Cálculo y diseño de una desaladora e integración en una central térmica de ciclo combinado

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Resumen La finalidad del presente proyecto es el diseño de una desaladora que se encuentra integrada en una central térmica de ciclo combinado. Por tanto, la finalidad del producto que se obtiene no es el consumo humano, si no su utilización dentro del ciclo vapor de la planta térmica. Es importante remarcar este hecho porque las necesidades y características varían según el uso para el que se vaya a aplicar. Se comienza comentando el funcionamiento de una central de ciclo combinado para a continuación explicar una planta de tratamiento de agua de una central térmica. Una vez se ha situado el lugar que ocupa la desaladora dentro de la central eléctrica, se describen brevemente los tipos de desalación existentes. En función de diversos criterios se selecciona el tipo más adecuado que satisfaga las necesidades planteadas al inicio. A continuación se detalla el esquema de funcionamiento de la desaladora finalmente escogida. Es a partir de ese momento que se inicia el proceso de diseño de la desaladora. Debido a la gran complejidad y tiempo que implica un diseño pormenorizado de todos los elementos que forman parte de la desaladora, se diseñan solo las partes más importantes, pero sin llegar hasta el más mínimo detalle. En este punto se hace referencia a los planos de conjunto y despieces que permiten la fabricación de los principales componentes. Además, se calculan y dimensionan varios componentes del conjunto, aportando las justificaciones necesarias, en cada caso. Asimismo, se realiza un estudio de impacto medioambiental que permite conocer los aspectos más importantes que deben ser tenidos en cuenta durante su fase de explotación y desmantelamiento. Se finaliza con el presupuesto y estudio de viabilidad económica, que refleja el coste total de la desaladora durante todo su ciclo de vida útil.

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Sumario RESUMEN ___________________________________________________1 SUMARIO ____________________________________________________3 1. INTRODUCCIÓN_____________________________________________7 1.1. Objetivos del proyecto ........................................................................................ 7 1.2. Alcance del proyecto .......................................................................................... 7 1.3. Motivación........................................................................................................... 7

2. FUNCIONAMIENTO DE UN CICLO COMBINADO __________________9 2.1. Introducción histórica sobre el ciclo combinado................................................. 9 2.2. Descripción de las centrales de ciclo combinado ............................................ 10

3. FUNCIONAMIENTO PLANTA TRATAMIENTO DE AGUA EN UN CICLO COMBINADO ____________________________________________13 4. DESALACIÓN DEL AGUA DE MAR ____________________________15 4.1. Descripción de los principales procesos de desalación................................... 15 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.1.4. 4.1.5. 4.1.6. 4.1.7. 4.1.8. 4.1.9. 4.1.10. 4.1.11.

Destilación súbita por efecto flash (MSF) ...........................................................16 Destilación por múltiple efecto ............................................................................17 Compresión térmica de vapor (TVC) ..................................................................18 Destilación solar ..................................................................................................19 Congelación.........................................................................................................20 Formación de hidratos.........................................................................................20 Destilación por membranas.................................................................................21 Compresión mecánica de vapor (CV).................................................................21 Ósmosis inversa (OI)...........................................................................................22 Electrodiálisis (ED) ..............................................................................................24 Intercambio iónico................................................................................................24

4.2. Resumen de las tecnologías utilizadas en desalación..................................... 26 4.3. Estudio comparativo entre diferentes tecnologías ........................................... 27 4.4 Elección final...................................................................................................... 29

5. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE LA PLANTA DE DESALACIÓN CV __33 6. MATERIALES UTILIZADOS EN SU CONSTRUCCIÓN _____________35 6.1. Aceros inoxidables............................................................................................ 35 6.1.1. Causas de corrosión y medidas para evitarla ........................................................36 6.1.2. Medidas para evitar la corrosión durante la proyección y fabricación...................41

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6.2. Aluminio ............................................................................................................ 42

7. DISEÑO CONSTRUCTIVO____________________________________43 7.1. Elementos estáticos y estructurales de la desaladora..................................... 44 7.2. Elementos del conjunto generador y conductor de potencia y movimiento. ... 50

8. IMPACTO MEDIOAMBIENTAL ________________________________51 8.1. Problemática medioambiental de los vertidos de salmuera ............................ 51 8.2. Otros vertidos ................................................................................................... 53 8.3. Otros impactos y consideraciones finales........................................................ 54 8.4. Desmantelamiento en el fin de su vida ............................................................ 56

