h/d

4.5 COMPARACIÓN CON LA DESTILACIÓN

MULTIFECTO

Es ilustrativo comparar la integración de los procesos de desalación elegidos en la planta

termosolar. La producción de agua está fijada en el caso de unidad MED sustituyendo al

condensador (MED 1), sin embargo en los restantes casos esta producción es variable, con un

límite superior excepto en el caso de planta de OI conectada a la red, cuya producción no está

sujeta a restricciones.

TABLA 4.5. Comparación de los procesos de desalación.

MED 1 MED 2 OI 1 OI 2

Regulación del caudal de producto No Sí Sí Sí

Funcionamiento medio diario h/d 5,73 5,73 5,73 24

Producción de agua m3/h 186,4 158,6 186,4 1658 186,4

Capacidad de la planta m3/d 1067,3 908,8 1067,3 9500,3 4473,6

Potencia eléctrica a red kW 4577,5 4635 4401,3 0 4958,7

Potencia térmica consumida kW 11865 10094

0 0 0

Potencia eléctrica consumida kW 372,8 317,2 557,3 4958,7 557,3

Potencia de bombeo del ciclo kW 49,7 47,9 41,3 41,3 41,3

Consumo específico auxiliares kWh/m3 2

2 0,85

0,85 0,85

Consumo específico proceso kWh/m3 63,6 62,7 2,14

2,14 2,14

MED 1= planta MED sustituyendo al condensador; MED 2= planta MED alimentada por extracción a 63 ºC

OI 1= planta de OI acoplada al ciclo de potencia; OI 2= planta de OI acoplada a la red.

Darwish, 2007; Peñate-Suárez (2010); Consumo 230 kJ/kg de producto, García-Rodríguez, comunicación personal



4.6 CONCLUSIONES

La planta de OI requiere para su funcionamiento una potencia eléctrica que alimente las moto-

bombas y no una corriente de vapor externo generado en el ciclo, de manera que su influencia

termodinámica en la planta de potencia es nula, no afectando al rendimiento térmico.

Los puntos más interesantes a destacar son los siguientes:

Cuando la planta de ósmosis inversa se encuentra conectada al ciclo la potencia eléctrica

inyectada a la red disminuye con el caudal de producto, requiriendo para un caudal de

186,4 m3/h una potencia total de 557,3 kW, incluyendo el bombeo principal, toma y

pretratamiento. En el caso de desalación por destilación multiefecto el consumo eléctrico

es menor (372,8 y 317,2 kW para MED 1 y MED 2 respectivamente) ya que sólo se debe

a auxiliares, siendo el vapor la fuente energética del proceso.

En la configuración OI 1 la restricción más importante se debe al número de horas de

operación diaria, la cual está sujeta a la planta termosolar, de manera que sólo produce

durante 5,72 horas diarias (media anual), mientras que cuando la planta se encuentra

acoplada a la red puede estar operando las 24 horas del día con el consecuente aumento

de la producción para un mismo caudal horario de producto. Además puede funcionar en

horas valle disminuyendo el coste de la electricidad consumida.

El consumo específico total del proceso de destilación multiefecto es mucho mayor que

el de la ósmosis inversa (~60 frente a 2 kWh/m3) debido a que necesita una elevada

potencia térmica para funcionar, aparte del consumo eléctrico del bombeo en la toma y el

pretratamiento del agua de mar. El proceso de membrana sólo necesita una potencia

mecánica para elevar la presión del agua, más el consumo auxiliar, que además se ve

reducida por los sistemas de recuperación energética.

El límite superior de producción diario cuando la unidad de OI está conectada al ciclo de

5 MW es de 9500,3 m3/d suponiendo que toda la potencia eléctrica generada se destina a

la producción de agua y no se inyecta nada a la red. Esta situación no se considera en el

estudio termoeconómico. En los restantes casos se tienen diferentes producciones diarias:

1067,3 (MED 1 y OI 1) y 908,8 m3/d (MED 2).


Página 148 de 224

Apéndice 4-A. Consumo de energía del proceso de ósmosis inversa

El consumo principal del sistema puede definirse en primera aproximación según Delgado

Torres (2006) como la suma de las potencias del bombeo principal y el del sistema de

recuperación energética:

b

sw

B

swb

W

B

WOIW

ppq

ppqPPP

303127

272827,

(Ec. 4-A.1)

donde:

PW es la potencia mecánica consumida total, en kW, B

WP es la potencia mecánica consumida por la bomba de alta presión, en kW,

b

WP es la potencia mecánica consumida por la bomba booster, en kW,

q es el caudal másico, en kg/s,

sw es el volumen másico, en m3/kg,

p es la presión, en KN/m2,

ηB y ηb son el rendimiento de la bomba principal y de la booster respectivamente.

