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1.
DESIONIZACIÓN.
2. AFINO.
3. DIAGRAMA DE
BLOQUES DEL PROCESO DE DESMINERALIZACIÓN.
Figura 1. Ejemplo de planta de tratamiento de agua.
Las centrales térmicas ya sean nucleares, convencionales de carbón, de
fuel o de gas o los ciclos combinados requieren agua de gran pureza para la
turbina de vapor, por lo que necesitan de plantas para obtener agua
desmineralizada adecuada para su consumo en la caldera y el ciclo agua-vapor.
La obtención de agua desmineralizada, o agua demi, se realiza en dos
pasos:
1)
Desoionización. En esta fase se eliminan la mayor parte de las
sales que contiene el agua.
2)
Afino. En esta segunda fase hay que afinar la desmineralización,
eliminando en gran medida las sales que pudieran contenerse en el agua, ya que
como mucho se deben tener conductividades inferiores a 1uS/cm.
1. DESIONIZACIÓN
Aunque existen diversos criterios para clasificar los
procesos de desalación, en general se puede hablar de procesos que requieren un
cambio de fase y procesos que no lo requieren.
Entre los procesos que implican un cambio de fases
están los siguientes:
-
Destilación en múltiple efecto.
-
Flashing en múltiple efecto.
-
Enfriamiento.
Los procesos que no implican un cambio de fases
son:
-
Ósmosis inversa.
-
Electro diálisis.
El rendimiento de una instalación viene dado por el factor de rendimiento (FR),
que mide la energía consumida por Kg. de agua producida. Evidentemente, un
proceso será más eficiente cuanto mayor sea su factor de rendimiento.
1.1
LA DESALACIÓN POR DESTILACIÓN Y FLASHING EN MÚLTIPLE EFECTO.
Figura 2. Desalación por destilación.
La desalación y flashing en múltiple efecto se conocen como MED (Multi Effect
Distillation) y MSF (Multi Stage Flash). Con ambos procesos se consigue agua
destilada de una gran calidad a partir del agua salada. Mediante la destilación
se logra reducir la salinidad típica del agua hasta una diezmilésima parte. Si
la salinidad del agua de mar es de 35.000 ppm, la del destilado es del orden de
10 ppm o incluso inferior.
Con el fin de obtener valores del FR más elevados se acoplan en serie diversos
destiladores simples, dando lugar a las denominadas plantas de destilación en
múltiple efecto (MED), siendo el FR mayor cuando mayor es el número de efectos
(también llamados etapas o celdas). Por razones económicas, el número de
efectos suele ser mayor de 14. Cada etapa puede compararse a un destilador
simple en el que la energía térmica requerida por el evaporador es aportada por
la condensación del vapor producido en al etapa anterior.
Con el objetivo de eliminar al máximo la formación de depósitos e
incrustaciones en el interior de las celdas, las temperaturas de trabajo en
estas son del orden de los 70 ºC. Para que se produzcan evaporaciones y
condensaciones a estas temperaturas, es preciso que exista un cierto vacío en
las celdas, con lo que la temperatura de evaporación desciende hasta el valor
deseado.
Las plantas desaladoras de flashing en múltiple efecto (MSF) tienen
grandes similitudes con las plantas MED, aunque con algunas diferencias:
-
La evaporación del agua en cada efecto no se produce mediante el aporte
de energía térmica en un intercambiador de calor, sino por flashing (expansión
brusca de agua caliente presurizada hasta una presión inferior a la de
saturación). Con esto se elimina un intercambiador de calor en cada etapa.
-
La temperatura de trabajo en una planta MSF es del orden de los 115-120 ºC,
mientras que en una planta MED es del orden de los 70 ºC. La existencia de
temperaturas más altas en una planta MSF obliga a un pretratamiento consistente
en una acidificación, desgasificación y neutralización, por lo que los costes son
más elevados.
-
En una planta MSF, la cantidad de agua de mar introducida en el proceso debe
ser de 5 a 10 veces superior a la del destilado, frente a una MED que es tan
sólo el doble de lo producido.
