Tecnología de Compresión Mecánica de Vapor
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Desarrollo y Transferencia de Tecnología de Fertilizantes y Medioambiental Destilación por Compresión Mecánica de Vapor: Vertido Cero con la máxima eficiencia energética
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Desarrollo y Transferencia de Tecnología de Fertilizantes y Medioambiental
Destilación por Compresión Mecánica de Vapor: Vertido Cero con la máxima eficiencia
energética
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La industria occidental se enfrenta a comienzos del siglo XXI al desafío global de la
competitividad en un entorno de permanente sospecha por su relación con el medio
ambiente. La eficiente gestión de recursos tales como el agua y la energía resulta vital en
países como el nuestro, sometido a un profundo estrés hídrico, a la fuerte dependencia del
petróleo y a la perentoria necesidad de reducir las emisiones de CO2. La destilación de
efluentes por Compresión Mecánica de Vapor disminuye el consumo energético y recupera
agua de excelente calidad, lo que la habilita como una potente herramienta empresarial de
sostenibilidad ambiental económicamente viable.
La destilación por Compresión Mecánica de Vapor (CMV en adelante) se encuentra entre
las tecnologías líderes en la ecoeficiencia industrial. El tratamiento de aguas residuales
mediante CMV consigue el Vertido Cero con el mínimo gasto de energía. Las excelentes
propiedades del destilado obtenido permiten su reutilización integrando la gestión de
vertidos en el proceso productivo. Su instalación aporta una mejora de la cuenta de
resultados acompañada de un incremento de la calidad en un marco de estricto y seguro
cumplimiento de la normativa medioambiental.
Las soluciones tradicionales adoptadas por la industria en el tratamiento de aguas de alta
carga contaminante consisten en la gestión externa por una compañía de residuos
autorizada o en la instalación en serie de diversas técnicas de depuración. La primera
opción no requiere inversión pero la factura medioambiental supone un lastre importante, en
ocasiones inasumible, en la explotación. La alternativa implica la consecución de diversas
etapas de tratamiento (físico-químicos, biológicos, ósmosis inversa, entre otros) con un
coste operativo excesivo y baja fiabilidad (derrames puntuales, paradas continuadas,
dilatados periodos de puesta en macha). La CMV es un método de minimización de volumen
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que separa el agua del efluente en forma de destilado reutilizable, concentrando en un lodo
los elementos nocivos. Este lodo, con un volumen netamente inferior al fluido de partida, se
valoriza o deshecha según su naturaleza.
Esquema conceptual del proceso de CMV
Centenares de unidades en los sectores del tratamiento de superficies, industria
metalmecánica, química, farmacéutica, agroalimentaria, gestores de residuos, fundición,
envasado o impresión operan con éxito desde hace décadas.
1. Fundamento de la compresión mecánica de
vapor
1.1. El concepto de CMV
La CMV pertenece a las tecnologías de evapo-concentración de soluciones acuosas. En
concreto, a las de condensación del vapor generado. Buscan confinar los contaminantes en
un concentrado para su gestión y recuperar agua de calidad para su reutilización. En
determinados sectores, a las plantas de CMV se les denomina concentradores o
simplemente evaporadores.
VertidoDestilado
Lodo
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En estos procesos el efluente se calienta hasta el punto de ebullición, donde comienza la
migración de moléculas de agua desde el vertido a la fase vapor (etapa de evaporación o
concentración). Este vapor se segrega y enfría al punto de condensación, creando la fase
líquida (etapa de condensación).
En la etapa de evaporación el sistema precisa el suministro de energía al efluente y en el de
condensación la cesión por parte del vapor. En la mayoría de las técnicas, el suministro se
transfiere desde un fluido calefactor (agua caliente, vapor, fluido frigorífico) previo
calentamiento por medios externos (combustión, compresión). La cesión se realiza gracias a
un fluido refrigerante (agua fría, fluido frigorífico), para con posterioridad evacuar esta
energía a la atmósfera (torre de refrigeración o aerorrefrigerante). Ciertas unidades
incorporan una bomba de calor donde un único fluido intermedio en circuito cerrado cede y
absorbe la energía de las etapas de evaporación de agua residual y condensación del
vapor, si bien al final se emite una cuantiosa cantidad al ambiente.