9. VIABILIDAD ECONÓMICA____________________________________57 CONCLUSIONES _____________________________________________59 AGRADECIMIENTOS__________________________________________61 BIBLIOGRAFÍA_______________________________________________63 Referencias bibliográficas ....................................................................................... 63 Bibliografía complementaria .................................................................................... 64

Anexos A. CÁLCULOS A.1. Balances energéticos A.2. Dimensionado intercambiador de calor A.3. Dimensionado estructura metálica A.4. Comprobación soldaduras estructura metálica A.5. Comprobación uniones atornilladas A.6. Diseño de la transmisión A.7. Elección de los rodamientos A.8. Diseño de los árboles de transmisión

B. SELECCIÓN DE MATERIALES B.1. Aleaciones con base cobre B.2. Titanio B.3. Selección de los materiales para tubos, válvulas y bombas en sistemas de agua de mar B.3.1. Consideraciones sobre la corrosión B.3.2. Selección de los materiales para tubos en sistemas de agua de mar

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B.3.3. Selección de los materiales en válvulas en sistemas de agua de mar B.3.4. Selección de los materiales en bombas de agua de mar B.3.5. Interacciones dentro del sistema que inducen a la corrosión B.3.6. Conclusiones

C. CATÁLOGOS C.1. Motores eléctricos SIEMENS C.2. Rodamientos SKF C.3. Rodamientos FAG C.4. Acoplamientos flexibles RWCOUPLINGS C.5. Acoplamientos flexibles THOMAS C.6. Juntas de estanqueidad EPIDOR

D. PLANOS

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1. Introducción 1.1. Objetivos del proyecto El objetivo principal del proyecto es diseñar una desaladora que proporcione agua altamente pura que se utiliza en el ciclo agua-vapor de una central eléctrica de ciclo combinado.

1.2. Alcance del proyecto El presente proyecto contempla una gran parte del equipo completo a nivel de soluciones conceptuales, pero no el estudio detallado de todos sus órganos, ya que se requiere un consumo de tiempo superior al que es habitual en un proyecto final de carrera. En la parte correspondiente a aspectos mecánicas se tocan los aspectos siguientes: Se realizan los planos del intercambiador de calor y de la estructura de apoyo. Se dimensionan los tornillos de sujeción de la envolvente del intercambiador, se comprueban parte de las soldaduras de la estructura metálica de apoyo. De los engranajes se establecen los parámetros de diseño y funcionamiento más importantes, así como se comprueba su resistencia, pero sin llegar a la creación de planos. Se dimensionan los rodamientos que necesitan los engranajes y se establecen las dimensiones mínimas de los árboles de transmisión, sin diseñarlos con detalle y ni crear los planos correspondientes. Se calcula y dimensiona la estructura metálica que debe soportar toda la desaladora. Mediante técnicas de transferencia de calor y termodinámica se dimensiona el tamaño del intercambiador de calor. Del equipo eléctrico y electrónico tan solo se define las prestaciones del motor del compresor y se escoge un modelo en particular. Del compresor se definen las prestaciones que se requieren. No se entra en el estudio de los distintos equipos hidráulicos que hacen falta.

1.3. Motivación Este proyecto surge como respuesta a la incapacidad de la planta desaladora actual de la central de ciclo combinado de Sant Adrià del Besós, propiedad de Endesa, para proporcionar el agua que necesitan los dos nuevos ciclos que se pretenden construir.

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2. Funcionamiento de un ciclo combinado 2.1. Introducción histórica sobre el ciclo combinado Si bien el principio de funcionamiento de las turbinas de gas se conoce desde hace mucho tiempo, su desarrollo no tiene realmente lugar hasta prácticamente la segunda guerra mundial siendo su campo de aplicación inicial la propulsión de los aviones. Dado que el desarrollo comercial de los ciclos combinados ha transcurrido en paralelo al desarrollo de las turbinas de gas, no se tiene prácticamente ninguna referencia histórica sobre la explotación comercial de un ciclo combinado hasta el año 1948. En dicha fecha se instala en Estados Unidos una central térmica, de ciclo agua-vapor con una turbina de gas en paralelo, en la que se aprovechan los gases de escape de una turbina de gas de 3.5 MW para calentar el agua de alimentación de un ciclo agua-vapor de 35 MW. Durante la década de los 50, el desarrollo de los ciclos combinados se traduce básicamente en la construcción de varias unidades de ciclos agua-vapor con turbina de gas en cabeza. A partir de los años 60 la tendencia de los ciclos combinados se encamina en la dirección de no realizar combustión adicional de los gases de escape. Durante este periodo de tiempo se construyen ciclos combinados para trabajar como plantas de cogeneración dentro de los sectores químico y petroquímico. En los años 70, donde ya se dispone de turbinas de gas con potencias de 50 MW, los ciclos combinados a parte de seguir utilizándose en plantas de cogeneración, se comienzan a usar como centrales eléctricas. Sin embargo, la instalación masiva de este tipo de centrales eléctricas no se realiza hasta años más tarde, concretamente en las décadas de los 80 y 90. Este aumento en la potencia instalada de ciclos combinados ha sido expensas de las centrales térmicas convencionales, que requieren una mayor inversión.