1.2 ÓSMOSIS INVERSA
Las ósmosis es un fenómeno físico-químico que tiene
lugar cuando dos soluciones acuosas de diferente concentración entran en
contacto a través de una membrana semipermeable. Esta membrana permite sólo el
paso del agua. Así, el agua tiende a atravesar la membrana en el sentido de
menor a mayor concentración, para igualar ambas.
Pero si están a diferente presión, el paso del agua
puede variar. De esta forma si la presión en el lado que tiene mayor
concentración salina es mayor que la del lado de menor concentración, el
agua la atravesará, perdiendo su salinidad, que quedará en el lado más
concentrado. En las desaladoras de ósmosis inversa el agua se impulsa a alta
presión hacia los llamados “bastidores de membranas”. La presión que hace que
este fenómeno tenga lugar es la llamada presión osmótica.
Figura 3. Ósmosis inversa.
Los principales obstáculos encontrados años atrás y que se han solucionado son
principalmente:
-
Gran producción por unidad de superficie de membrana y por unidad de volumen,
configuración espiral.
-
Poca tolerancia a la presencia de cloro libre
-
Poca resistencia a ataques microbianos.
Los
elementos principales que integran una planta convencional de ósmosis inversa
son:
-
Bombas de toma de agua.
-
Pretratamiento, inyección de ácido.
-
Filtros.
-
Bombas de alta presión con turbina de recuperación.
-
Tanque de retrolavado.
-
Tratamiento químico final.
El pretratamiento del agua del mar sirve para garantizar las condiciones
óptimas del agua de alimentación a los módulos de ósmosis inversa, tanto desde
el punto de vista de las propiedades físicas como químicas. En una planta de
ósmosis inversa es fundamental un pretratamiento apropiado del agua bruta para
conseguir una operación satisfactoria de la instalación, eliminando con ello
posibles sustancias que nos estropeasen la membrana. El pretratamiento consta
de varias etapas, en las que se persigue eliminar la existencia de actividad
biológica y materias coloidales orgánicas e inorgánicas en el agua, ya que
estas bajarían considerablemente el buen comportamiento de los módulos de
ósmosis inversa. El pretratamiento incluye una acidificación del agua para
evitar la precipitación del carbonato cálcico sobre los módulos. También se
suele realizar una eliminación del cloro que puede contener el agua, ya que
afecta a la vida de la membrana semipermeable.
Después del pretratamiento, se realiza una filtración para eliminar las
partículas en suspensión que pudieran existir en el agua y que disminuirían el
rendimiento de las membranas de ósmosis inversa. Una vez pretratada y filtrada,
el agua pasa a las motobombas de alta presión que la inyectan en los módulos de
ósmosis inversa a la presión necesaria para hacerla pasar por los mismos. No
toda, el agua inyectada en los módulos de ósmosis pasa a través de ellos y se
desala, sino que una parte es rechazada en forma de salmuera, esta salmuera
suele hacerse pasar por una turbina de recuperación para aprovechar su energía
mecánica. El eje de esta turbina va acoplado directamente al eje de la
motobomba.
1.3
ELECTRODIÁLISIS.
La electrodiálisis es otro de los procesos que desalan el agua del mar
sin que se produzca un cambio de fase. Este tipo de plantas se basan en el
hecho de que si se hace circular por una solución iónica una corriente
continua, los iones cargados positivamente (cationes) se desplazan en dirección
al electrodo negativo o cátodo. Del mismo modo, los iones cargados
negativamente (antiones) se desplazan hacia el electrodo positivo o ánodo. Por
lo tanto, si entre el ánodo y el cátodo colocamos un par de membranas
semipermeables, una de las cuales es permeable a los cationes y la otra lo es a
los aniones, paulatinamente se irá formando una zona de baja salinidad entre
las dos membranas.
Al igual que las plantas de ósmosis inversa, las
plantas de electrodiálisis requieren un cuidadoso pretratamiento del agua de
entrada para no dañar las membranas.
