Planta
de tratamiento de agua (PTA)
- DESALACIÓN.
- AFINO.
- DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE
DESMINERALIZACIÓN.
Figura
1.
Ejemplo de planta de tratamiento de agua.
Las
centrales térmicas ya sean nucleares, ciclos combinados, convencionales
de carbón, de fuel o de gas o termosolares requieren agua de gran pureza para
la turbina de vapor, por lo que necesitan de plantas depuradoras para obtener
agua desmineralizada adecuada para su consumo en la caldera y el ciclo
agua-vapor. La obtención de agua desmineralizada, o agua demin, se
realiza en dos pasos:
1) Ablandamiento o desalación.
En esta fase se eliminan la mayor parte de las sales que contiene el agua. Si
la fuente original de agua es un río o un caudal de agua dulce, el proceso se
denomina ablandamiento, ya que eliminamos la dureza del agua. Si se trata de
agua de mar, el proceso se denomina desalación.
2) Afino. En esta
segunda fase hay que afinar la desmineralización, eliminando en gran medida las
sales que pudieran contenerse en el agua ablandada o desalada, ya que como
mucho se deben tener concentraciones de 10 ppm o menores si es posible.
Los procesos
empleados para la depuración y adecuación del agua de alimentación a un agua
apta para su uso son:
1.
DESALACION
El proceso de
ablandamiento es menos exigente que la desalación, ya que se usa agua dulce con
muchas menos sales disueltas que el agua salada, por lo que nos centraremos en
la desalación, ya que es igual que el ablandamiento pero en condiciones más
duras al haber más concentración de elementos disueltos.
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, con el agua de red que se usa para depurarla.
- Poca resistencia a ataques
microbianos.
1.2.1 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
desalada o ablandada, 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
caracteristicas químicas necesarias para su consumo en la caldera. Esa
agua desmineralizada suele almacenarse en un depósito pulmón, desde
donde se bombea hacia el punto de 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
añadiran 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 DESMINERALIZACION.
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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