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2.2. Descripción de las centrales de ciclo combinado Un ciclo combinado es una central térmica de generación de energía eléctrica que, además del grupo de vapor propio de las centrales térmicas convencionales, dispone de una o varias turbinas de gas cuyos gases de escape son enviados a una o varias calderas, donde ceden gran parte de su energía térmica, a fin de generar el vapor empleado en accionar la turbina de vapor. La turbina, cuya función es la de transformar la entalpía de los gases en energía mecánica de rotación, acciona el compresor de aire y el alternador. Los gases de escape, que abandonan la turbina de gas con una temperatura comprendida entre los 500º C y los 650º C, tienen una entalpía elevada y se envían a una caldera para su aprovechamiento. La caldera actúa como un intercambiador de calor en el que el fluido caliente son los gases de escape de la turbina de gas, que circulan por el lado carcasa, mientras que el fluido frío es el agua-vapor que circula por el interior de los tubos. Las calderas asociadas a los ciclos combinados habitualmente trabajan con dos o tres niveles de presión. La turbina de vapor es similar a la de una central térmica convencional con algunas diferencias, tales como trabajar a menor presión y no disponer de extracciones de vapor para calentar los sistemas de condensado y agua de alimentación. Los ciclos combinados admiten múltiples clasificaciones siendo quizás la más extendida la basada en la localización y condiciones de aporte de los combustibles. Atendiendo a este criterio los ciclos combinados se dividen en: •

Ciclos combinados sin combustión adicional.

•

Ciclos combinados con combustión adicional.

El caso que se trata en este proyecto es de una central térmica de ciclo combinado sin combustión adicional. En este tipo de plantas solo se aporta combustible a la turbina de gas y por lo tanto la caldera es simplemente de recuperación. Esta es la mejor opción cuando el único producto deseado es la energía eléctrica, dado que es la que ofrece mayores rendimientos. La configuración del ciclo combinado que aparece en el presente trabajo responde al tipo monoeje y alternador en el centro. Dado que la turbina de vapor se encuentra en un extremo del eje, es posible desacoplarla durante el arranque y la parada de la planta. Se precisa de

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un embrague muy complejo, capaz de acoplar la turbina de vapor al alternador a la velocidad nominal. El combustible de uso habitual es gas natural, pudiéndose emplear también, si fuera necesario, fuel-oil. Para la realización de este proyecto se parte de la base que la potencia que llega a desarrollar el conjunto de la turbina de gas y la turbina de vapor es de 400 MW. A partir de este dato se diseña y dimensiona el resto de los sistemas integrantes de una central de ciclo combinado, como es el caso de la planta de tratamiento de agua.

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3. Funcionamiento planta tratamiento de agua en un ciclo combinado