Figura 4. Electrodiálisis
1.4 ENFRIAMIENTO
Otro de los métodos utilizados para la obtención de agua desalada es por
enfriamiento, que consiste en enfriar el agua hasta que se congela, al
congelarse se produce un proceso por el cual el agua con sal se hunde al pesar
más y no se congela, ya que necesita una menor temperatura para ello, estando
el hielo de la superficie con una menor concentración de sal, siendo este hielo
extraído y después fundido para la obtención de agua dulce.
Figura 5. Obtención
de agua desalada por enfriamiento.
2. AFINO
El agua obtenida en el proceso anterior puede ser almacenada como agua
desionizada, o pasar directamente al proceso siguiente sin un depósito
intermedio. El afino es el proceso final de ajuste de la calidad del agua de
alimentación a la caldera. En él se eliminan las diversas sales que pudieran
quedar aún. El proceso se realiza con resinas de intercambio iónico. Puede
realizarse en dos fases, con resinas catiónicas y aniónicas por separado, o en
un solo paso, haciendo pasar el agua a tratar por un único depósito en el que
se encuentran las resinas aniónicas y catiónicas mezcladas. A estos depósitos
se les denomina lechos mixtos.
Una vez que ha atravesado estos lechos, el agua debe
tener las características químicas necesarias para su consumo en la caldera.
Esta agua desmineralizada suele almacenarse en un depósito pulmón, desde donde
se bombea hacia el punto del ciclo agua-vapor en el que se adiciona al
circuito, normalmente al condensador o al tanque de agua de alimentación. Antes
de ingresar en él se añadirán ciertos productos químicos, para ajustar su pH y
su contenido en oxígeno disuelto, fundamentalmente.
Figura 6. Afino por resinas de intercambio iónico, equipo
domestico de depuración de agua.
3. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE DESMINERALIZACIÓN
A continuación se puede
ver un diagrama de entradas y salidas a una planta de tratamiento con
desaladora por evaporación alimentada con agua de mar.
Figura 7. Diagrama del tratamiento del agua.
La entrada principal a dicha planta será el agua de
alimentación, ya sea agua de mar o de agua de red.
Como salida principal tendremos únicamente agua
tratada o desmineralizada. Como entradas secundarias tendremos:
-
Aceite de lubricación.
-
Potabilizador, en algunos casos.
-
Anti-incrustante.
-
Coagulante.
-
Ácido sulfúrico, ácido sulfámico y sosa, para neutralización de vertidos.
-
Aire.
-
Electricidad.
Para ver más claro los procesos que intervienen en una planta de desalación por
evaporación y desmineralización con lechos de resinas, nos podemos guiar
por el siguiente diagrama de bloques.
Figura 8. Diagrama de bloques de una planta de tratamiento de
agua, desalación por evaporación y desmineralización.
1) Filtración.
En este proceso se suelen usar filtros de arena. Estos filtros tienen arenas de
diferentes tipos y granulometría, y hacen un primer filtrado del agua. Para
retener partículas se le agrega un coagulante. También en esta etapa y para
tener un filtrado más fino, se hace pasar el agua que proviene de los filtros
de arena por unos filtros de cartucho.
2) Desalación:
Básicamente se usa electricidad para calentadores, bombas, etc., y se le añade
un anti-incrustante al agua.
3) Almacenamiento
de agua desalada. Existe en muchas plantas, aunque no es imprescindible. Este
almacenamiento provee de un pulmón que posibilita la producción de agua
desmineralizada sin la necesidad de tener continuamente la planta desaladora en
marcha.
4) Desmineralización.
Aquí, como ya hemos dicho, se hace la separación de los minerales que tiene el
agua en unos lechos con resinas aniónicas y catiónicas. Cuando estos lechos se
colmatan deben ser regenerados con la aditivación de ácido sulfúrico y sosa.
5)
Almacenamiento de agua desmineralizada.
6)
Distribución a los consumidores de agua desmineralizada, con la ayuda de bombas
eléctricas.
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