La elegancia de la CMV radica en integrar en una única etapa sendos cambios de fase,
aprovechando el calor latente de condensación del propio vapor obtenido para evaporar el
residuo a concentrar. Toda la energía envuelta se recupera, sin pérdidas al entorno. Solo se
precisa electricidad para que el compresor venza la diferencia de presión entre evaporación
y condensación. En los niveles de operación habituales, el trabajo desarrollado por el
compresor apenas alcanza el 10% del calor latente. Ahí radica la eficiencia energética de la
tecnología.
La función del compresor es provocar un gradiente de temperaturas entre el vapor y el agua
residual para inducir la transferencia de energía. La denominación de CMV deriva de este
compresor, elemento mecánico, frente a la Termocompresión, en la cual el calentamiento
asociado a la compresión se origina por la inyección de vapor externo. Muchos autores y
suministradores denominan indistintamente, de forma equivocada y confusa, la Compresión
Mecánica de Vapor y la Termocompresión.
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1.2. El proceso de CMV
La destilación por CMV suele operar a vacío y por lotes. Aunque existen variantes en la
configuración del equipo, la mayoría consta de las siguientes unidades:
Esquema de proceso de un equipo de CMV
Circulaciónnatural
Salida del concentrado
Salida del destilado
Entrada de efluente contaminado
Recuperadorenergético
Vapor
Compresor devapor
Evapo-Condensador
Destilado de alta calidad
Ciclón
Separador de gotas
Separador de aerosoles
Depurador de vapor:
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Unidad de Evapo-Condensación, donde se produce la evaporación del agua residual
por el interior de los tubos y la condensación del destilado por el lado de la carcasa.
Unidad de Depuración de Vapor, donde se separan del vapor las gotas arrastradas y
se controla la posible formación de espumas, con objeto de proteger el compresor y
garantizar la calidad del destilado. Los sistemas de depuración más efectivos incorporan
un ciclón, separador de gotas y separador de aerosoles.
Unidad de Compresión de Vapor, donde se aumenta la presión del vapor generado
para provocar una diferencia de temperatura entre el vapor y el agua residual a
concentrar.
Unidad de Recuperación Energética, donde se aprovecha el calor sensible del
destilado saliente para precalentar el efluente que se introduce en el evapo-
condensador.
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Equipo de CMV
Unidad de Evapo‐Condensación
Unidad de Depuración de Vapor
Unidad de Recuperación Energética
Unidad de Compresión de Vapor
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Las sucesivas etapas por las que atraviesa el vertido a tratar en el proceso depurativo son:
Llenado
El efluente se alimenta de modo automático desde el depósito de almacenamiento por
medio de señales de nivel instaladas en el evapo-condensador. Este llenado no incorpora
ningún equipo mecánico puesto que el vacío interno provoca la succión de la solución
acuosa desde el tanque a presión atmosférica.
Precalentamiento
El agua residual, por lo general en condiciones de temperatura ambiente, se precalienta en
un intercambiador de serpentín con el destilado que abandona la planta. Esta recuperación
de energía aumenta la eficiencia no solo por un menor derroche sino por una maximización
de los tiempos operativos.
Evaporación
En el evapo-condensador ocurre la expansión del vapor generado, creando una elevada
turbulencia que conlleva un doble efecto. Por un lado, de circulación natural del fluido sin
necesidad de bomba y, por otro, de arrastre de partículas que favorece la transmisión de
calor al mantener sin depósitos la superficie de intercambio.
Algunos fabricantes añaden una bomba de recirculación incrementando sin necesidad el
coste operativo por el consumo eléctrico y el elevado mantenimiento de este equipo,
sometido a exigentes escenarios de temperatura y corrosión.
Las condiciones de la etapa de evaporación oscilan entre los 80 – 90 ºC de temperatura y
450 – 650 mbar de presión absoluta.