La planta de tratamiento de agua se abastece de agua de mar que ha sido almacenada previamente en una balsa y haber sufrido un proceso de cloración. El agua desalada se obtiene tras filtrar el agua de mar mediante filtros multimedia y filtros cartucho, y tras someterla a un tratamiento de desalación en una unidad desaladora. También es posible emplear agua municipal en vez de agua de agua de mar para obtener agua desalada. Las bombas de agua de mar y municipal impulsan el agua de mar y de red, respectivamente, a través de los filtros de arena y los filtros cartucho hasta la desaladora. Sólo funciona una bomba, estando la otra de repuesto. Las bombas están protegidas por el sistema de control de la planta, de forma que si la presión de aspiración o la de impulsión caen por debajo de un mínimo preestablecido la bomba se detiene. Los filtros de arena de agua de mar y de agua municipal retiran del agua partículas y materia orgánica hasta un tamaño de 10 µm. Se requiere que sean limpiados cada cierto tiempo. En operación, funciona un solo filtro, estando su gemelo bien en espera o bien en limpieza. Es importante notar que o se trata agua de mar o agua municipal, de forma que sólo uno de los cuatro filtros puede estar funcionando. Las bombas de coagulante dosifican coagulante en la cantidad precisa al torrente de agua de mar o de agua municipal. Este coagulante favorece la función de los filtros multimedia. Las bombas de coagulante no son bombas centrífugas, sino que son bombas dosificadoras que regulan el caudal de coagulante que debe ser inyectado en función del caudal de agua de mar o de red. Los filtros cartuchos captan aquellas partículas y materia orgánica que no hayan sido atrapadas por los filtros de arena. Al igual que estos, normalmente funcionará un filtro cartucho mientras que el gemelo está en espera. El agua de mar o municipal, una vez filtrada pasa a la unidad desaladora, donde es transformada en agua desalada por medio de un proceso de destilación, con un máximo de 10 ppm TDS al final del proceso.

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El agua desalada es almacenada en un depósito. El agua extraída del tanque de agua desalada es desmineralizada por medio de un sistema de cambio de iones y almacenada en un nuevo tanque, de donde es enviada a los distintos puntos de consumo de la central. El agua desmineralizada se emplea principalmente para ser inyectada en la turbina de gas, para reducir las emisiones de NOX cuando se utiliza combustible líquido, y para la reposición de agua al ciclo agua-vapor. Además, se emplea para cubrir la demanda de agua potable en de la Planta. El dimensionado de los equipos y depósitos, así como la producción de producto se estiman para el abastecimiento de 2 ciclos combinados. El agua del tanque de agua desalada también es empleada para otros servicios auxiliares como es el sistema antiincendios. En caso de no disponer de agua de red, existe la opción de remineralizar el agua desalada y convertirla en agua potable. Todas las bombas que extraen agua del tanque desalada están enclavadas de forma que cuando el nivel de éste desciende por debajo de un mínimo preestablecido, estas bombas se detienen. Las bombas de agua desalada impulsan el agua desalada del tanque de agua desalada a través de los filtros multimedia y de los lechos mixtos hasta el tanque de agua desmineralizada En los filtros multimedia se retiran partículas y materia orgánica de un tamaño de hasta 10 µm. Los lechos mixtos no retiran partículas del agua, sino que eliminan iones que están disueltos en la misma. Para ello se valen de las resinas de cambio de ión, las cuales captan iones disueltos en el agua a la vez que liberan iones H+ y OH-. Una vez que las resinas están saturadas de iones, estas tienen que ser regeneradas. El proceso de regeneración consiste a grosso modo en lavar las resinas con ácido y sosa diluidos, que actúan como fuente de iones H+ y OH-, permitiendo así revertir el proceso descrito en el párrafo anterior. Para la limpieza de los filtros multimedia y de los lechos mixtos se necesita de la participación de ciertos sistemas auxiliares. Así, se dispone de un grupo de bombas de lavado y de soplantes para las secuencias de limpieza de los filtros multimedia y lechos mixtos. También se dispone de un sistema de dilución de ácido sulfúrico y de sosa cáustica. Finalmente, un sistema de neutralización se encarga de regular el pH de los efluentes de la planta, formados por el ácido y la sosa diluidos empleados en la regeneración de los lechos mixtos. Esta regulación del pH se consigue mediante adición de pequeñas cantidades de ácido y sosa concentrados. Posteriormente, la salmuera y los efluentes ya neutralizados son vertidos al mar.

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4. Desalación del agua de mar 4.1. Descripción de los principales procesos de desalación Los principales procesos que existen de desalación en la actualidad son los que aparecen en la Tabla 4.1.

Separación

Energía

Proceso

Eléctrica

Filtración Filtración selectiva

Método Destilación súbita (Flash) Destilación multiefecto Termocompresión de vapor Destilación solar Congelación Formación de hidratos Destilación con membranas Compresión mecánica vapor Ósmosis inversa Electrodiálisis

Química

Intercambio

Intercambio iónico

Evaporación Térmica Agua de sales

Cristalización Filtración y evaporación Mecánica

Sales de agua

Evaporación

Tabla 4.1. Sistemas de desalación

A continuación se procede a explicar cada uno de los procesos, para posteriormente decidir que tipo de desaladora es la que mejor se ajusta a las necesidades de la central térmica.

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4.1.1.

