ciclo combinado

Universidad de Zaragoza

Tesis Doctoral

Francisco Javier Uche Marcuello

Departamento de Ingeniera Mecnica

ANLISIS TERMOECONMICO YSIMULACIN DE UNA PLANTA COMBINADA

DE PRODUCCIN DE AGUA Y ENERGA

ANLISIS TERMOECONMICO Y SIMULACIN DE UNA PLANTA COMBINADA DE PRODUCCIN DE AGUA Y ENERGA

Departamento de Ingeniera Mecnica

Universidad de Zaragoza

Tesis Doctoral

Francisco Javier Uche Marcuello

Zaragoza, marzo del 2000

D. Antonio Valero Capilla, Catedrtico del Departamento de Ingeniera Mecnicade la Universidad de Zaragoza, y D. Luis Serra De Renobales, Profesor Titular delrea de Mquinas y Motores Trmicos de la Universidad de Zaragoza

CERTIFICAN

que la memoria titulada

Anlisis termoeconmico y simulacin de una plantacombinada de produccin de agua y energa

presentada por el Ingeniero Indus-trial D. Francisco Javier Uche Marcuello para optar al grado de Doctor en el progra-ma de Optimizacin Energtica del Departamento de Ingeniera Mecnica, ha sidorealizada bajo su direccin.

Zaragoza, 20 de Marzo del 2000

Fdo: Antonio Valero Capilla Fdo: Luis Serra de Renobales

a Sonia

Agradecimientos

Quiero agradecer especialmente la realizacin de esta tesis doctoral a mis padres Luisy Pilar, y a mi hermano Jos Luis por su paciencia y nimos para realizarla, a pesar deno entender a veces muy claramente la finalidad de la misma.

Por supuesto, Natalia es la que ms me ha tenido que aguantar y animar en los malosmomentos que a veces he tenido. Adems, ella ha tenido siempre un inters especialpara que yo la realizara.

Los directores de mi tesis, Antonio y Luis, han estado siempre a mi lado disponiblespara cualquier duda o sugerencia en su realizacin. Nuestras reuniones peridicas hanservido para enriquecerme personalmente. Esta tesis tambin ha servido para estable-cer una relacin especial de amistad y confianza con Luis, que para m es fundamentalen el trabajo diario.

Tambin quiero agradecer al personal de la Central Trmica Teruel (ENDESA) por suflexibilidad de horarios, que me ha permitido desarrollar gran parte de mi tesis docto-ral durante mi estancia en Andorra. Y a mis compaeros de piso durante dicha estan-cia, que me dejaron trabajar en todo momento sin impedimento alguno.

Finalmente, quiero agradecer a Rosa y a Morris su ayuda en la edicin. Y a esa granfamilia que es CIRCE, y al gran ambiente que existe dentro de ella.

Acknowledgements

The financial support provided by ICWES (International Center for Water and EnergySystems, United Arab Emirates) is gratefully acknowledged. Sincere appreciation isexpressed to D. M. K. Al-Gobaisi, Director of ICWES, for his continued support andencouragement during the course of this thesis. The discussions that the author andmy directors had with him and Ali El-Nashar and Asghar Husain were very helpful.Thanks are also extended to Hanif Sultan and John Nynam who provided the technicalinformation essential to the design of my simulator.

Anlisis termoeconmico y simulacin de una planta combinada de produccin de agua y energa

La desalacin de aguas de mar o salobres es una de las formas ms utilizadas paradotar con la calidad suficiente a la poblacin de los recursos hdricos necesarios parasu manutencin y desarrollo. En un sector industrial en constante crecimiento, ya queel consumo humano per cpita sigue aumentando constantemente con el incrementodel nivel de vida, a pesar de las campaas buscando el ahorro y la racionalidad en elconsumo, sobre todo en la agricultura intensiva.

Espaa es pas que cuenta con un claro dficit de agua en las zonas costeras delLevante y Sur, as como en los dos archipilagos principales (Baleares y Canarias),dichas zonas coinciden con ser las ms tursticas del pas, lo que significa que lademanda se multiplica en verano. Sin tener en cuenta la posibilidad de efectuar tras-vases de otras cuencas hidrogrficas no deficitarias, el problema est siendo resueltoprincipalmente por plantas de Osmosis Inversa, plantas cuyas dimensiones y produc-cin se adecuan mucho mejor a las necesidades de los diferentes tamaos de losncleos asentamientos estables de poblacin. El coste del agua producida siguesiendo muy alto en comparacin con la obtencin por medios naturales, pero sinembargo es menor que otros mtodos de desalacin.

Sin embargo, la situacin de Espaa no es extrapolable a las zonas con verdaderosproblemas de escasez de agua: los pases desrticos del Golfo Prsico. Su escassimapluviometra, sus elevadas temperaturas durante todo el ao y la casi nula imper-meabilidad de sus suelos disparan su consumo de agua. Son adems pases de relati-vamente reciente creacin, por lo que la demanda de energa elctrica tambin debeser resuelta. La instalacin de grandes plantas de cogeneracin permite a la vez resol-ver los dos problemas, con la utilizacin de los inmensos recursos petrolferos y gasde la zona. Las plantas duales de generacin de potencia acopladas con las unidadesde desalacin por destilacin flash multietapa producen el 80% del agua desalada enel mundo. Pero ello no significa que sea el mtodo ms eficiente de producir esos dosproductos necesarios para toda sociedad.

El anlisis termoeconmico permite conocer el funcionamiento interno de dichasplantas de generacin de electricidad y agua dulce, las posibilidades de ahorro queofrece este modo combinado de produccin. Es esencial realizar dicho anlisis de

Resumen

Resumen

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forma conjunta, cosa que normalmente no se hace en este tipo de instalaciones: cadaplanta es gestionada independientemente.

Esta Tesis Doctoral desarrolla el anlisis termoeconmico completo de la planta decogeneracin ms grande que actualmente existe (en cuanto a la produccin de aguapor unidad desaladora), que consta de una planta con una turbina de vapor para lageneracin de electricidad y una desaladora por destilacin flash de un nico efectopor cada una de sus etapas. Es una tesis eminentemente prctica, es decir, trata deaplicar las metodologas que la Termoeconoma actualmente est aplicando a otrossistemas tales como plantas de potencia a un sistema muy complejo en el cual losprocesos qumicos tambin son importantes en el balance de la instalacin, no slolos procesos mecnicos y trmicos.

El anlisis termoeconmico comprende cuatro partes principales que se detallan acontinuacin:

En primer lugar, el anlisis de costes permite conocer los costes fsicos de los flu-jos ms importantes de las dos plantas, as como los costes finales de produccinde agua y energa, teniendo en cuenta los costes de operacin y de adquisicin ymantenimiento de los equipos de la planta. Dicho anlisis se basa en la creacinde un modelo termoeconmico que representa de una forma funcional los proce-sos que ocurren dentro de la planta de potencia y de agua. Los resultados obteni-dos son comparados con mtodos tradicionales de contabilidad de costes que sehan usado para asignar costes a los productos industriales.

Despus, el anlisis desarrolla el diagnstico de la planta combinada, es decir,analiza los efectos provocados por una o varias ineficiencias simuladas dentro dela planta. Para ello, se ha construido un simulador de los dos procesos a partir deun modelo matemtico y datos reales de una planta de cogeneracin, que permiteconocer los estados termodinmicos de referencia y con la ineficiencia con unaprecisin suficiente para nuestro anlisis. Dichos efectos se traducen a un consu-mo adicional de fuel, incremento en la irreversibilidad de los diferentes procesosy una menor eficiencia en los mismos, adems de ayudar a conocer las relacionesde los diferentes componentes de una instalacin. En este anlisis se demuestraque la planta de potencia los parmetros gua de funcionamiento de cada compo-nente son locales, es decir, una variacin de ellos no significa prcticamente alresto de componentes del sistema. Sin embargo, en la unidad MSF todos elemen-tos principales estn interconectados a travs de los flujos principales que circu-lan por los destiladores, y por lo tanto los fallos mejoras sufridas en elfuncionamiento de la planta afectan a toda ella, no slo al equipo en el que estnocurriendo.

La tercera parte del anlisis termodinmico es la optimizacin de la planta de po-tencia a partir de la optimizacin local de sus componentes. En la planta destila-dora de agua la optimizacin local no es posible al no estar sus componentes

Resumen


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termodinmicamente aislados, como ya se vi en la diagnosis de la planta. Estametodologa es muy valida para el diseo de nuevas plantas o la readaptacin deplantas existentes hacia un mayor ahorro en las mismas.

Finalmente, un nuevo apartado conteniendo los conceptos de coste, precio y bene-ficio obtenidos se desarrolla brevemente, para aclarar errores que normalmente secometen en la contabilizacin de los costes de una instalacin.

La Tesis Doctoral tambin incluye dos partes introductorias, la primera contiene lasituacin en los pases con escasez de agua y los mtodos de desalacin ms comunesutilizados actualmente. La segunda parte introductoria incluye el estado actual de lateora termoeconmica necesaria para el anlisis termoeconmico de la planta.


CAPTULO 1

Introduccin

La falta de agua en el mundo ser pronto un problema muy serio, teniendo en cuentael rpido incremento de la poblacin y consumo per cpita. Afortunadamente, esteproblema puede ser aliviado desalando agua, pero a costa de un consumo energticoelevado, que implica que la desalacin slo pueda ser aplicada en los pases desarro-llados. Esta tesis doctoral contribuye a la bsqueda de un ahorro energtico de lasplantas desaladoras e incluye las herramientas para el desarrollo tecnolgico de la de-salacin.

Hay diferentes estudios y organizaciones dedicados al agua y a la energa de formaseparada, pero hay una falta de conexin entre ambas disciplinas. La interaccinagua-energa es uno de los puntos principales de esta tesis. El objetivo es determinarla validez del anlisis termoeconmico a un sistema muy complejo como una plantadual de desalacin de agua de mar.

Este captulo introduce las motivaciones de la tesis dentro del marco del problemaglobal que intenta paliar, as el desarrollo del captulo introductorio tiene estos puntosprincipales:

Incremento del consumo humano de agua y sus consecuencias.

Calidad del agua y sus usos derivados.

La falta de agua localizada en las diferentes zonas del globo, y la desalacin comoalternativa para suplir dicha falta.

Las interacciones agua-energa en los mtodos de desalacin.

Las razones de escoger una turbina de vapor, acoplada a una planta desaladora deevaporacin sbita por efecto flash (MSF), como el sistema dual a estudio.

Introduccin

16


La utilidad del anlisis termoeconmico para estudiar estos sistemas tan com-plejos.