En la siguiente figura se numeran las corrientes consideradas:

OI

booster

bombaalta presiónentrada

agua de mar

intercambiadorde presión

agua producto

rechazo

pretratamiento

26 27 28

29

30

3132

33

34

35

25p

FIGURA 4-A.1. Esquema básico del sistema de ósmosis inversa.

El factor de conversión se define como la razón de producto obtenido respecto del caudal

alimentado, y viene dado por:

26

33

q

q

q

qf

e

p (Ec. 4-A.2)

donde

qp es el caudal másico de producto, en kg/s y

qe es el caudal másico de agua de mar a la entrada, en kg/s

La conservación de la materia exige que:

rpe qqq (Ec. 4-A.3)

siendo



qr el caudal másico de rechazo, en kg/s.

Una especificación de diseño impone que el caudal que alimenta al intercambiador de presión

sea aproximadamente igual al de rechazo:

3429 qq (Ec. 4-A.4)

Lo anterior implica que el caudal que trasiega la bomba de alta presión es igual al producto

conseguido, lo que repercute en un menor costo de adquisición de equipo ya que la bomba

elegida será de menor tamaño:

3328 qq (Ec. 4-A.5)

Utilizando las ecuaciones (4.2), (4.4) y (4.5), una nueva expresión del consumo mecánico es:

bB

bBbB

OIW

pp

f

fppq

pp

q

qqppq

pp

q

qppqP

3031272833

3031

33

3326272827

3031

27

30272827,

1(Ec. 4-A.6)

Esta última expresión es útil si no se consideran las variaciones de temperaturas ni

concentraciones en las corrientes implicadas durante el proceso, hipótesis que puede realizarse

ya que las variaciones de temperatura son mínimas. Es válida pues para hacer una primera

estimación de la potencia consumida.

Un análisis más preciso puede realizarse teniendo en cuenta la molalidad (b) de las corrientes,

considerando que las corrientes no sufren variación de temperatura:

bB

bB

b

W

B

WOIW

bpThbpThq

bpThbpThq

bpThbpThq

bpThbpThqPPP

303030303031303130

272727272728272827

303030303131313130

272727272828282827,

,,,,,,,,

,,,,,,,,

(Ec. 4-A.7)

con

bi la molalidad de la corriente i, en mol de soluto/kg de disolvente.

Se supone además que las variaciones de presión no influyen en la densidad, tomando como

presión de cálculo la inicial de alimentación.

b

ininininv

B

ininininv

insw

inininswOIW

bpThbpThq

bpThbpThq

bM

bpTP

,,,,,,,,

1

,, 3030313130

2727282827,

(Ec. 4-A.8)

siendo

Msw la masa molar del agua de mar, kg/mol.

Teniendo en cuenta que el caudal trasegado por la bomba de alta presión es igual al caudal de

agua permeada producto, la ecuación anterior puede ponerse en función de éste parámetro y del

factor de conversión:


Página 150 de 224

b

inininin

B

ininininv

insw

inininswOIW

bpThbpTh

f

fbpThbpThq

bM

bpTP

,,,,1,,,,

1

,, 303031312727282833,

(Ec. 4-A.9)

donde el subíndice in indica condiciones de entrada al sistema.



Apéndice 4-B. Esquema de una planta de ósmosis inversa

FIGURA 4-B.1. Esquema general de una planta de ósmosis inversa.

[Wade, 1993]


Página 152 de 224

REFERENCIAS

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Inversa Mediante Energía Solar Térmica, Física Fundamental y Experimental, Electrónica y

Sistemas, 2006.

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renovables. Estado actual. UNIA, 2008.

KUCERA, J. Reverse Osmosis: design, processes and applications for engineers. John Wiley &

Sons - Scrivener Publishing, 2010.

MMS Ibérica, Website: http://www.mmsiberica.com/membranas.htm, con acceso en octubre

2010.

McHARG J.P. Axial piston-pressure exchanger development program, Ocean Pacific

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PEÑATE SUÁREZ, B. Thermoeconomic Assessment of Innovations in Seawater Reverse

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ROMERO TERNERO, V.J., Análisis Termoeconómico de la Desalación de Agua de Mar

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Fundamental y Experimental, Electrónica y Sistemas, Universidad de La Laguna, 2003.

STOVER R.L., Development of a four generation energy recovery device. A ‘CTO’s Notebook’.

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USBR and SNL (United States Bureau of Reclamation and Sandia National Laboratories).

Desalination and Water Purification Technology Roadmap: A Report of the Executive

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CO: United States Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Water Treatment and

Engineering Group, 2003.

VEZA IGLESIAS, J.M. Introducción a la desalación de aguas, Universidad de Las Palmas de

Gran Canaria, 2002.

WADE, N.M. Technical and economic evaluation of distillation and reverse osmosis

desalination processes, Desalination, Volume 93, Issues 1-3, August 1993, pp. 343-363.

capÍtulo 4. integraciÓn de una planta de...

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