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Planta de Tratamiento de Agua (PTA)

ÍNDICE:

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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