La seccin final de este captulo contiene la estructura general de esta tesis doctoral.

1.1 Necesidades de agua

De acuerdo con Al-Gobaisi (1999), la vida depende de la existencia de agua dulce.Aunque los ocanos representan una gran reserva de agua, cubriendo las tres cuartaspartes de la superficie terrestre, sta tiene de media una salinidad de ms de un 3% enpeso, hacindola inservible para incluso el uso agrcola industrial. Menos del 3%del agua terrestre es dulce, pero casi toda ella est contenida en los hielos glaciales,por lo que tampoco est disponible. El agua sigue un ciclo regenerativo (evaporacin-formacin de nubes-lluvia-escorrenta), pero slo en parte del mismo es utilizable,cuando est en estado lquido y sin contenido de sal. El desarrollo humano demandacada vez ms agua para beber, cocinar, lavar, limpiar Adems, la industria consumeuna media de 200 toneladas de agua por tonelada de producto manufacturado (Al-Gobaisi, 1997). El agua es ms de la mitad del peso del cuerpo humano, un adultobebe una media de 2,5 litros al da de agua, y necesita como mnimo 0,75 litros paramantenerse vivo. La Organizacin Mundial de la Salud dice que son necesarios 150litros/da para un mnimo de higiene (Al-Gobaisi, 1997), aunque en los pases sub-desarrollados del planeta hay ms de 1.500 millones de personas que no tienen aguapotable, de ellos la mayora consumen de tres a cuatro horas diarias para conseguirla(Intermn, 1998).

La desigualdad entre la demanda de agua y los recursos disponibles es muy clara, es-pecialmente en las reas ms ridas (Golfo Prsico, Magreb). El consumo per cpitaen estas regiones es altsimo (de 300 a 1.500 litros/da). Ello se ha visto favorecidopor el rpido crecimiento del nivel de vida en estos pases, las prdidas en la red y laagricultura intensiva en condiciones extremas de aridez. Los recursos de agua prove-nientes de lluvia, los recursos subterrneos el reciclado de aguas residuales no sonsuficientes para satisfacer la demanda. Existe el problema aadido de la sobreexplota-cin de acuferos subterrneos, que implica una disminucin de los niveles freticos oun deterioro de sus cualidades, llevando incluso a la intrusin de agua salada en losmismos. La experiencia en estas zonas es que unos recursos renovables de1.000 metros cbicos de agua anuales son el lmite de la escasez crnica de agua queimpide el desarrollo humano. Un estrs hdrico se define como unos recursos en lazona de menos de 1.000 m

3

de agua por habitante y ao que se renuevan; de acuerdoa esta definicin todos los pases de Oriente Medio sufren de estrs hdrico (Al-Go-baisi, 1999).

Calidad del agua y sus usos


17

1.2 Calidad del agua y sus usos

Los usos del agua dependen de su calidad. La salinidad media del agua de mar es de34.800 ppm, aunque vara lgicamente en funcin del ocano: por ejemplo, el total deslidos disueltos (TDS) del Golfo Prsico vara entre 43.000 y 50.000 ppm, mientrasque en el Ocano Atlntico tiene una media de 36.000 ppm, y el Pacifico 33.600 ppm(Abu Qdais, 1999).

El lmite para el consumo humano es de 1.000 ppm (Splieger and El-Sayed, 1994),aunque este mximo permisible depende de las sales disueltas, del consumo diario ydel clima (si el clima es muy clido y las sales son principalmente cloruro sdico, unexceso de sales puede ser incluso beneficioso para el cuerpo humano). Suponiendoque el hombre bebe hasta un mximo de 8 litros diarios, el consumo de agua para usode boca no supone un serio problema en el futuro, si lo comparamos con el consumoindustrial o agrcola.

La pureza necesaria para la industria depende fundamentalmente del sector. A veces,un agua salobre (< 5.000 ppm de TDS) es suficiente, pero otras veces se necesita aguaultrapura (por ejemplo en el ciclo y en la refrigeracin de plantas de potencia). Lacantidad de agua utilizada es varias veces mayor que la de consumo, por lo tanto lainvestigacin orientada al reciclado y reutilizacin de aguas industriales es muy im-portante actualmente.

El riego artificial (no proveniente de la lluvia) consume la mayora del agua en elmundo, por ejemplo en China supone el 87% de su consumo total, este porcentajepuede ser mayor todava en zonas muy ridas. La desalacin es tan cara que no puedeser utilizada para estos propsitos. Sin embargo, aguas salobres en torno a los 2.000ppm son aceptables para algunos cultivos; los lmites para cada planta dependen delterreno, clima, composicin de sales, mtodo de riego y tratamientos fertilizantes.

1.3 Demanda y recursos de agua en el mundo

La desalacin de agua marina es ms comn en los pases que bordean el Golfo Prsi-co, el Norte de frica y las islas Canarias, las islas del Caribe, la regin del Pacifico(Australia, Japn, Corea y China), y el sur de Europa, as como algunas reas del su-roeste de Estados Unidos y Florida. Se incluye a continuacin una breve exposicinde la situacin en esas reas, para introducir al lector en el verdadero problema de laescasez de agua en dichas zonas.

Introduccin

18


1.3.1 Regin del Golfo

Los recursos de agua disponibles per cpita en la zona del Golfo Prsico (Emiratosrabes Unidos UAE-, Arabia Saud, Bahrain, Omn, Qatar y Kuwait, Irn e Iraqquedan excluidos de este anlisis) son muy escasos. El desarrollo econmico de estazona ha elevado el consumo diario por persona hasta una media de 500 litros/da(Abdel-Jawad and Al-Tabtabaei, 1999), adems la precipitacin anual es muy escasay la evaporacin es altsima. Por lo tanto, estos pases son considerados ridos osemiridos teniendo en cuenta sus escasos recursos de agua, tanto superficial comosubterrnea.

El Golfo Prsico es un mar de caractersticas un tanto diferentes a otros ocanos:

Es ms o menos un rectngulo limitado por Iraq y Kuwait al noroeste, ArabiaSaud, Qatar, UAE y Omn al oeste y el sur, y por Irn al este. Tiene aproximada-mente 1.000 Km de largo por 300 Km de ancho, con una superficie de2.39

10

5

Km

2

. La profundidad media es de 35 m, por lo tanto su volumen es deunos 8.63

10

3

Km

3

. La renovacin del agua es bastante dificultosa, se calculaque el tiempo de residencia medio del agua es de dos a cinco aos, ya que slo esposible su circulacin a travs del Estrecho de Ormuz.

La regin del Golfo tiene un clima sub-tropical rido con una precipitacin anualmnima. La temperatura del agua vara de 18 C a 33 C, por lo que la evaporacines altsima, excediendo al aporte de los ros en un factor de 10. Dichos factoresexplican los crecientes valores de la salinidad en el Golfo (de 36.300 a50.000 ppm, dependiendo de la cercana a desembocaduras de ros).

El ecosistema del Golfo est seriamente en peligro al ser una regin de constantesconflictos armados, adems de ser la ruta de petroleros ms importante del mun-do: el 20% de la produccin total discurre por l. La existencia de numerosasplantas desaladoras tambin influye negativamente en su entorno.

Las reservas de agua se van vaciando peligrosamente ao tras ao, ya que se extraemucho ms que se repone: aproximadamente 17.000 millones de metros cbicos sonextrados cada ao, de los cuales 3.000 millones se recargan en los acuferos y 4.000estn disponibles en la superficie. La demanda total anual es de 20.000 millones demetros cbicos, de los cuales el 75% debe ser cubierto por recursos no renovables.La tabla 1.1 muestra los recursos de agua y los recursos renovables en 1994 por aoen los pases del Golfo, mostrando el grave problema del estrs hdrico en estos pa-ses. La tabla 1.2 muestra las necesidades actuales de agua en esta zona, dividida enlos tres usos principales: domstico, agrcola e industrial.

Demanda y recursos de agua en el mundo


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La desalacin de agua marina es una forma de aumentar los recursos hdricos para re-ducir al menos ese estrs. El nmero de plantas de desalacin en los pases del Conse-jo del Golfo (GCC) se incrementa diariamente, en la tabla 1.3 se resume laproduccin y capacidad de los pases de Oriente Medio. La produccin en estos pa-ses es la mayor en todo el mundo, en la tabla 1.4 se puede confirmar este hecho.Como se puede ver en esta tabla, las grandes plantas MSF producen la mayor canti-dad de agua y son las ms competitivas en instalaciones de ms de 20.000 m

3

/da. La

TABLA 1.1

Agua disponible y recursos extraidos de agua en los pases del Golfo en 1994 (Alawadhi, 1999).

Pas Poblacin (millones)Recursos hdricos

extraidos(Mm

3

/ao)

Recursos hdricos renovables (Mm

3

/ao)

ConvencionalNo convencionales

Desalacin Aguas residuales

Arabia Saud 18,18 14.430 4.550 874 217

UAE 2,15 1.000 490 385 110

Kuwait 1,62 114 161 514 83

Qatar 0,53 185 50 108 25Bahrain 0,55 190 90 75 32

Omn 2,05 728 1.929 39 25

Total 25,08 16.647 7.270 1.995 492

TABLA 1.2

Demanda de agua en los pases del Golfo en 1990 (ESCWA, 1994).

Pas Demanda total(Mm

3

/ao)Necesidades en varios sectores (Mm

3

/ao)Domstico Agricola Industrial

Arabia Saud 16.300 1.508 14.600 192

UAE 1.490 513 950 27

Kuwait 383 295 80 8

Qatar 194 76 109 9Bahrain 223 86 120 17

Omn 1.236 81 1.150 5

Total 19.826 2.559 17.009 258

Introduccin

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cantidad de agua desalada por persona y da en algunos pases como Qatar o los Emi-ratos rabes es impresionante: 1,2 y 1,7 metros cbicos respectivamente.

Los pases del Golfo no reciclan ms del 35% de sus aguas residuales, que contribuyeslo al 2.2% de su suministro, dicha agua es normalmente utilizada para el riego decultivos y jardines y algn proceso industrial, con un total de 105 plantas de trata-miento con una capacidad conjunta de 2 Mm

3

/da. No cabe duda que dichas plantasdeben ser ms utilizadas, para prevenir el impacto ambiental y la intrusin del aguasalada en las capas freticas subterrneas.

TABLA 1.3

Capacidad total instalada y produccin en las plantas desaladoras del Golfo en el ao 1994(Alawadhi, 1999; Al-Gobaisi, 1999).