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Destilación súbita por efecto flash (MSF)

La desalación obtenida por destilación consiste en evaporar agua para conseguir vapor que no contiene sales, éstas son volátiles a partir de 300º C, el vapor se condensa posteriormente en el interior ó exterior de los tubos de la instalación. Los sistemas de desalación suelen funcionar por debajo de la presión atmosférica, por lo que necesitan un sistema de vacío, bombas ó eyectores, además de la extracción del aire y gases no condensables. La utilización de una cámara flash permite una evaporación súbita, y por lo tanto de carácter irreversible, previo a su posterior condensación. Generalmente, la cámara flash se sitúa en la parte baja de un condensador de dicho vapor generado en la cámara inferior. Por lo tanto, la recuperación de calor necesario para la evaporación se obtiene gracias a la unión sucesiva de etapas en cascada a diferente presión, ver figura 4.1, y es necesario el aporte mínimo de la condensación de un vapor de baja o media calidad proveniente de una planta de generación eléctrica. Este es el proceso evaporativo más ampliamente utilizado en el mundo, de implantación masiva sobre todo en Oriente Medio. Ello se debe a varias razones: • Es especialmente válido cuando la calidad del agua bruta no es buena (alta salinidad, temperatura y contaminación del agua aportada). • Su acoplamiento con plantas de potencia para formar sistemas de cogeneración es muy fácil y permite una gran variabilidad de rangos de operación en ambas plantas. • Su robustez en la operación diaria frente a otros procesos de destilación es notoria. • La capacidad de las plantas MSF es mucho mayor que otras plantas destiladoras en virtud a la cantidad de etapas conectadas en cascada sin problemas de operación. Sin embargo, las plantas MSF tienen un grave inconveniente. Su consumo específico, definido como la cantidad de energía consumida para producir 1 m3 de agua desalada, es de los más altos de los procesos estudiados. A este consumo contribuyen el consumo térmico proveniente de la planta productora de electricidad, más alto que otros procesos de destilación debido al efecto flash, y el consumo eléctrico debido al gran número de bombas necesarias para la circulación de los flujos de planta. Además de su alto coste de operación, su coste de instalación no es más bajo que otros procesos de desalación.

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Figura 4.1. Destilación súbita por efecto flash

4.1.2.

Destilación por múltiple efecto

Al contrario que en el proceso MSF por efecto flash, en la destilación por múltiple efecto (MED) la evaporación se produce de forma natural en una cara de los tubos de un intercambiador aprovechando el calor latente desprendido por la condensación del vapor en la otra cara del mismo. Una planta MED (Multi-Effect Distillation) tiene varias etapas conectadas en serie a diferentes presiones de operación, dichos efectos sucesivos tienen cada vez un punto de ebullición más bajo por efectos de dicha presión. Esto permite que el agua de alimentación experimente múltiples ebulliciones, en los sucesivos efectos, sin necesidad de recurrir a calor adicional a partir del primer efecto. El agua salada se transfiere luego al efecto siguiente para sufrir una evaporación y el ciclo se repite, utilizando el vapor generado en cada efecto, figura 4.2. Normalmente también existen cámaras flash para evaporar una porción del agua salada que pasa al siguiente efecto, gracias a su menor presión de operación. La primera etapa se nutre de vapor externo de un sistema recuperativo, una turbina de contrapresión ó extracción de una de condensación. Un condensador final recoge el agua dulce en la última etapa precalentando el agua de aportación al sistema. Por lo tanto las plantas MED también conforman sistemas de cogeneración al igual que las MSF consumiendo una porción de energía destinada a la

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producción eléctrica. La destilación por múltiple efecto no es un proceso solamente utilizado para la desalación. La capacidad de este tipo de plantas suele ser más reducida que las MSF (nunca suele superar los 15000 m3/día) aunque ello se debe más a razones de índole político que operativa: las MSF más grandes se instalan en Oriente Medio y las mayores MED están instaladas en las islas del Caribe para abastecer de agua estas zonas de gran presión turística. También es verdad que el número máximo de efectos conectados en serie raramente es mayor de 15, a excepción de las MED con múltiples efectos integrados en cada uno de ellos, llegando en este caso a un número total de más de 50. Sin embargo, tienen un mejor rendimiento global con respecto a una MSF. El ratio de ganancia en los destiladores de este tipo de plantas puede llegar a 15 sin ningún problema, reduciendo por lo tanto el consumo específico de este proceso respecto de una planta MSF con idénticas capacidades. Ello se debe principalmente a la irreversibilidad asociada al proceso de separación flash que aparece en los procesos MSF. Además el consumo eléctrico es menor que la MSF ya que necesita menos bombas de circulación al no existir recirculación de salmuera.