Depuración del vapor
En el ciclón se separan la mayor parte de gotas y espumas arrastradas en la expansión
gracias a la fuerza centrífuga. Por coalescencia, se eliminan los restos de gotas y aerosoles
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en los sucesivos separadores del sistema de depuración de vapor. Esta separación es
crítica para el mantenimiento del compresor. La presencia de gotas es letal por la abrasión,
corrosión e incluso bloqueo.
Compresión
En el compresor se aumenta la presión desde el vacío de la evaporación hasta un valor
ligeramente superior a la atmósfera. El aumento parejo de la temperatura permite el
intercambio de calor con el agua a concentrar. El compresor que domina el mercado es el
rotativo de lóbulos regulado con variador de frecuencia. Este bloque soplante de baja
presión calienta el vapor a 120 – 130 ºC, controlándose la temperatura por medio de
inyección del propio destilado.
Condensación, subenfriamiento y descarga de destilado
El vapor sobrecalentado vuelve al evapo-condensador por el lado de la carcasa para
condensar, a presión algo superior a la atmosférica, en el exterior de los tubos.
El destilado obtenido se descarga a presión, en continuo y previo subenfriamiento en el
precalentador del efluente, en un depósito externo.
Descarga del concentrado
Según avanza el proceso, los contaminantes presentes en el efluente aumentan en el
evapo-condensador. Cuando se logra el grado de concentración deseado, se extrae
automáticamente a un depósito externo, iniciándose un nuevo lote.
Un PLC gobierna el control automático midiendo en continuo los parámetros fundamentales:
temperatura y presión de evaporación, temperatura del vapor comprimido, capacidad de
tratamiento y concentración del agua residual.
Estos equipos llevan incorporados los últimos avances tecnológicos en el registro y
transmisión de datos, facultando al operador la visualización y actuación en la pantalla táctil
de campo, o bien a través de PC o teléfono móvil en cualquier lugar del mundo.
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Pantalla principal de operación de un equipo de CMV
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2. GENERALIDADES DE LA COMPRESIÓN MECÁNICA DE
VAPOR
2.1. Capacidad de tratamiento y consumo específico
Los equipos de CMV destinados a la depuración de aguas residuales se suministran en
capacidades modulares en una horquilla que abarca desde los 10 a los 10.000 l/h. En ese
rango se encuentran la mayoría de los vertidos de la industria española.
El consumo específico de electricidad disminuye según aumenta la capacidad de
tratamiento desde 70 a 45 kWh/m3. Es importante distinguir entre los consumos
garantizados por los fabricantes puesto que algunos ofrecen valores relativos al agua pura
en lugar de al vertido. Debido a que las impurezas dificultan la evaporación, la capacidad
varía según la carga contaminante y grado de concentración conseguido. Por ello, el
consumo relativo real crece hasta un 50% con determinados efluentes.
Los equipos de menor capacidad compiten con la gestión externalizada. Los equipos de
mayor capacidad rivalizan con tratamientos biológicos u ósmosis inversa.
El bajo consumo específico comparado a otros procesos, ya sea en una o varias etapas,
inclina la balanza hacia la CMV.
2.2. Calidad del destilado
La destilación por CMV genera un condensado cuya calidad depende en buena medida del
agua residual del que proviene. El mayor interés radica en la posibilidad de reutilizar el
destilado obtenido.
El destilado resulta incoloro, sin turbidez, con apenas conductividad (hasta 5 μS/cm), libre de
metales pesados, sales no volátiles y bacterias. Elimina la mayor parte de la DQO (salvo la
volátil).
Para evitar la presencia de compuestos indeseados es posible regular el pH del vertido o
lavar los vapores antes de su compresión. En este lavado se efectúa una absorción con
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reacción química que secuestra el componente no deseado (amoniaco, glicol o SO2, entre
otros).
La reutilización del destilado depende del uso final: producción, limpiezas, contra incendios.
El pre-tratamiento de la solución contaminada o el post-tratamiento del destilado
acondicionan los parámetros a cualquier empleo o entrega a cauce público.