Pas Capacidad total (m

3

/da) Produccin total (Mm

3

/ao)

Arabia Saud 4.179.882 874,2UAE 2.066.340 385Kuwait 1.409.000 514Qatar 295.000 108Bahrain 220.571 75Omn 105.000 39

Total 8.275.793 1.995

TABLA 1.4

Capacidad contratada de produccin de agua dulce a partir de agua marina y resto de aguascon los procesos existentes. La capacidad total es de 12,8 y 21 millones de metros cbicosdiarios respectivamente. Datos recogidos en 1996 (Alawadhi, 1999).

Agua de mar Toda clase de aguas

Mundo Golfo Mundo Golfo

% MSF 77,3 64,8 47,6 39,5% RO 13,3 4,7 38,6 10,9% ED 5,2 1,0% VC 4,6 1,5 4,3 1,0% ME 4,6 0,7 4,3 0,5

Total 100 71,7 100 52,9



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1.3.2 Regin del Pacfico y la India

Hay diferentes situaciones en esta regin cuando hablamos de la desalacin, porejemplo Japn y Corea tienen su propia tecnologa que compite en el mercado mun-dial. Por el contrario, Australia y China tienen tecnologa propia, y el resto de pasesnecesitan importarla. Aqu hablaremos de las dos primeras categoras, dejando la In-dia para un prrafo final.

Los recursos naturales son tambin muy variados en esta zona, ya que en algunos pa-ses la disponibilidad se debe a su baja poblacin, y en otros a su elevada pluviome-tra; se puede decir que los problemas de agua en esta zona slo son de formalocalizada. La tabla 1.5 recoge los datos principales referentes a los recursos hdricosde la zona asitica.

Como es de suponer, el uso agrcola supone la mayor porcin consumida en la regin,y el uso domstico depende fuertemente del nivel de vida de cada pas. La tabla 1.6recoge esas tendencias, as como la tabla 1.7 resume la capacidad instalada de lasplantas desaladoras en la regin, mostrando el tipo de procesos de produccin (ver elcaptulo 2). La capacidad es sensiblemente inferior al total de plantas instaladas en elGolfo. En conclusin se intuyen problemas en zonas ampliamente pobladas comoChina, consecuencia de su mejora en el nivel de vida.

TABLA 1.5

Recursos naturales en la regin del Pacfico en el ao 1998 (Goto et al., 1999).

Pas Precipitacin (mm/ao)Poblacin (millones)

Agua disponible (Mm

3

/ao)Agua per cpita

(m

3

/ao)

Australia 465 18,1 100 5.520China 648 1.224 2.813 2.340Japn 1.714 125,6 422 3.360Corea 1.274 46,4 69,7 1.500

TABLA 1.6

Tendencias de uso del agua en la regin del Pacfico (Goto et al., 1999).

Pas (ao) Total(Mm

3

/ao)%

Agricultura%

Consumo humano%

Industria

Australia (1995) 18.600 82,17 10,35 7,47China 87 11 2Japn (1995) 90.700 58,7 17,2 14,8Corea (1996) 23.668 62,85 26,23 10,91

Introduccin

22


En la India hay ms de 200.000 poblaciones con agua no potable, de ellas alrededorde 50.000 tienen problemas de salobridad (con niveles salinos de hasta 4.000 ppm)que afectan a sesenta millones de personas. Adems hay numerosos pueblos conun censo medio de 500 a 1.500 habitantes en zonas montaosas o en deltas de gran-des ros, en los cuales el suministro de agua potable es crucial. En este pas se haninstalado, para consumo local, cientos de pequeas plantas de smosis inversa yelectrodilisis (RO/ED) con una capacidad de diez a treinta metros cbicos porda. Slo existen dos plantas de destilacin por mltiple efecto (MED) de ms de10.000 m

3

/da para abastecer procesos industriales (Prabhakar et al., 1997).

1.3.3 Norte de frica

Es una zona de recursos francamente muy limitados y muy mal distribuidos, ya quenormalmente los recursos estn lejos de los lugares de consumo. En la tabla 1.8 sepueden ver los recursos anuales de esta regin (Al-Gobaisi, 1997). Sin embargo,el agua extrada del subsuelo es una cantidad nada despreciable, tal como se ve en latabla 1.9.

La desalacin es por lo tanto un mtodo ms barato para proporcionar agua sin gran-des obras hidralicas para traer el agua a zonas martimas. Un gran proyecto en estospases avalado por la Agencia Internacional de la Energa Atmica (IAEE) es el deaprovechar aguas residuales para uso agrcola con energa nuclear, aunque no estamaterializado actualmente.

TABLA 1.7

Instalaciones desaladoras en el rea del Pacfico, datos de 1998 (Goto et al., 1999).

Pas Capacidad(m

3

/da) Proceso Uso Agua de alimentacin

Australia 84.00064% RO18% VC12% MSF + ME

45% Industria33% Generacin electricidad15% Municipal

70% aguas salobres18% aguas residuales10% agua de mar

China 182.000 85% RO15% MSF + ME

55% Industria40% Generacin electricidad 5% Consumo humano

50% aguas salobres20% agua pura30% ro, aguas residuales

Japn 129.885

88% RO6.5% ED3.5% MSF1.8% ME

53% Industria47% Abastacimiento de aguas

Principalmente agua de mary aguas salobres

Corea 180.000 > 90% RORest ED100% Industrial incluyendo generacin elctrica

Agua pura > salobre >residual > ro



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La informacin sobre instalaciones de desalacin es ms bien escasa en estos pases,adems su capacidad es casi despreciable si la comparamos con la produccin en elGolfo Prsico. Egipto tiene la mayor capacidad instalada, en torno a los 95.000 m

3

/da(Hassan y Florido, 1999), con plantas de smosis inversa (RO) de 5.000 m

3

/da sustitu-yendo a las MSF (la proporcin actual es de 55% para RO, 40% para MSF y el resto decompresin de vapor (VC). Libia tiene dos plantas de 24.000 m

3

/da y 10.000 m

3

/darespectivamente (VA Tech., 1999) y el sur de Tnez tiene dos plantas de aguas salobresde 12.000 m

3

/da (Cadagua, 1999). Marruecos slo tiene una planta de smosis inversade agua de mar (SWRO) de ms de 1.000 m

3

/da, es la planta de El Aaiun, de7.000 m

3

/da.

TABLA 1.8

Agua disponible en el norte africano en 1995.

PasRecursos hdricos renovables anuales

Total (Mm

3

/ao) Per capita (m

3

/ao)

Argelia 14,8 528

Egipto 58,1 923

Libia

Marruecos 30,0 1.110

Tnez 3,9 443

TABLA 1.9

Necesidades de agua en los paises norteafricanos. Datos de 1990 para Argelia y Tnez, paraEgipto y Marruecos son de 1992 (Al-Gobaisi, 1997).

PasNecesidades de agua

% recursos hdricos Per capita (m

3

/ao) % Agricultura % Industria % Consumo humano

Argelia 30 180 60 15 25

Egipto 97 956 85 9 6

Libia

Marruecos 36 427 92 3 5

Tnez 78 381 89 3 9

Introduccin

24


1.3.4 Estados Unidos y el Caribe

La situacin en los estados de California, Tejas y Florida es preocupante desde elpunto de vista de abastecimiento de agua, ya que son las zonas costeras ms ridasdel pas (las sequas no son infrecuentes en la zona) y tienen una previsin del 45%del crecimiento total de la poblacin estadounidense para el ao 2025. Es necesarioun plan para el aprovisionamiento del elemento lquido en estas zonas en un futuroprximo (Ponce y Jankel, 1999).

Afortunadamente, el consumo de agua en los Estados Unidos (US) ha cado en los 80debido a un uso ms eficiente de la misma. La tabla 1.10 muestra el consumo total encada sector en fechas recientes.

Atenindonos a la desalacin de aguas en los US, sta empez en los 60 con dosplantas MSF en el sur de California y Florida. Posteriormente la smosis inversa seha impuesto, con un crecimiento anual que lo sita en el ms alto del mundo en losaos 1996-1997: 120.000 m

3

/da, que supone un incremento anual en la capacidad to-tal de un 10% a un 20%, con una capacidad total instalada de 900.000 m

3

/da actual-mente (Wangnick, 1998), potabilizando agua salobre la mayora de ellas.

Las islas del Caribe tienen un clima muy clido y una demanda de agua muy alta de-bido principalmente a la presin turstica que sufren. En estas islas la desalacin deagua del mar es la nica forma de mantener una agricultura y un suministro de aguaen condiciones. Ejemplos de plantas desaladoras tenemos en la isla de Antigua, don-de el 50% del agua potable es suministrada por una planta de smosis inversa de aguamarina (SWRO) de 9.500 m

3

/da que sustituye a una planta MED vieja (Barendsen yMoch, 1999); en Nassau (Bahamas) otra planta SWRO de 10.000 m

3

/da (Andrews yShumway, 1999), y nueve unidades MED que producen 30.000 m

3

/da en las IslasVrgenes (Elovic y Willocks, 1999).

1.3.5 rea del Mediterrneo y Europa mediterrnea

La desalacin en Espaa es la ms importante del rea mediterrnea. Empez enEspaa en los primeros aos de la dcada de los 70 en lugares costeros de alta densi-dad de poblacin y poca agua, asegurando as el consumo demandado por el crecienteturismo. Ahora la capacidad instalada es en torno a los 600.000 m

3

/da, con proyectos

TABLA 1.10

Uso del agua en los US en 1995 (Gleick, 1998).

Uso total (Mm

3

/ao) % Pblico % Riego % Termo-industrial

552,1 10,9 39,2 49,9



25

para otros 400.000 m

3

/da de uso urbano en los prximos dos aos. La tabla 1.11muestra el agua desalada en Espaa en 1998. Las plantas desaladoras estn localiza-das en la Espaa seca, o sea, en Baleares, Canarias, Ceuta y la Costa del Sol y del Le-vante. Tres plantas MSF se instalaron en Ceuta (1) y en Las Palmas (2) adems depequeas unidades VC para complejos tursticos privados en los 80. Desde entonces,la smosis inversa se ha impuesto en grandes plantas como se muestra en latabla 1.12.

El uso de aguas residuales para restauracin de paisajes, riego agrcola y llenado deacuferos es tambin muy utilizado en nuestro pas.

Chipre es una isla al este del Mediterrneo con graves problemas de abastecimientode agua, ya que sufre contnuas sequas y no tiene ningn ro importante. La instala-cin de dos pequeas plantas MSF, una MED y una planta RO de 20.000 m

3

/da hanpaliado gran parte de esos problemas (Echaniz et al., 1997). Existe un proyecto deuna planta RO de 40.000 m

3

/da para el final de este ao.

