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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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,
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Capítulo 4. Página 143 de 224
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
Capítulo 4 INTEGRACIÓN DE UNA PLANTA DE ÓSMOSIS INVERSA … Bartolomé Ortega Delgado
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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.
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Capítulo 4. Página 145 de 224
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.
Capítulo 4 INTEGRACIÓN DE UNA PLANTA DE ÓSMOSIS INVERSA … Bartolomé Ortega Delgado
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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
PFC COMPARACIÓN ECONÓMICA DE LA INTEGRACIÓN … Bartolomé Ortega Delgado
Capítulo 4. Página 147 de 224
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).
Capítulo 4 INTEGRACIÓN DE UNA PLANTA DE ÓSMOSIS INVERSA … Bartolomé Ortega Delgado
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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
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Capítulo 4. Página 149 de 224
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:
Capítulo 4 INTEGRACIÓN DE UNA PLANTA DE ÓSMOSIS INVERSA … Bartolomé Ortega Delgado
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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.
PFC COMPARACIÓN ECONÓMICA DE LA INTEGRACIÓN … Bartolomé Ortega Delgado
Capítulo 4. Página 151 de 224
Apéndice 4-B. Esquema de una planta de ósmosis inversa
FIGURA 4-B.1. Esquema general de una planta de ósmosis inversa.
[Wade, 1993]
PFC COMPARACIÓN ECONÓMICA DE LA INTEGRACIÓN … Bartolomé Ortega Delgado
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REFERENCIAS
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Sistemas, 2006.
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Sons - Scrivener Publishing, 2010.
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2010.
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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
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