Muestras de vertido, destilado y concentrado (elaboración de detergentes)
En la siguiente tabla se detallan algunos ejemplos de destilados de CMV:
Calidad del destilado
DQO (mg/l)
Conductividad (µS/cm) pH
Enjuagues y baños activos <15 15 - 25 4 - 5
Taladrinas 800 - 2500 75 - 150 7,0 – 8,5
Aguas de limpieza 100 - 150 30 - 50 6,5 – 7,5
Agentes de desmolde 60 6 6,0
Lixiviados 1.000 - 13.000 9.000 – 15.000 8,5 – 9,5
Rechazo de ósmosis inversa 100 - 300 500 – 3.000 7,0 – 9,5
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2.3. Factor de concentración
Se entiende por factor de concentración a la ratio entre el volumen de efluente tratado y de
lodo obtenido. Un factor 20 implica un residuo veinte veces menor en volumen que el
original. Esto equivale a que el concentrado representa el 5% del volumen de partida y, por
tanto, el destilado representa el 95%. Esta forma de medir el grado de concentración se
denomina porcentaje de evaporación.
El límite de concentración en los equipos de CMV depende del tipo de agua residual. Se
alcanza cuando la capacidad decae dramáticamente porque la alta carga de contaminantes
dificulta el paso de moléculas de agua de la fase líquida a la fase vapor. También se limita la
presencia de ciertos componentes corrosivos (cloruros, fluoruros) o tendentes a formar
depósitos (carbonatos, sulfatos).
2.4. Puesta en servicio
El proceso explicado en el epígrafe anterior corresponde al régimen estacionario de
operación. La puesta en servicio después de paradas (inicio de lote, mantenimiento, averías)
requiere el uso de energía externa. Tradicionalmente se han instalado resistencias eléctricas
para calentar el agua residual y así generar el vapor de realimentación. Pese al bajo
consumo eléctrico global por el corto periodo transitorio requerido, se penaliza sobremanera
la potencia instalada. Por ello, los equipos actuales inician el funcionamiento mediante la
aspiración de aire ambiente que el propio compresor calienta. Una válvula de admisión se
autorregula ligada a la capacidad de evaporación, cerrándose de forma gradual según se
obtiene destilado.
Porcentaje de evaporación Enjuagues y baños activos 96-98% Taladrinas 90-95% Aguas de limpieza 95-99% Agentes de desmolde 95-99% Lixiviados 90-95% Rechazo de ósmosis inversa 80-85%
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2.5. Purga de incondensables
El agua residual en condiciones ambiente contiene mínimas proporciones de gases
disueltos. Al adquirir la temperatura de operación próxima a los 90ºC estos vahos, por
ejemplo O2, CO2 o CH4, no son reabsorbidos en su totalidad por el destilado. Como
consecuencia ocurre un progresivo aumento de su concentración en la fase vapor limitando
la capacidad de tratamiento. Para evitarlo existe una purga en continuo, que se compone en
esencia de vapor de agua pero no supone una merma apreciable en la capacidad de
tratamiento.
2.6. Mantenimiento
En aquellos concentradores donde no se instalan bombas de recirculación ni de aporte de
vertido, así como de extracción de lodo y destilado, los únicos elementos que precisan
mantenimiento son el compresor y el evapo-concentrador.
El compresor es el componente más delicado. El vapor de agua vehiculado debe estar
limpio de partículas, ya que los espacios libres entre lóbulos comprenden un espesor de
pocas micras. La erosión y corrosión engendrada en la superficie de los lóbulos (y carcasa)
puede bloquear e incluso fracturar el compresor. De ahí la importancia del diseño de una
eficaz unidad de depuración de vapor.
Los vapores de carácter ácido atacan los materiales del compresor conduciendo a un final
prematuro. Para solventarlo se regula el pH del efluente neutralizándolo e incluso llevándolo
a valores alcalinos. Cuando no es posible la manipulación del pH o el gasto de reactivo
regulador es elevado, se instala una sencilla columna de platos para el lavado de los vahos
ácidos.
El mantenimiento del evapo-condensador encierra dos objetivos. Por una parte evitar la
deposición de cristales en las paredes internas de los tubos y por otra prevenir la corrosión.