TABLA 1.11

Agua desalada en Espaa en al ao 1998 (Torres y Medina, 1999).

Total(Mm

3

/ao)%

Uso urbano y turismo%

Agricultura%

Industria

Agua de mar 95,3 94,4 5,6

Aguas salobres 126,57 20,4 47,6 32,0

TABLA 1.12

Algunas plantas RO instaladas en Espaa (Cadagua, 1999; Snchez et al., 1997; Fayas yNovoa, 1997; Torres et al., 1999; AECYR, 1999).

Planta Localizacin Capacidad (m

3

/da) Agua de alimentacin

Son Tugores Mallorca 35.000 SalobreMaspalomas Las Palmas 35.000 Salobre/Mar

Marbella

a

a. No operativa.

Mlaga 56.000 MarBaha de Palma Mallorca 42.000 MarArrecife Lanzarote 32.500 MarLas Palmas III Las Palmas 38.000 Mar

Alicante

a

Alicante 50.000 Mar

Introduccin

26


En el resto de pases mediterrneos, la desalacin es menos importante, con pequeasplantas MSF y VC en el sur de Italia (Ophir and Gendel, 1999; Italimpianti, 1999).Grecia, Turqua, Jordania, Israel y Lbano (VA Tech., 1999) tienen tambin pequeasplantas RO.

Finalmente, Alemania y Austria tienen plantas de reciclado de agua residual o de pro-duccin de agua ultrapura para procesos industriales (VA Tech., 1999), sin produciragua para consumo.

En resumen, la desalacin es una de las nicas formas no convencionales de reducirel estrs hdrico de las zonas ms ridas del planeta, aunque sea econmicamente lamenos recomendable (es varias veces ms cara que el resto de formas de obtencin) apesar de los adelantos surgidos en los ltimos aos. Actualmente slo supone una mi-lsima parte del agua dulce en el mundo.

1.4 Desalacin y energa

La desalacin es un proceso de un alto consumo energtico, y no debera ir separadoal proceso de produccin de la misma. Aunque hay un mnimo termodinmico paraconvertir el agua salada en dulce (El-Sayed y Silver, 1980), es necesario ms cantidadde energa en los procesos reales. Desgraciadamente, la mayora de la energa esobtenida de combustibles fsiles (petrleo y gas natural), con lo que las inmensasreservas de los pases del Golfo van disminuyendo paulatinamente. El consumo espe-cfico de un proceso de desalacin debera hacerse en trminos de energa primaria, yno en trminos de consumo elctrico como normalmente dan los suministradores.La tabla 1.13 muestra el consumo primario de los mtodos ms utilizados en el mun-do, dichos consumos son actuales y han evolucionado favorablemente en los ltimosaos.

Como puede verse en la tabla, los procesos de destilacin trmica recuperan en tornoal 80-90 % del calor latente de vaporizacin necesario (2.257 kJ/kg a presin atmos-

TABLA 1.13

Consumo especfico en procesos de desalacin. Datos de varias fuentes (Fisia-Italimpianti,1999; IDE, 1999).

Proceso MSF MED VC

a

a. Energa elctrica producida en una planta con una eficiencia del 30%.

RO

a

Consumo especfico(kJ

combustible/

kg

agua

)400-500200-300

b

b. Proceso de desalacin en una planta con cogeneracin.

350-400200-250

b

100-200 70-9030-50

c

c. Incluyendo sistema de recuperacin de energa en un proceso RO.

Por qu una planta MSF acoplada a una planta de turbina de vapor?


27

frica). Y el proceso de generacin de energa depende mucho en el desalador: siexiste la cogeneracin disminuye mucho el coste del agua dulce. La inclusin de ci-clos combinados la utilizacin de biomasa o combustibles residuales son otra fr-mula para abaratar costes (Tadros y Tadros, 1997).

Prcticamente toda la desalacin consume combustibles fsiles, contribuyendo a sudesaparicin y al cambio climtico asociado a la polucin de su combustin. Si se su-pone que el consumo medio de produccin de agua desalada es de 200 kJ/kg, y unacapacidad instalada en las plantas desaladoras del mundo de 13 Mm

3/da, la desala-cin es el 0.17% del consumo total de crudo anualmente (la produccin anual de cru-do es de 25.000 millones de barriles, con un crecimiento interanual del 2%). Por lotanto si toda el agua dulce se desalara (recordemos que slo es la milsima parte delagua total consumida), el consumo de petrleo para obtener agua excedera el gastoanual actual.

La desalacin a travs de energas renovables es todava una opcin no posible debi-do principalmente a su mayor coste econmico y a la inercia y presin de las grandescompaas desaladoras y productoras de electricidad. Pero con esta tecnologa vamoshacia un futuro no sostenible, al igual que con la mayora de procesos industriales,por lo tanto es necesario un giro radical en busca de una mayor eficiencia en los pro-cesos, minimizacin de los residuos y reduccin del impacto ambiental (Menndez,1997). El concepto de ecologa industrial debe ser aplicado en la desalacin, este con-cepto busca la optimizacin tanto de los materiales como de los equipos, productos yresiduos, empezando desde el material virgen. Energa, recursos y capital deben seroptimizados simultneamente.

1.5 Por qu una planta MSF acoplada a una planta de turbina de vapor?

La cogeneracin permite en los pases del Golfo Prsico satisfacer a la vez de las ne-cesidades de agua la incipiente demanda elctrica de los sistemas de aire acondicio-nado instalados en estas zonas tan clidas, aunque hemos visto en la tabla 1.13 que nosea el mtodo ms eficiente. Otras formas de produccin elctrica como la energanuclear no estn difundidas en estos pases, ensombrecidas por sus inmensas reservasde petrleo y gas. La desalacin o produccin energtica por energa solar est redu-cida a pequea escala, a pesar de las fabulosas posibilidades en la zona.

Hay diferentes configuraciones para acoplar una planta productora de agua y energa:turbinas de vapor, turbinas de gas, ciclos combinados. La cogeneracin slo es posi-ble en procesos de destilacin trmicos (no entendemos como tal acoplar una plantadesaladora de smosis inversa consumiendo electricidad producida en una plantaanexa). En estos ltimos casos los dos procesos pueden estudiarse separadamente.

Introduccin

28 Anlisis termoeconmico y simulacin de una planta combinada de produccin de agua y energa

Esta tesis intenta demostrar la validez del anlisis termodinmico cuando se aplica aun sistema muy complejo. Una de las configuraciones ms utilizadas en desalacin esuna planta combinada con una turbina de vapor (con caldera de gas natural) acopladacon un destilador de evaporacin sbita por efecto flash.(MSF). Esta configuracincontiene las unidades desaladoras ms grandes del mundo (UAE), supliendo el 77%de agua de mar desalada en el mundo y el 82% en el Golfo (Alawadhi, 1999). Al me-nos en los prximos 10 aos este tipo de plantas dominar en el golfo, ya que el otromtodo ms ampliamente utilizado en el mundo, la smosis inversa (RO) no est fa-vorecido en esta zona de alta temperatura y salinidad del agua a desalar. El procesoMSF no es eficiente en s, por lo que es muy interesante a estudiar desde el punto devista de la segunda ley; los mtodos convencionales del anlisis energtico de la pri-mera ley de la Termodinmica se comparan aqu de forma implcita.

Pero la razn de estudiar una planta MSF no es slo su posicin dominante en el mer-cado desalador. Ya hemos visto (tabla 1.13) que el consumo especfico de una MSF esmuy alto, pero desde un punto de vista termodinmico ofrece muchas posibilidadesde ahorro. Otros procesos tales como la compresin de vapor (VC) la smosis in-versa tienen menor consumo, pero el ahorro slo puede buscarse en el proceso desa-lador ya que consumen energa elctrica. La tecnologa MSF puede orientarse porejemplo en la mejora de los evaporadores de tubos verticales (VTE) que permiten eluso de fuentes de energa de baja temperatura (Sephton, 1999; Sephton y Salomon,1997). En el lmite, el calor desperdiciado en un condensador de una planta de poten-cia podra aprovecharse (por lo tanto a coste cero) para producir agua dulce, esto eslgicamente posible slo en plantas combinadas.

Es la primera vez que un profundo anlisis termoeconmico se ha aplicado a unaplanta combinada de produccin de agua y energa. Curiosamente las primeras ideasde la termoeconoma fueron aplicadas a procesos de desalacin en los aos 60(Evans, 1962; Tribus et al., 1960; Tribus y Evans, 1963; El-Sayed y Aplenc, 1970; El-Sayed y Evans, 1970), pero en los 80 la termoeconoma se ha encaminado ms haciaplantas de potencia. En las plantas desaladoras la complejidad de los anlisis se limitaal anlisis exergtico (Hamed et al., 1999; Darwish, Al-Najem y Al-Ahmad, 1993;Al-Sulaiman e Ismail, 1995; El-Nashar, 1993), aunque la optimizacin de sistemas dedesalacin trmicos tambin se ha llevado a cabo (El-Sayed, 1996). En esta tesis lametodologa del anlisis termoeconmico desarrollada en las plantas de potencia seha extendido a una planta dual desaladora, permitiendo el anlisis conjunto de las dosplantas productoras y encontrar las posibles inferencias de los equipos de diferentesplantas.

Anlisis termoeconmico

Anlisis termoeconmico y simulacin de una planta combinada de produccin de agua y energa 29

1.6 Anlisis termoeconmico

Una planta dual es un ejemplo muy claro de un sistema muy complejo para analizar,sobre todo con los diferentes modos de operacin en funcin de la produccin de am-bas plantas. La redistribucin de costes de una planta dual es difcil de obtener, siaplicamos slo tcnicas basadas en el primer principio. Las tcnicas del anlisistermoeconmico permiten entre otras las siguientes posibilidades: Calcular los costes de los flujos y productos de una planta con criterios fsicos. Encontrar alternativas de ahorro de energa. Optimizar la operacin. Optimizar localmente subsistemas equipos. Realizar auditoras energticas y contabilizar el impacto en fuel de malfunciones

(diagnstico de la operacin).El anlisis termoeconmico combina la primera y segunda ley de la Termodinmicaen combinacin con datos econmicos e introduce conceptos nuevos como fuel yproducto, estructura productiva, ahorro exergtico, coste de irreversibilidades, consu-mo adicional de fuel, malfuncin, etc. Los mecanismos de degradacin de la calidadde la energa se traducen en conceptos tales como coste, consumo unitario, malfun-cin El conocimiento ms profundo del funcionamiento de planta incrementa supotencial de mejora en operacin y diseo.Para aplicarse a una planta (dual), el anlisis necesita un simulador que establezca losestados de referencia de la planta en funcin de la carga, modo de operacin, condi-ciones ambientales. Si el sistema de adquisicin de datos no es potente, tambin nosser til para obtener los estados cuando la planta no opera convenientemente.