Figura 4.2. Destilación por múltiple efecto

4.1.3.

Compresión térmica de vapor (TVC)

La compresión térmica de vapor (Thermal Vapor Compression) obtiene el agua destilada con el mismo proceso que una destilación por múltiple efecto (MED), pero utiliza una fuente de energía térmica diferente: son los llamados compresores térmicos o termocompresores, que

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consumen vapor de media presión proveniente de la planta de producción eléctrica, si se tiene una planta dual, sino sería de un vapor de proceso obtenido expresamente para ello, y que succiona parte del vapor generado en la última etapa a muy baja presión, comprimiéndose y dando lugar a un vapor de presión intermedia a las anteriores adecuado para aportarse a la 1ª etapa, que es la única que consume energía en el proceso, ver figura 4.3. El rendimiento de este tipo de plantas es similar a las de las plantas MED, sin embargo su capacidad desaladora puede ser mucho mayor al permitirse una mayor adaptabilidad de toma de vapor de las plantas productoras del mismo. Muchas veces se las considera el mismo proceso, pero aquí se tratarán individualmente ya que el consumo de energía de la planta se realiza por un equipo diferente.

Figura 4.3. Destilación por compresión térmica de vapor

4.1.4.

Destilación solar

La energía solar es el método ideal para producir agua en zonas áridas y muy aisladas del resto de poblaciones. A pesar de tener un coste energético nulo y escasa inversión necesaria, su baja rentabilidad reside en su escasa producción por metro cuadrado de colector al destilarse tan sólo unos litros al día en el caso de condiciones climatológicas

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favorables. Por lo tanto no se han desarrollado a gran escala en lugares con un consumo elevado de agua dulce. El principio básico es el del efecto invernadero: el sol calienta una cámara de aire a través de un cristal transparente, en cuyo fondo tenemos agua salada en reposo. Dependiendo de la radiación solar y otros factores como la velocidad del viento, que enfría el vidrio exterior, una fracción de esta agua salada se evapora y se condensa en la cara interior del vidrio. Como dicho vidrio está colocado inclinado, las gotas caen en un canal que va recogiendo dicho condensado evitando que vuelvan a caer en el proceso de condensación a la lámina inferior de salmuera. Aunque pueden utilizarse técnicas de concentración de los rayos solares apoyándose en lentes ó espejos, ya sean de tipo parabólico ó liso, no suelen compensar las mayores pérdidas de calor que ello acarrea y su mayor coste económico. Pero la energía solar también puede ser la fuente de energía de un proceso de destilación, incluso de producción eléctrica para pequeñas instalaciones de ósmosis inversa. Por ejemplo, el uso de colectores de concentración parabólicos puede usarse en procesos MSF ó MED dependiendo del coste de los colectores, que son los que determinan la producción de agua por metro cuadrado, de media producen 10 m3 de agua dulce por m2 de colector, y factores climáticos tales como el porcentaje del día en que la planta consume energía solar.

4.1.5.

Congelación

Este proceso consiste en congelar el agua y recoger los cristales de agua pura formados para fundirlos y obtener un agua dulce independientemente de la concentración del agua inicial. Aunque pueda parecer un proceso muy sencillo tiene problemas de adaptación para su implantación a escala industrial, ya que el aislamiento térmico para mantener el frío y los mecanismos para la separación de los cristales de hielo deben mejorarse, así como adaptar la tecnología a intercambiadores de frío. El proceso de congelación es un fenómeno natural que se contempla con mucha facilidad en el Planeta, alrededor del 70% del agua dulce está contenida en los polos terrestres. La utilización de hielo de los polos para el consumo humano es muy poco conveniente para la conservación del equilibrio térmico del Planeta.

4.1.6.

Formación de hidratos

Es otro método basado en el principio de la cristalización, que consiste en obtener mediante la adición de hidrocarburos a la solución salina unos hidratos complejos en forma cristalina, con una relación molécula de hidrocarburo/molécula de agua del orden de 1/18. Al igual que el anterior proceso, su rendimiento energético es mayor que los de destilación, pero conlleva una gran dificultad tecnológica a resolver en cuanto a la separación y el lavado de los cristales que impiden su aplicación industrial.