Las incrustaciones se deben anular antes de que su crecimiento obstruya los tubos. Con
este fin incorporan un sistema de limpieza automática consistente en una solución básica,
ácida o doble. Con periodicidad subordinada a la naturaleza del vertido se inunda el
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intercambiador. Forzando el movimiento y calentando la solución se incrementa la eficacia
del lavado. Si la incrustación ha progresado en demasía por exceso de concentración y el
lavado no es suficiente, se taladra o inyecta agua a presión. También dispone de un filtrado
del efluente a la entrada de la máquina.
La corrosión más seria que afecta al equipo es el pitting o corrosión localizada. La presencia
de cloruros y/o fluoruros a temperaturas cercanas a los 90ºC promociona este tipo de
corrosión galvánica. Cuando se hallan presentes estos iones en cantidades elevadas, los
intercambiadores se manufacturan en materiales especiales (superdúplex, 904L) limitando el
grado de concentración. Sin embargo, un material adecuado para resistir la corrosión falla si
las soldaduras son defectuosas. Se recomienda soldar en atmósfera inerte.
El mantenimiento de la instrumentación se reduce a limpiezas periódicas de las sondas.
2.7. Materiales de construcción
La versión estándar de casi todos los suministradores se construye en acero inoxidable AISI
316. Los modelos de alta resistencia a la corrosión emplean aceros inoxidables especiales:
AISI 904L, dúplex, superdúplex.
Los compresores se elaboran en fundición gris o Ni-Resist. Algún proveedor monta
compresores en acero inoxidable pero el desmesurado sobrecoste no compensa el aumento
de vida útil.
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3. APLICACIONES DE LA COMPRESIÓN MECÁNICA DE
VAPOR
Las tecnologías de evapo-concentración de aguas residuales industriales devienen más
competitivas cuanto mayor, diversa y voluble sea su carga contaminante. Aquellos sistemas
de tratamiento que eliminan un elemento concreto (materia orgánica, sales, metales
pesados, aceites y grasas…) presentan dificultades con la complejidad y variabilidad del
efluente. Se combinan en serie para lograr la depuración necesaria y, en muchos casos, no
se consigue cumplir con los parámetros de vertido. Proliferan reactores biológicos con
tratamientos físico-químicos previos, o complementados con ultrafiltraciones, ósmosis
inversas y deshidrataciones como post-tratamientos. Lo mismo ocurre con la
electrocoagulación, radiación ultravioleta… Todos ellos conllevan una excesiva inversión y
desmesurado coste operativo. La CMV, al igual que otros métodos de deshidratación, trata
líquidos complejos separando el agua en lugar de los contaminantes, quedando estos
últimos concentrados en un lodo residual. Se fundamenta, pues, en una separación física
con enormes reducciones de volumen.
Planta de depuración por CMV en tratamiento de superficies (fabricación de mobiliario
metálico)
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Como consecuencia del fundamento físico y no químico del proceso, el ámbito de aplicación
resulta extenso, encontrándose referencias en numerosas industrias e infraestructuras de
servicios públicos: tratamiento de superficies, industria metalmecánica, fundiciones, industria
aeronáutica, gestores de residuos, moldeado e inyección, vertederos y plantas de
compostaje, industria farmacéutica, química básica y fina, industria del envase… En la tabla
adjunta se enumeran diversas industrias donde operan concentradores por CMV, indicando
el tipo de agua tratada, así como la principal función que desempeñan.
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Industrias y contaminantes tratados con CMV
INDUSTRIAS CONTAMINANTES FINALIDAD
Tratamiento de
superficies
Enjuagues y baños activos de sistemas de
pre-tratamiento de superficies (pintura en
polvo, esmaltado, galvanizado)
Aguas residuales procedentes de la
regeneración de plantas de
desmineralización
Reutilización
Reutilización
Gestores de líquidos Varios (refrigerantes, salmueras,
tensioactivos, otros) Vertido
Industria
metalmecánica
Emulsiones
Baños de desengrase
Reutilización
Reutilización
Fundiciones Agentes de desmolde Reutilización
Industria de limpieza
de contenedores Aguas residuales de procesos de limpieza Reutilización
Industria de inyección
de aluminio Agentes de desmolde Reutilización
Industria aeronáutica Aguas de lavado en sistemas de detección
de grietas Reutilización
Industria química y
farmacéutica
Aguas residuales varias
Concentración de productos
Reutilización / Vertido
Producción
Industria del envase Aguas residuales Reutilización
Industria de circuitos
impresos Aguas de limpieza de placas Reutilización
Vertederos Lixiviados
Rechazo de ósmosis inversa
Reutilización / Vertido
Reutilización / Vertido
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El principal límite de aplicación de la CMV reside en el caudal a tratar. No es competitiva
para vertidos elevados (superiores a 50 m3/h). No se emplea, por ejemplo, para al
tratamiento de aguas urbanas.