1.7 Desarrollo de la tesis doctoral

La estructura de la tesis se resume de la siguiente forma: primero los problemas de laescasez de agua se han expuesto en este captulo, incluyendo la calidad y los usos delagua. Despus un pequeo resumen explicando los mtodos de desalacin ms usua-les se aade en el captulo 2. En los captulos 3 y 4 se desarrollan los modelosmatemticos de las plantas desaladoras y de potencia respectivamente, comparndoselos datos de diseo de la planta con el simulador construido en base a estos modelos(captulo 5). El simulador esta construido de forma interactiva para su facilidad demanejo para el usuario.Pero la parte principal de la tesis es la aplicacin del anlisis termoeconmico a unaplanta dual, recogido en el captulo 7. Previamente en el captulo 6 se hace una revi-sin terica de los conceptos y aplicaciones de la termoeconoma. Este captulo pri-

Introduccin


mero construye el modelo terrmoeconmico necesario para el anlisis, eligiendo laestructura productiva ms apropiada que represente a la planta dual. Seguidamente seaplica el anlisis de costes de los flujos principales de planta, que nos permite ver quprocesos o equipos son los ms ineficientes. El diagnstico de operacin es la partems importante y compleja del anlisis, ya que permite ver las interacciones de losequipos de planta y la valoracin de los efectos de dichas interacciones. El simuladores la herramienta principal en el diagnstico, porque permite:

La comparacin del estado de referencia de diseo con el estado de operacin realo con ineficiencias de funcionamiento que pueden ser simuladas en el programa.

Contabilizar los costes extras debidos a dichas ineficiencias, para ello es necesa-rio el anlisis de costes previo.

El anlisis de dichos efectos, buscando alternativas para su correccin.

Para el diagnstico se ha desarrollado una nueva metodologa basada en la Teora Es-tructural y la formulacin matricial que permite tratar de forma ms simple sistemascomplejos, apareciendo nuevos trminos tales como disfuncin, y malfuncin induci-da e intrnseca.

Cuando el diagnstico se ha completado, se ha realizado una nueva aplicacin comoes la optimizacin global de la planta, basada en la optimizacin local de los equipos.En dicha aplicacin es necesario el modelo termoeconmico obtenido previamente.Finalmente, el concepto de buscar el mximo beneficio es introducido para distinguirlos procesos de formacin del coste y precio de un producto.

El captulo 8 contiene las conclusiones y futuras lneas de investigacin relativas aesta tesis doctoral.


CAPTULO 2

Procesos de desalacin

En el captulo 1 se expuso el problema del agua, a la vez que se vi la desalacincomo una de las nicas formas de resorverlo, pero no se incidi en la tecnologa delos diferentes procesos de desalacin. Este captulo hace un detallado resumen de losdiferentes procesos que actualmente se utilizan para producir agua dulce a partir deagua de mar o salobre.

Este captulo clasifica los procesos en funcin del principio de conversin del aguasalada a dulce, as tenemos: Procesos con cambio de fase: Congelacin y destilacin. Procesos con membranas (filtrado): Osmosis inversa y electrodilisis. Procesos qumicos: Intercambio inico.

Los procesos de destilacin y smosis inversa son los actualmente ms competitivosen el mercado, son stos: Evaporacin sbita por efecto flash (MSF). Compresin de vapor mecnica (VC) o trmica (TVC). Destilacin mltiple efecto (MED). Osmosis inversa (RO).Tambin se describen otros procesos que no se han desarrollado a escala industrial de-bido a su bajo consumo/produccin o elevada inversin necesaria, como por ejemplo: Destilacin solar. Congelacin. Electrodilisis. Intercambio inico.


32


2.1 Procesos de cambio de fase: destilacin y congelacin

Ms del 85% del agua desalada es destilada. La desalacin obtenida por destilacinconsiste en evaporar agua para conseguir vapor que no contiene sales (stas son vol-tiles a partir de 300 C): el vapor se condensa posteriormente en el interior o exteriorde los tubos de la instalacin. Los sistemas desaladores suelen funcionar por debajode la presin atmosfrica, por lo que necesitan un sistema de vaco (bombas o eyecto-res), adems de extraccin del aire y gases no condensables.

2.1.1 Evaporacin sbita por efecto flash (MSF)

Como se ha dicho varias veces es el proceso evaporativo ms ampliamente utilizadoen el mundo (Wangnick, 1998), especialmente vlido cuando la calidad del agua adesalar no es buena (alta salinidad, temperatura y contaminacin). Su adaptacin asistemas de cogeneracin favorece su implantacin, aunque su consumo especfico esde los ms altos (de 12 a 24 kWh/m

3

).

La evaporacin por efecto flash se produce cuando un lquido es calentado hasta unatemperatura y mediante una cmara flash provocamos una cada de presin suficientepara que sea menor a la de saturacin a esa temperatura, evaporando parte del aguasalada. En una planta convencional, el agua salada es calentada gradualmente por elinterior de los tubos de los intercambiadores de la MSF, hasta llegar a un calentadorfinal que usa como fludo caliente la condensacin de un vapor proveniente de laplanta de potencia. Posteriormente, el agua salada entra de nuevo en los intercambia-dores, donde en su parte baja tenemos la cmara flash que provoca la evaporacinparcial del agua salada. Ese vapor condensa calentando el agua que circula por el in-terior de los tubos y es recogido en un canal; la pureza de esta agua es casi total anpartiendo de aguas de ms de 50.000 ppm. El agua salada no evaporada pasa a la si-guiente etapa ms concentrada, por lo que al final del proceso parte de dicha salmueraes tirada de nuevo al mar. Normalmente hay recirculacin en el proceso para reducirel consumo de agua de entrada a desalar. La figura 2.1 explica el proceso de formams esquematizada.

La operacin de una planta MSF est limitada por dos temperaturas: la mxima tem-peratura del agua salada (TBT) y la temperatura de la ltima etapa. La TBT dependede la calidad del vapor suministrado externamente, de la prevencin de la formacinde scale y de la concentracin de esa agua y el tipo de sales disuelta en ella. Sin em-bargo, en la temperatura de la ltima etapa influyen slo la temperatura de entrada delagua de mar y de la presin que el sistema de vaco puede mantener en esta etapa.

Procesos de cambio de fase: destilacin y congelacin


33

FIGURA 2.1

Descripcin general de una planta MSF con recirculacin de salmuera.


34


El parmetro de operacin bsico de una MSF es el GOR (a veces llamado tambinPR) o cociente de funcionamiento (toneladas de agua dulce producidas por toneladasde vapor consumido). En la prctica un GOR de doce es el lmite. La produccindepende lgicamente del caudal de agua bruta introducida y del salto trmicodisponible (la diferencia entre las dos temperaturas antes comentadas). Tericamenteel nmero de etapas no es influyente para un GOR dado, pero el nmero de etapasdetermina el rea de intercambio de calor y por lo tanto para una produccin dada esnecesario un nmero de etapas ms o menos fijado. Normalmente se disean en tornoa veinte etapas con una diferencia entre etapas de unos 3 C.

2.1.2 Destilacin por mltiple efecto (MED)

La evaporacin en este proceso ocurre en una de las superficies de un intercambiador,al contrario que en el proceso MSF, aprovechando el calor latente desprendido por lacondensacin del vapor en el otro lado del mismo. Una planta MED tiene varias eta-pas conectadas en serie a diferentes presiones de operacin, en la figura 2.2 la prime-ra etapa condensa por el interior de los tubos el vapor de proceso, produciendo en sucondensacin la formacin de una cantidad de agua salada evaporada que ha sidoproporcionada en forma de ducha horizontal. El vapor formado pasa a la siguienteetapa condensndose en el interior de los tubos y produce una nueva porcin de aguadulce, lgicamente esto ocurre a menor presin. El consumo especfico de este tipode plantas es menor que las MSF (en torno a los 10-15 kWh/m

3

de agua producida).

La primera etapa se nutre de vapor externo de un sistema recuperativo, una turbina decontrapresin (o extraccin de una de condensacin). Tambin pueden usarse com-presores trmicos para mejor rendimiento de la planta, donde un vapor a media pre-sin recoge parte del vapor generado en la ltima etapa y se comprime para laprimera etapa. Un condensador final recoge el agua dulce en la ltima etapa precalen-tando el agua de aportacin al sistema.

La mayora de las plantas MED contienen evaporadores horizontales. Pero tambinexisten evaporadores de tubos verticales (VTE), llamados normalmente falling film,es decir, una delgada pelcula de agua salada va cayendo por el interior de los tuboshasta evaporarse parte de la misma, condensndose el vapor generado de la etapa an-terior en el exterior de los tubos (ver figura 2.3). En general, su eficiencia es mayorque los de tubos horizontales pero su coste tambin lo es, ya que necesitan menor su-perficie de intercambio para producir la misma cantidad de destilado.



35

FIGURA 2.2

Destilacin mltiple efecto (MED) con compresin trmica de vapor (TVC).


36


FIGURA 2.3

Proceso MED con evaporador de tubos verticales (VTE).



37

2.1.3 Compresin de vapor (VC)

La termo-compresin (TVC) o compresin mecnica de vapor (VC) evapora unlquido, en este caso el agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y secomprime lo suficiente para que condense en el otro lado y pueda mantenerse el ciclode destilacin de agua salvando las prdidas del proceso y la elevacin de latemperatura de ebullicin del agua salada respecto a la pura (BPE). En la figura 2.4podemos ver el esquema de un compresor de vapor acoplado a un intercambiador detubos verticales (VTE) de una nica etapa, simplificando todos los elementosauxiliares podemos ver que el vapor interior de los tubos es comprimido a presinatmosfrica en torno a 0,2 bares (un sobrecalentamiento de unos 5 C) en uncompresor volumtrico especial para trasegar vapor. El vapor ligeramentesobrecalentado se condensa en el exterior de los tubos del intercambiador, siendorecolectado por una bomba en su parte inferior. Como se puede observar, si elproceso fuera ideal slo deberamos vencer la BPE para mantener el proceso, aunqueno es posible realmente (hay prdidas de calor y presin, bombas de circulacin, etc);en todo caso el consumo especfico de estas instalaciones es el ms bajo de losprocesos de destilacin: habitualmente el consumo est sobre los 10 kWh/m

3

.