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4.1.7.

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Destilación por membranas

Es un proceso combinado de evaporación y filtración. El agua salada bruta se calienta para mejorar la producción de vapor, que se expone a una membrana que permite el paso de vapor pero no del agua (membrana hidrófoba). Después de atravesar la membrana el vapor se condensa, sobre una superficie más fría, para producir agua desalada. En estado líquido, esta agua no puede retroceder atravesando la membrana por lo que es recogida y conducida hacia la salida.

4.1.8.

Compresión mecánica de vapor (CV)

En la compresión mecánica de vapor se evapora un líquido, en este caso el agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y se comprime lo suficiente para que condense en el otro lado y pueda mantenerse el ciclo de destilación de agua salvando las pérdidas del proceso y la elevación de la temperatura de ebullición del agua salada respecto a la pura, figura 4.4. Simplificando todos los elementos auxiliares se puede ver que el vapor exterior de los tubos es comprimido a presión atmosférica en torno a 0.2 bares en un compresor volumétrico especial para trasegar vapor. El vapor ligeramente sobrecalentado se condensa en el interior de los tubos del intercambiador, siendo recogido por una bomba en su parte inferior. Como puede observarse, si el proceso fuera ideal sólo se debería vencer la elevación del punto de ebullición del agua salada para mantener el proceso, aunque no es posible realmente; en todo caso el consumo específico de estas instalaciones es el más bajo de los procesos de destilación, normalmente el consumo eléctrico equivalente está sobre los 10 kWh/m3, la mitad que una planta MSF. Aunque su consumo específico es con mucho el menor de las instalaciones de destilación, tiene un gran inconveniente que es la inexistencia de compresores volumétricos de vapor de baja presión de tamaño suficiente para una producción considerable. Así no se conocen unidades CV mayores de 5000 m3/día, y estos compresores sólo permiten un máximo de 3 etapas a diferentes presiones conectadas en cascada. Normalmente existen intercambiadores de precalentamiento del agua de aporte con el destilado y la salmuera tirada al mar, como el número de etapas es reducido hay que recuperar la energía de salida de la salmuera, ayudados por una resistencia eléctrica en los arranques, así como todos los dispositivos de tratamiento de agua anteriores y posteriores al proceso de destilación.

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Figura 4.4. Destilación por compresión mecánica del vapor

4.1.9.

Ósmosis inversa (OI)

La ósmosis es un proceso natural que ocurre en plantas y animales. De forma esquemática se puede decir que cuando dos soluciones con diferentes concentraciones se unen a través de una membrana, existe una circulación natural de la solución menos concentrada para igualar las concentraciones finales, con lo que la diferencia de altura obtenida se traduce en una diferencia de presión, llamada osmótica. Sin embargo aplicando una presión externa que sea mayor a la presión osmótica de una disolución respecto de otra, el proceso se puede invertir, haciendo circular agua de la disolución más concentrada y purificando la zona con menor concentración, obteniendo finalmente un agua de pureza admisible, aunque no comparable a la de procesos de destilación. Por eso es altamente recomendable para la filtración de aguas salobres, en las que la sal a rechazar es mucho menor que en aguas marinas. La cantidad de permeado depende de la diferencia de presiones aplicada a la membrana, sus propiedades y la concentración del agua bruta, y la calidad del agua permeada suele estar en torno a los 300500 ppm de total de sólidos disueltos, cifra un orden de magnitud mayor al agua obtenida en un proceso de evaporación. Una membrana para realizar ósmosis inversa debe resistir presione mayores a la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones. Por ejemplo, un agua bruta de 35000 ppm de total de sólidos disueltos a 25º C tiene una presión osmótica de alrededor de 25 bares, pero