Otro condicionante aparece en la composición del efluente. Si la fracción de componentes
volátiles predomina, el destilado podría no ser reutilizable ni vertible a cauce público. En
esos casos se combina la CMV con otras tecnologías de pre-tratamiento o post-tratamiento
(biológico, físico-químico, desorción).
Además de su implantación al tratamiento de aguas residuales, estos equipos de CMV se
usan para la recuperación de metales preciosos en joyería, descontaminación radioactiva o
concentración de productos químicos, farmacéuticos y alimenticios.
Con el mismo principio termodinámico pero diferente configuración, se suministran plantas
de desalación de agua de mar por CMV.
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4. VENTAJAS DE LA COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR
El compendio de ventajas de la CMV se sintetiza en un bajo coste operativo y robustez
por su extraordinaria flexibilidad frente a cambios de caudal y composición en el agua
residual. Entrando en detalle, la CMV presenta las siguientes ventajas:
Bajo coste operativo, medido en €/m3 tratado, por la suma de todas las ventajas
Reutilización del agua evaporada, por su excelente calidad
Vertido Cero, por reutilizar el agua y confinar los contaminantes en un lodo que
retira un gestor
Mínimo porcentaje de concentrado, que favorece su gestión sin costes elevados
Adaptabilidad al cambio de composición y caudal de generación del vertido,
gracias a basarse en una separación física y acumular vertido
Bajo consumo de reactivos, por la mínima adición de antiespumantes y agentes de
limpieza
Solo precisa electricidad como fuente energética para su funcionamiento
Bajo coste de personal, debido a que las plantas están automatizadas y solo
precisan una mínima supervisión
No requiere personal técnico especializado, por ser elementales las operaciones
de mantenimiento y supervisión
Bajo mantenimiento, debido a los equipos tan sencillos que lo componen
Alto grado de automatización, que implica fiabilidad del sistema
Modulable, por lo que es flexible frente a aumentos inesperados de vertido o
ampliaciones de fabricación
Compacidad, por lo que requiere poco espacio para su instalación
Simplicidad de la instalación, en su concepción y en su materialización
Las desventajas con las que cuenta la CMV:
No es competitiva para caudales elevados (superiores a 50 m3/h)
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No aprovecha calores residuales
La inversión es elevada si se precisa pre-tratamiento o post-tratamiento
5. CONCLUSIONES
La destilación por Compresión Mecánica de Vapor recupera agua de alta calidad a partir de
efluentes industriales. La consecución del vertido cero con el menor coste operativo y su
automatización, robustez, fiabilidad, compacidad y sencillez, la sitúan entre las tecnologías
líderes en el tratamiento de aguas residuales.
La CMV permite a múltiples sectores industriales dar una respuesta eficaz y eficiente al
problema de sus vertidos. También ha incrementado el valor añadido por la vía de la mejora
de la competitividad.
La CMV demuestra que la rentabilidad y el respeto por el medio ambiente no transitan por
caminos divergentes. La integración del proceso productivo y la gestión medioambiental se
equilibran en un punto de mutuo beneficio. La reutilización de agua y el ahorro energético
impulsan la sostenibilidad empresarial y, por ende, de la sociedad en su conjunto.
Por las razones expuestas en este artículo se comprende que la CMV haya sido incluida por
la Administración entre las Mejores Tecnologías Disponibles para la depuración de vertidos.
Antonio Sancho Vélez, Ingeniero Industrial.
Director de la División de Proyectos Ambientales de Incro, S.A.