Normalmente existen intercambiadores de precalentamiento del agua de aporte con eldestilado y la salmuera tirada al mar, ayudados por una resistencia elctrica en losarranques, as como todos los dispositivos de tratamiento de agua anteriores yposteriores al proceso de destilacin.


38


FIGURA 2.4

Diagrama de la compresin de vapor (VC) con evaporador de tubos verticales (VTE).



39

2.1.4 Destilacin solar

Los colectores solares son el mtodo ideal para producir agua en zonas ridas y muyaisladas del resto de poblaciones. A pesar de tener un coste energtico nulo, su bajarentabilidad reside en su escasa produccin por metro cuadrado de colector: tan slopueden destilarse unos litros al da. Por lo tanto no se han desarrollado a gran escalaen lugares con un consumo elevado de agua dulce.

Hay varias formas de producir agua dulce usando la energa solar, en este prrafo nosceiremos a la destilacin por colectores (ver figura 2.5). El principio bsico es el delefecto invernadero: el sol calienta una cmara de aire a travs de un cristaltransparente, en cuyo fondo tenemos agua salada en reposo. Dependiendo de laradiacin solar y otros factores como la velocidad del viento (que enfra del vidrioexterior), una fraccin de esta agua salada se evapora y se condensa en la cara interiordel vidrio. Como dicho vidrio no es horizontal, las gotas caen en un canal que varecogiendo dicho condensado. Aunque pueden utilizarse tcnicas de concentracin delos rayos solares apoyndose en lentes o espejos (parablicos o lisos), no suelencompensar las mayores prdidas que ello acarrea.

FIGURA 2.5

Esquema de un colector solar para destilacin.

Pero la energa solar tambin puede ser la fuente de energa de un proceso de destila-cin, incluso de produccin elctrica para pequeas instalaciones de smosis inversa.Por ejemplo, el uso de colectores de concentracin parablicos (PTC) puede usarseen procesos MSF (Garca y Gmez, 1999) o MED (Garca, Palmero y Gmez, 1999)dependiendo de los costes energticos, de los colectores que son los que determinan

Solar energy

Glass

Vapor

Distilled water Distilled waterInsulation

Salt water

Condensed vapor


40


la produccin de agua por metro cuadrado de PTC (de media producen 10 m

3

de aguadulce por metro cuadrado de colector) y factores climticos tales como el porcentajedel da en que la planta consume energa solar (factor solar SF). Como se puede ver elgran problema de estas instalaciones es que no evita la instalacin convencional paraproducir agua dulce en circunstancias climatolgicas adversas.

2.1.5 Proceso de congelacin

Este proceso consiste en congelar el agua y recoger los cristales de agua pura forma-dos para fundirlos y obtener un agua dulce independientemente de la concentracindel agua inicial. Aunque pueda parecer un proceso muy sencillo tiene problemas deadaptacin a la hora de implantarse a escala industrial, ya que el aislamiento trmicopara mantener el fro y los mecanismos para la separacin de los cristales de hielo de-ben mejorarse para que este proceso sea algn da competitivo, as como adaptar latecnologa a intercambiadores de fro. No se ofrecen datos del consumo especfico deeste proceso porque slo existen experimentos de pequea escala no extrapolables ala realidad.

2.2 Procesos con membranas

2.2.1 smosis inversa

La smosis es un proceso natural que ocurre en plantas y animales, de formaesquemtica (figura 2.6) podemos decir que cuando dos soluciones con diferentesconcentraciones se unen a travs de una membrana semipermeable (es decir, permiteel paso de agua pero no de sales), existe una circulacin natural de la solucin menosconcentrada para igualar las concentraciones finales, con lo que la diferencia de alturaobtenida (suponemos los recipientes de cada soluto al mismo nivel) se traduce en unadiferencia de presin, llamada osmtica.

Sin embargo aplicando una presin externa que sea mayor a la presin osmtica deuna disolucin respecto de otra, el proceso se puede invertir, haciendo circular aguade la disolucin ms concentrada y purificando la zona con menor concentracin,obteniendo finalmente un agua de pureza admisible (aunque no puede compararsecon la de los procesos de destilacin). Por eso es altamente recomendable para lafiltracin de aguas salobres, en las que la cantidad de sal a rechazar es mucho menorque en aguas marinas. La cantidad de permeado depende de la diferencia de presionesaplicada a la membrana, sus propiedades y la concentracin del agua bruta. Lasalmuera rechazada normalmente se tira al mar otra vez o se usa para calentamientosauxiliares.

Procesos con membranas


41

FIGURA 2.6

Reverse osmosis process.


42


Aunque su principio de funcionamiento es muy sencillo, una planta RO es muchoms compleja que una membrana y una bomba, por ejemplo las membranas seensucian muy fcilmente con la operacin continuada y necesita un pretatamientointensivo (mucho mayor que en los procesos de destilacin), que comprende entreotros (ver figura 2.7):

Clorado para reducir la carga orgnica y bacteriolgica del agua bruta.

Filtracin con arena para reducir la turbidez.

Acidificacin para reducir el pH y limitar la formacin de depsitos calcreos.

Inibicin con polifosfatos de la formacin de sulfatos de calcio y bario.

Declorado para eliminar el cloro residual.

Cartuchos de filtrado de partculas de Fe

++

por oxidacin de iones.

El sistema de bombeo no suele ser problemtico en esta instalacin. Los mdulos demembrana suelen ser de dos tipos: los de fibra hueca y los de fibra en espiral,diseados ambos para contener el fluido en alta presin en el menor volumen parauna superficie de membrana dado. Las membranas de espiral estn arrolladas entorno a un tubo central perforado que recoge el producto; el agua salada circula encanales separados en una direccin, estos elementos tienen de 30 a 120 cm de largo yde 10 a 30 cm de dimetro; pueden montarse en tubos telescpicos entre elementosadyacentes para formar mdulos, que pueden conectarse en serie o paralelo. Lasmembranas de fibra hueca contienen un gran nmero de ellas tan finas como el pelohumano con su punta pegada a una resina epoxy y mantenidos en una vasija apresin. El agua salada presurizada circula por fuera de las fibras mientras el filtradocircula por el interior de las mismas hacia el final de la fibra donde se recoge elpermeado de los miles de fibras; contienen ms superficie por unidad de volumen quelas espirales, por lo que suelen ser ms usadas que las anteriores.

El consumo especfico de una instalacin de smosis inversa es el menor de los estu-diados hasta ahora (6-8 kWh/m

3

), pero se puede usar la salmuera rechazada a altapresin para recuperar incluso parte de la energa necesaria para bombear el agua bru-ta a una presin mayor que la osmtica correspondiente a su concentracin: se puedeutilizar una turbina Pelton convencional con un ahorro medio del 40%(Calder, 1999); o bien utilizar un intercambiador de presin (PE), que por el principiodel desplazamiento positivo presuriza parte del agua bruta con la salmuera a presinrechazada en el proceso y permite ahorros de hasta el 50-65% en el consumo (Haugey Ludvigsen, 1999).



43

FIGURA 2.7

Desalacin por smosis inversa (RO) con turbina Pelton.


44


2.2.2 Electrodilisis

Este proceso permite la desmineralizacin de aguas salobres haciendo que sus ionesde diferente signo se muevan hacia zonas diferentes gracias a un campo elctricocreado con una diferencia de potencial aplicada sobre electrodos, y utilizando mem-branas selectivas que permitan slo el paso de los iones en una solucin electrolticacomo es el agua salada.

El proceso puede verse claramente en la figura 2.8, donde los iones van a los diferen-tes compartimentos atrados por los electrodos del signo contrario, dejando en cubasparalelas el agua pura. Sin embargo, este proceso slo funciona para aguas salobresde uno a tres gramos por litro de sal en el agua, con un rechazo en torno al 75% y unconsumo especfico nfimo, de alrededor de 1 kWh/m

3

(datos de De Armas, Torrent yVon Gottberg, 1999). Fuera de estos rangos de operacin el consumo de dispara y noes competitivo bajo ningn concepto.



45

FIGURA 2.8

Proceso de electrodilisis.


46


2.3 Procesos qumicos

2.3.1 Intercambio inico

Las resinas de intercambio inico son sustancias insolubles. En contacto con una so-lucin, intercambian iones con la sal disuelta. Hay dos tipos de resinas: aninicas quesustituyen aniones del agua por iones OH (permutacin bsica); y resinas catinicasque sustituyen cationes por iones H+ (permutacin cida).La desmineralizacin por intercambio inico proporciona agua de gran calidad si laconcentracin de sal no excede 1 g/l. Es a veces usada para acondicionar aguas paracalderas a partir de vapores recogidos o acuferos, de poca salinidad pero con altocontenido en calcio y magnesio. Las resinas normalmente deben ser regeneradas nor-malmente con agentes qumicos para sustituir los iones originales y los fijados en laresina. Las resinas y agentes qumicos deben cambiarse regularmente, lo que aumen-ta su coste y lo hace impracticable para desalacin de agua de mar.

2.4 Resumen

Se ha dado un resumen del estado actual de la tecnologa en desalacin, conteniendoel principio de operacin, la instalacin tpica, parmetros caractersticos, ventajas ydesventajas y rango de aplicacin para cada mtodo. El proceso MSF no es slo elms ampliamente utilizado, sino que permite la conexin de diferentes fuentes deenerga (solar, turbinas de vapor y gas, ciclos combinados), que permiten un estu-dio conjunto de las posibilidades de ahorro energtico en el proceso. La termoecono-ma permite dicho estudio desde el punto de vista de la segunda ley de laTermodinmica.


CAPTULO 3

Modelo estacionariode la planta MSF

Ya hemos dicho que el proceso MSF es el ms extendido y utilizado en el mundo,normalmente acoplado a plantas de generacin de electricidad como una turbina devapor. En este captulo se va a describir el modelo matemtico de la MSF, incluido enel simulador de la planta combinada de produccin de agua y energa necesario parael anlisis termoeconmico de dicha planta, que permite calcular los estados termodi-nmicos de la planta desaladora para diferentes condiciones de entrada y operacin.

El modelo ha sido desarrollado con datos de diseo e incorpora datos reales de plantaque permiten un ajuste de las condiciones reales de operacin. El modelo est orienta-do al anlisis de resultados y no al diseo, por lo que proporciona gran cantidad de re-sultados en base a unos datos de entrada, de dichos datos son especialmenteinteresantes los parmetros significativos de la MSF (GOR, TBT, consumo especfico,etc.).

La estructura del captulo es de la forma siguiente:

Primero hay una descripcin del proceso MSF y los parmetros bsicos de opera-cin.