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son necesarios 70 bares para obtener su permeado. Además, deber ser permeable al agua para permitir el flujo y rechazar un porcentaje elevado de sales. Sin embargo no se puede considerar la OI como un proceso de filtración normal, ya que la dirección de flujo del agua bruta es paralela y no perpendicular como un caso cualquiera de filtración. Ello implica que tan sólo una parte del agua bruta de alimentación pasa realmente a través de la membrana, mientras que en un proceso de filtración lo haría en su totalidad, y que no se acumulen sales en la membrana al arrastrarse por el agua bruta que no pasa por la membrana. El proceso de ósmosis inversa es tan simple que a priori solo son necesarias las membranas que filtren el contenido salino y el equipo presurizador. Pero una planta de OI es mucho más compleja que una agrupación de módulos y una o varias bombas, por ejemplo las membranas se ensucian muy fácilmente con la operación continuada y necesita un pretratamiento intensivo, mucho mayor que en los procesos de destilación, que comprende entre otros: • Clorado para reducir la carga orgánica y bacteriológica del agua bruta. • Filtración con arena para reducir la turbidez. • Acidificación para reducir el pH y limitar la formación de depósitos calcáreos. • Inhibición con polifosfatos de la formación de sulfatos de calcio y bario. • Declorado para eliminar el cloro residual. • Cartuchos de filtrado de partículas requeridos por los fabricantes de membranas. • Microfiltración (MF) y ultrafiltración (UF) en el caso de aplicaciones industriales muy específicas ó en reutilización de aguas residuales. Las etapas del pretratamiento son las siguientes: Bombeo de agua de aporte; Dosificación de ácido clorhídrico; Dosificación de hipoclorito sódico; Dosificación de reactivo antiincrustante; Filtración sobre lecho de sílex; Filtración de seguridad sobre cartuchos; Dosificación de reactivo reductor; Tratamiento por ósmosis inversa; Bombeo de alta presión; Módulos de ósmosis inversa; Equipo de limpieza de membranas y flushing. Y las del postratamiento: Dosificación de hipoclorito sódico; Endurecimiento; Acumulación y bombeo de agua producto. El proceso se muestra en la figura 4.5.

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Figura 4.5. Desalación por ósmosis inversa

El ensuciamiento mineral y orgánico de las membranas representa el mayor problema operacional de los sistemas de ósmosis inversa. Las técnicas comunes de pretratamiento del agua de alimentación, consistentes en filtración, suavización y adición de reactivos químicos son costosas y de efectos limitados.

4.1.10.

Electrodiálisis (ED)

Este proceso permite la desmineralización de aguas salobres haciendo que los iones de diferente signo se muevan hacia zonas diferentes aplicando campos eléctricos con diferencias de potencial aplicados sobre electrodos, y utilizando membranas selectivas que permitan sólo el paso de los iones en una solución electrolítica como es el agua salada. Los iones van a los compartimentos atraídos por los electrodos del signo contrario, dejando en cubas paralelas el agua pura y en el resto el agua salada más concentrada. Es un proceso que sólo puede separar sustancias que están ionizadas y por lo tanto su utilidad y rentabilidad está sólo especialmente indicada en el tratamiento de aguas salobres ó reutilización de aguas residuales, con un consumo específico y de mantenimiento comparable en muchos casos a la ósmosis inversa. En algunas ocasiones, la polaridad de los ánodos y cátodos se invierte alternativamente para evitar el ensuciamiento de las membranas selectivas al paso de dichos iones. En este caso se habla de electrodiálisis reversible (EDR).

4.1.11.

Intercambio iónico

Las resinas de intercambio iónico son sustancias insolubles, que cuentan con la propiedad de que intercambian iones con la sal disuelta si se ponen en contacto. Hay dos tipos de

Cálculo y diseño de una desaladora e integración en una central térmica de ciclo combinado

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resinas: aniónicas que sustituyen aniones del agua por iones OH- (permutación básica), y resinas catiónicas que sustituyen cationes por iones H+ (permutación ácida). La desmineralización por intercambio iónico proporciona agua de gran calidad si la concentración de sal es menor de 1 gr/l. Por lo tanto se utiliza para acondicionar agua para calderas a partir de vapores recogidos o acuíferos, o en procesos industriales con tratamiento de afino. Las resinas normalmente necesitan regeneración con agentes químicos para sustituir los iones originales y los fijados en la resina, y terminan por agotarse. Su cambio implica un coste difícilmente asumible para aguas de mar y aguas salobres.

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Memoria

4.2. Resumen de las tecnologías utilizadas en desalación Tras la comparación de los tratamientos de desalación actualmente existentes, se encuentra que solo algunos procesos son tecnológicamente viables actualmente a escala industrial: Evaporación súbita por efecto flash, destilación múltiple efecto, termocompresión de vapor y compresión de vapor mecánica, ósmosis inversa y electrodiálisis.

MSF MED-TVC Características Tipo energía Térmica Térmica Consumo Alto Alto/medio energético primario (>200) (150-200) (Kj/Kg) Coste instalaciones Alto Alto/medio Capacidad Alta Media producción (m3/día) (>50000) (