Luego se incluye el modelo matemtico con las ecuaciones del modelo.

Despus se detalla el mtodo de resolucin del mismo.

Finalmente se explican las opciones adicionales del modelo incorporadas en elsimulador.

Modelo estacionario de la planta MSF

48


3.1 Descripcin del proceso y la planta MSF

Hay varios tipos de plantas MSF, y son tres las caractersticas principales que sirvenpara distinguirlos: el tipo de circulacin, el tratamiento qumico y la configuracin detubos. Nuestra planta a estudio tiene recirculacin de salmuera, tratamiento anti-scalea altas temperaturas y configuracin de tubos cruzados, la configuracin ms tpica delas MSF. Tiene veinte etapas (evaporadores de efecto simple) donde se condensan2.400 m

3

/h de agua con un ciclo de turbina de vapor para producir electricidad. Estetipo de plantas (se muestra un esquema en la figura 3.1) suele contener tres partesprincipales: la seccin de entrada de calor (brine heater), la seccin de recuperacinde calor (recovery section) y la seccin de desecho del calor (reject section). Las dosltimas contienen una serie de etapas que constan de una cmara flash y un condensa-dor; el vapor generado por la cmara flash pasa por el difuminador de vapores (de-mister) que no permite el paso de burbujas a la zona superior del condensador. Bajo elcondensador se encuentra el canal de recogida del destilado.

FIGURA 3.1

Diagrama esquemtico de una MSF con recirculacin de salmuera.

Siguiendo el esquema de la figura 3.1, la alimentacin de la planta SR se calienta porel interior de los tubos en la seccin de rechazo, llamada as porque es donde se tiraparte del calentamiento innecesario de la planta (agua bruta tirada CW). El resto delagua salada (llamado make-up, F) precalentada pasa por un desgasificador y se mezclacon una porcin de la salmuera de la ltima etapa (la otra porcin blowdown, BD estirada al mar) para conseguir finalmente el caudal de recirculado R que se calienta enla seccin de recuperacin de calor (recovery section). Dicho caudal sale de esta sec-cin (a una temperatura llamada T

F,1

en la figura 3.1) y se calienta hasta la temperaturade saturacin (mxima temperatura de la salmuera, TBT) de la primera etapa de la sec-cin de recuperacin en el brine heater, que consume vapor de la planta de potencia.Este caudal es el que flashea sucesivamente en las etapas en cascada de la seccin derecuperacin de calor y luego de la seccin de rechazo. Cuando la temperatura de ali-mentacin de la planta es menor de 25 C hay recirculacin de agua del flujo CW para

Descripcin del proceso y la planta MSF


49

mantener como mnimo ese lmite para una mejor operacin. Las plantas sin recircula-cin no distinguen zona de recuperacin de calor y de rechazo, y en general tienen me-nor eficiencia.

La circulacin del vapor flasheado dentro de una etapa puede verse en la seccintransversal de una etapa cualquiera (tanto de la seccin de recuperacin como la derechazo) mostrada en la figura 3.2, con el haz de tubos de condensado que contieneen su parte superior una extraccin de gases no condensables, y los difuminadores devapores a ambos lados del haz.

FIGURA 3.2

Seccin transversal de una etapa de la MSF.

Para plantas de recirculacin, el caudal de reciclado suele ser diez veces el caudaldestilado, que a su vez es ms o menos otras diez veces el caudal de vapor consumidopor la planta desaladora. Pero la operacin de la planta MSF se ve mucho ms clara-mente en la figura 3.3, donde se ven los perfiles de temperatura de los tres flujos de laplanta mientras circulan por las distintas secciones de la misma: salmuera fra, desti-lado y salmuera flash. Aunque en la figura 3.3 pueda parecer que la diferencia de tem-peraturas entre la salmuera fra y la que flashea es constante en todas las etapas, no escierto en la realidad. En general, la diferencia de temperaturas en una etapa cualquie-ra consta de varios trminos:

a) Diferencia de temperatura entre etapas (

T): es el cambio de temperatura decualquiera de los dos fluidos en la etapa.

b) Diferencia de temperaturas del condensador (

T

C

): es la diferencia de tempera-tura debido a un intercambio de calor no ideal en el condensador, es decir, la sal-muera interior nunca puede alcanzar la temperatura del vapor flasheado, ya queeso implicara un coeficiente de intercambio de calor infinito.

c) Cada del presin en el difuminador de vapor: el paso por el difuminador suponeunas prdidas de carga traducidas a una diferencia de temperatura (

T

P

).

Tube bundle

Distillated

Flash boxFlashing brine

Vapor

Demister

Roof


50


d) Elevacin el punto de ebullicin del agua salada respecto del agua pura a unapresin cualquiera (BPE), esta elevacin suele ser menor de 1 C pero dependede la concentracin del agua salada.

e) Situacin de desequilibrio (NEA): la salmuera flasheada disminuye la presin alentrar en una nueva etapa; si estuviera siempre en ella llegara a la temperatura desaturacin y flasheara mucha ms cantidad de la que realmente lo hace.

FIGURA 3.3

Perfil de temperaturas tpico en una MSF.

El consumo energtico de una MSF se puede expresar en el ratio de funcionamiento(PR, a veces tambin llamado GOR, se diferencian en que el PR tiene normalizado elcalor latente de vaporizacin del condensado en el heater), que definen la cantidad deagua producida por kilo de vapor consumido en el proceso, un PR de ocho suele sernormal en plantas convencionales. Una variable similar a las anteriores es el aporte deenerga por kg. de agua destilada producida o consumo especfico (NC). Como puedesuponerse, el ratio de funcionamiento aumenta con el margen de temperaturas deoperacin (

T, la diferencia entre la TBT y el agua de alimentacin T

sea

), aunque am-bas temperaturas estn limitadas por la formacin de depsitos calcreos (scale) y porel ambiente respectivamente. La superficie de intercambio y la suciedad de los tubostambin son factores a tener muy en cuenta en los ndices de operacin de la MSF.

3.2 Modelo matemtico de la unidad MSF

La modelizacin de una planta MSF ha sido llevada a cabo por muy diversos autores(Barba, Liuzzo y Tagliaferri, 1973; Darwish y Aranzzini, 1989; Itahara y Stiel, 1968;Beamer y Wilde, 1971; Coleman, 1971; Al-Owais, Nijhawan y Budhijara, 1989;Helal, Medani y Soliman, 1986; Al-Mutaz, 1989; Alhumaizi, 1997; Hayakawa, Satoriy Konishi, 1973; Glueck y Bradshaw, 1970; Rautenbach y Buchel, 1979; Husain etal., 1993; Husain et al., 1994; Falceta y Sciubba, 1997). En el simulador SIMTAWque se presentar en el captulo 5 se desarrolla un modelo relativamente simple con

Brineheater Heat recovery

Heat rejection

Blowdown + distillate

Feedwater Tsea

Make-upCoolingrejectDistillate

Flashing brine

Brine recirculation

TF1

TS TBo

Modelo matemtico de la unidad MSF


51

los balances de masa, de materia, de energa y de transmisin de calor de las etapas dela planta, siguiendo la nomenclatura escogida por Helal et al. (1986) en la descripcinde las mismas, y que aparece en la figura 3.4. Las simplificaciones ms notorias delmodelo son:

a) El destilado se supone de pureza total (0 ppm).b) Las condiciones de funcionamiento del calentador de salmuera o brine heater son

vapor saturado a la entrada y lquido saturado en su salida del lado vapor. Nor-malmente el vapor viene de la turbina de vapor ligeramente sobrecalentado, y serecircula parte del condensado para reducir su consumo innecesario.

c) No se tiene en cuenta el efecto del nivel de salmuera en las etapas ni se modela elproceso de paso de la salmuera a etapas sucesivas.

Las ecuaciones del modelo se muestran en los siguientes apartados, distinguiendo lassecciones de recuperacin de calor y rechazo, el calentador de salmuera y equipos nofsicos para modelar procesos de mezcla y separacin de flujos.

3.2.1 Modelo de etapa

Teniendo en cuenta la nomenclatura de la figura 3.4 para la etapa j tenemos las si-guientes ecuaciones en estado estacionario:

FIGURA 3.4

Etapa tipo en una MSF.

Balance de energa en la cmara flash:

B

j1

Hb

j1

= B

j

Hb

j

+ (B

j1

B

j

) Hv

j

(3.1)

RTF,jCR

Dj1TD,j1

Bj1TB,j1CB

,j1

RTF,j+1CR

DjTD,j

Bj, flow rateTB,j, temperatureCB,j, concentration

jth Stage

Flashing brine

Distillate

Cooling brine


52


donde B

j

es el caudal de salmuera que sale de la cmara flash de la etapa j, Hb

j

su en-

talpa (funcin de la temperatura y la concentracin), Hv

j

es la entalpa del vapor sa-turado en esta etapa.

Balance de materia:

B

j1

+ D

j1

= B

j

+ D

j

(3.2)

siendo D

j

el caudal destilado en la etapa j.

Balance de sal:

B

j1

C

B,j1

= B

j

C

B,j

(3.3)

con C

B,j

la concentracin tpica (tanto por uno) de cada etapa.

Balance de energa global:

R CP

R,j

(T

F,j

T

F,j+1

) = D

j1

CP

D,j1

(T

D,j1

T*)

+ B

j1

CP

B,j1

(T

B,j1

T*) D

j

CP

D,j

(T

D,j

T*)

B

j

CP

B,j

(T

B,j

T*) (3.4)

donde R es el caudal de recirculado (sera SR en la seccin de rechazo), CP

R,j

, CP

B,j

y CP

D,j

son respectivamente los calores especficos de la salmuera interior de los tu-bos, salmuera que flashea y agua pura, T* es la temperatura de referencia (0 C), yT

F,j

, T

B,j

y T

D,j

son las temperaturas de los fluidos mencionados anteriormente (en sumismo orden).

Ecuacin de transferencia de calor en el condensador:

(3.5)

siendo A

j

el rea total del condensador, U

j

su coeficiente de intercambio global. Esteltimo valor depende de varias resistencias al paso del calor, por lo que puede definir-se de la forma:

(3.6)

donde R

bi

es la resistencia a la circulacin interior en los tubos, dada por la ecuacin:

TD j, TF j 1+,TD j, TF j,

----------------------------------

Uj AjR CPR j,-----------------------

exp=

Uj1

Rbi Rw Rc Rf+ + +----------------------------------------------=



(3.7)

con OD y ID los dimetros exterior e interior respectivamente, y hi es coeficiente deconveccin interior para flujo turbulento en el interior de tubos, que se muestra en lasiguiente ecuacin:

(3.8)

siendo E el factor que depende del acabado superficial (1.0 para tubos lisos), Re es elnmero de Reynolds del flujo tubular y Pr es el nmero adimensional de Prandtl delflujo.Rw es la resistencia de conductividad del tubo metlico, para tubos cilndricos es de laforma:

(3.9)

apareciendo dlm como el dimetro logartmico medio del tubo, definido as:

(3.10)

kw es la conductividad del material del tubo y t su espesor. La resistencia de la pelcu-la de condensado que se forma en el exterior del condensador Rc se obtiene as:

(3.11)

con hc el coeficiente de transmisin de la pelcula de condensado obtenido de la co-rrelacin de Nusselt:

(3.12)

donde k es la conductividad trmica del condensado, y su densidad y viscosidad,fg el calor latente de vaporizacin, n es el nmero de filas de tubos en la carcasa delcondensador. Tfm es la diferencia de temperatura de la pelicula (Ts-Tw), donde Ts yTw son las temperaturas de saturacin y exterior del tubo. Finalmente g es la acelera-cin de la gravedad. Las propiedades del condensado se evalan normalmente a latemperatura de pelcula Tfm definida como

Rbi1

hbi-------

ODID---------=

hbi E 0.023k

ID------ Re0.8 Pr0.4=

Rwt OD

kw dlm-------------------=

dlmOD ID

ODID---------ln

---------------------=

Rc1hc-----=

hc 0.729 =k3 2 g fg

n OD Tfm--------------------------------- 0.25



Tfm = Ts 0.5 (Ts Tw) (3.13)

Rf es la resistencia de ensuciamiento (fouling), que incluye la capa interna, externa yla resistencia posible de gases no condensables. Normalmente es muy difcil de eva-luar y suele obtenerse de los proveedores, pero depende de los materiales, naturalezade los fluidos de intercambio, tratamientos y sistemas de limpieza aplicados en losintercambiadores.

Correlacin entre las temperaturas de la salmuera flasheada y destilado:

(3.14)

como ya hemos visto, BPE es la elevacin del punto de ebullicin del agua salada res-pecto de la pura, NEA es el desequilibrio en cada etapa, y PL son las perdidas en elcondensador y el difuminador de vapores.

3.2.2 Modelo del calentador de salmuera (brine heater)

En la figura 3.5 se muestra el esquema y la nomenclatura para las ecuaciones que semuestran posteriormente

FIGURA 3.5 Seccin de entrada de calor (heater).

Balances de masa y de materia:

, and (3.15)

con Bo el caudal de salmuera a la salida del calentador, CB,o su concentracin y CR laconcentracin de la salmuera interior de los tubos en la seccin de recuperacin de calor.

TB j, TD j, BPE NEA PL+ + +=

Heat recovery section

Saturated steam

Saturated liquid

Brine heaterStage 1

BoTB,oCB,o

RTF,1CRmST

TS

B0 R= CB o, CR=



Balance de energa global:

(3.16)

donde los trminos no conocidos son TB,o, que es la temperatura de salida de la sal-muera en el calentador (o TBT), CPH es el calor especfico medio de la salmuera en elinterior del calentador, mST es el caudal de vapor extrado de la planta de electricidad,y ST el calor latente de vaporizacin de ese vapor (recordemos que hemos supuestovapor saturado a la entrada del lado vapor del calentador)

Ecuacin de transferencia de calor:

(3.17)

AH es el rea de intercambio del calentador, UH su coeficiente de transferencia global,que contiene los mismos trminos que los intercambiadores anteriormente menciona-dos en la seccin 3.2.1. TS es la temperatura de saturacin del vapor de proceso.

3.2.3 Modelo del mezclador y separador de salmuera

La modelizacin de estos dos componentes que fsicamente no existen en la MSF serealiza para mantener la ltima etapa de la seccin de rechazo con unos parmetroscaractersticos iguales al resto de etapas, aunque no funcione como ellas. En efecto,aunque en una MSF real la salmuera concentrada (BD) se extrae ms o menos delcentro de la etapa final, nosotros suponemos que se hace al final de la misma, y des-pus se mezcla el resto con la salmuera precalentada y desgasificada (F) provenientede la seccin de rechazo que no ha sido tirada al mar. Nuestro modelo se aclara en lafigura 3.6 y (BN) se implementa con las siguientes ecuaciones:

Balance de materia en el mezclador:

(3.18)

donde BN es la salmuera flasheada en la ltima etapa de la seccin de rechazo y BDes el rechazo de salmuera concentrado que se tira al mar.

R CPH TB o, TF 1,( ) mST ST=

TS TF 1,TS TB o,-----------------------

UH AHR CPH--------------------

exp=

BN BD( ) CB N, F CF+ R CR=



FIGURA 3.6 Esquema del modelo del mezclador y separador de salmuera.

Balance de masa en el mezclador:

R = F + BN BD (3.19)

Balance de energa en el mezclador:

R HbR = (BN BD) HbN + F HbDR (3.20)

siendo HbN, HbDR y HbR las entalpas de la salmuera saliendo de la seccin de recha-zo, del desgasificador y de recirculacin respectivamente.

Balance de masa en el separador:

CW = SR F (3.21)con SR el agua salada de alimentacin a la planta, despreciando el sistema de recircu-lacin de agua fra cuando el mar est por debajo de 25 C (raramente en el GolfoPrsico).

3.3 Ecuaciones auxiliares

Las propiedades termodinmicas del agua salada se incluyen aqu, proporcionadaspor diversos autores, aunque existen manuales tcnicos que incluyen la mayora delas propiedades necesarias para nuestro modelo (Fabuss y Korosi, 1968; Hmig,1978). La mayora de ellas ya han sido contrastadas en otros modelos (Helal et al.,1986) con la suficiente precisin. Para el agua/vapor se toman las mismas propieda-des que las del captulo 4, pero tambin se usan las que aparecen en el Anexo 2 (en laversin inglesa de la tesis).

18 19 20 SRSeawater inlet

D, Distillate

F, Make-up

Deareator

CWReject seawaterBDBlowdown

R, Recycle brine

Rejection section

Ecuaciones auxiliares


3.3.1 Densidad

La expresin para la densidad del agua salada b (lb/ft3) para un rango de 0 al 26% desu concentracin en peso Cb y 40 a 300 F de temperatura Tb es dada por Mothershed(1966), que es tambin vlida para el agua pura cuando suponemos Cb = 0. Otras co-rrelaciones vlidas pueden encontrarse en Chen et al. (1973).

(3.22)

3.3.2 Viscosidad

Los datos tabulados e interpolados de Lewis y Randall (1961) para una mezcla deagua y sal a una temperatura Tb (de 0 a 120 C) y concentracin Cb (de 0 a 20%) per-miten saber con buena precisin la viscosidad de esta mezcla b (Ns/m2). Existenotras correlaciones como las de Leyendekkers (1979) o Isdale, Spence y Tudhope(1971).

(3.23)

3.3.3 Conductividad trmica

Datos tabulados de Lewis y Randal (1961) se interpolan cada 10% de concentracinpara diferentes temperaturas, resultando la ecuacin siguiente:

(3.24)

La conductividad trmica kb (W/mK) es ligeramente menor que el agua dulce. Yusu-fova et al. (1978) tambin proporciona una buena correlacin de esta propiedad.

3.3.4 Calor especfico

El calor especfico del agua salada CPb (Btu/lb F) se muestra en la ecuacin (3.25)como una funcin del calor especfico CPd del agua pura (ecuacin 3.26) y la concen-tracin de sal en la mezcla Cb (Bromley et al., 1970). El rango de temperaturas Tb dela correlacin es de 50 a 300 F.

b 62.707172= 49.364088+ Cb 0.43955304 102 Tb

0.032554667 Cb Tb 0.46076921 104 Tb

2

0.63240299+ 10 4 Cb Tb2

b 1.745 2.5Cb+( ) 10 3 5.26 4Cb+( ) 10 5 Tb=9 10 7 Tb

2 8 10 9 Tb3 3 10 11 Tb

4++

kb 0.569118 0.00184086 Tb 7.289 106 Tb

2+( ) 1 0.2 Cb( )=



(3.25)

(3.26)

3.3.5 Entalpa

La entalpa del agua salada Hb (o Hb tambin en BTU/lb) se obtiene integrando el ca-lor especfico desde la temperatura de referencia (273,15 K) hasta la temperatura de-seada Tb:

(3.27)

donde

a = 1 Cb 0,011311

a1 = a 1,0011833

3.3.6 Presin de saturacin

La correlacin de Antoine calcula la presin de saturacin del agua ps en funcin dela temperatura T (usando los coeficientes para el agua de Reid, Prausnitz y Sherwood,1977):

(3.28)

CPb 1.0 Cb 0.011311 0.0000146 Tb( ) CPd=

CPd 1.0011833 6.1666652 105 T 1.3999989 10 7 T2+=

1.3333336 10 9 T3+

Hb a1 Tb T*( ) a2 Tb T*( ) a3 Tb T*( )3+ +=a4 Tb T*( )4 a5 Tb T*( )5+ +

a21.1473561 10 5 6.1666652 10 5 a

2-----------------------------------------------------------------------------------------------=

a31.3999989 10 7 7.0669983 10 10 a

3-------------------------------------------------------------------------------------------------=

a41.3333336 10 9 1.6043987 10 12 a

4-------------------------------------------------------------------------------------------------=

a51.5296 10 14

5----------------------------------=

psln 23.196452=3816.44

T 46.13-----------------------

Ecuaciones auxiliares


La ecuacin anterior es slo valida para temperaturas inferiores a 441 K, pero por en-cima de esta temperatura y el punto crtico se usa otra correlacin, la de Harlacher yBraun (ecuacin 3.29). Esta ltima ecuacin necesita un algoritmo iterativo para re-solverse (Newton-Raphson por ejemplo) usa unidades internacionales.

(3.29)

3.3.7 Elevacin del punto de ebullicin respecto del agua dulce

Los datos de Stoughton y Lietzke (1965) se correlaron por Friedrich y Hafford en1971 para el clculo del BPE (F) en funcin de la temperatura TK y la concentracinC, definidas posteriormente. Brandani, Del Re y Di Giacomo (1985) incluyen corre-laciones aceptables para esta propiedad.

(3.30)

donde TK = (Tb + 460)/1.8 (K); C = (19.819 Cb)/(1 Cb).

3.3.8 Desequilibrio en la etapa

La correlacin de Burns y Roe (Omar, 1981) incorpora la siguiente co

ciclo combinado

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