Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales

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1 AR TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES W. A. Shaw, J. D. Brosdal HPD Veolia Water Solutions & Technologies (EE.UU.) S. Echeandia HPD Veolia Water Solutions & Technologies (España) Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales Procesos de vertido líquido cero La presión medioambiental y la preocupación por el suministro de agua están forzando a muchas industrias a evaluar la viabilidad de los procesos de vertido líquido cero. En estos procesos deben considerarse la evaporación y la cristalización, especialmente cuando las aguas residuales contienen sales muy solubles que deben ser eliminadas. El presente artículo repasa las diferentes fuentes de aguas residuales con sales solubles, para luego examinar los tratamientos convencionales y avanzados existentes para el tratamiento de estas aguas. Finalmente, se centra en las tecnologías de evaporación y cristalización, y propone un proceso a baja temperatura para reducir la inversión y los costes operativos de estas tecnologías. Los nuevos modelos legislativos, la sensibilidad medioambiental y el aumento de la preocupación por el suministro de agua, a largo plazo, están haciendo estudiar a las industrias de procesos químicos (Chemical Process Industries, CPI) distintas vías para reducir sus vertidos de agua. De hecho, más y más compañías están evaluando la viabilidad de los procesos de vertido líquido cero (Zero Liquid Discharge, ZLD). Esto normalmente implica la consideración de tecnologías de evaporación y cristalización, las cuales pueden ser muy costosas en cuanto a aspectos operacionales y de capital. Sin embargo, nuevas propuestas, especialmente la evaporación a baja temperatura, pueden proporcionar opciones extras al diseño de sistemas de evaporación para procesos ZLD. Este artículo examina procesos convencionales, así como proceso avanzados de tratamiento de aguas, centrándose en el problema presentado por las sales altamente solubles y cómo la evaporación a baja temperatura puede resolver este reto. En muchas instalaciones de industrias de procesos químicos el sistema de refrigeración de agua es responsable de la mayor parte del consumo de agua y de su vertido. Históricamente la evaporación ha sido 76 Ingeniería Química

2 Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales utilizada eficazmente para anular el vertido de purga de la torre de enfriamiento, concretamente en la industria de generación de electricidad en el oeste de los EE.UU., donde los sistemas ZLD han sido utilizados principalmente con el propósito de conservación del agua. Debido a que la purga de la torre de enfriamiento está relativamente diluida, generalmente con menos de mg/l de sólidos disueltos (TDS), las membranas de ósmosis inversas se pueden emplear como pretratamiento antes de su concentración en un evaporador y reducción a un sólido en un cristalizador. Las sales presentes en el agua de refrigeración son comúnmente sulfato sódico y cloruro sódico, con pequeñas cantidades de sulfato de calcio, sulfato magnésico y bicarbonato. Éstas son las sales que pueden ser fácilmente cristalizadas por evaporación del agua. Sin embargo, muchas instalaciones generan aguas residuales que contienen sales muy solubles y que no son tan fáciles de cristalizar. Estas aguas residuales presentan problemas importantes para las instalaciones que se esfuerzan por cumplir con los requisitos de vertido más restrictivos. Al considerar la eliminación del vertido de estas aguas residuales, las instalaciones se encuentran frecuentemente limitadas en las opciones de tratamiento con las que pueden operar, así como con los altos costes de inversión y explotación. La evaporación a baja temperatura es una solución medioambientalmente respetuosa que permite reducir los costes de inversión y explotación en comparación con otras opciones ZLD de soluciones salinas muy solubles. 1 Fuentes de aguas residuales saladas La denominación altamente soluble o muy soluble generalmente significa solubilidad, por lo menos hasta el grado de formación de soluciones acuosas 10 molar. Las sales altamente solubles discutidas en este artículo incluyen cloruros de calcio y magnesio, nitratos de amonio y sodio y ciertas sales de ácidos orgánicos, como el formiato de sodio. Existen muchos sectores industriales que generan aguas residuales que contienen sales muy solubles, incluidas las centrales eléctricas que utilizan carbón, coque de petróleo o biomasa como combustible, y el empleo de lavadores húmedos de gases en el proceso de desulfuración de los gases de combustión (FGD) o en un proceso de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC); plantas químicas y de fabricación de fertilizantes; producción de gas y petróleo y lugares de perforación; vertederos y plantas que utilizan aguas residuales municipales tratadas como agua de aporte/ ajuste (make up water) 1.1 Aguas residuales de FGD y IGCC La incineración o la gasificación del carbón o coque de petróleo producen un gas que contiene SO 2, HCl, HF, NO x, cenizas volantes y muchas otras especies químicas. En las centrales térmicas de carbón, la desulfuración de los gases de combustión se emplea para depurar estos contaminantes de la corriente gaseosa. Del mismo modo, se utiliza una etapa de lavado de gases en la mayor parte de los procesos de gasificación del carbón y del coque de petróleo. La mayoría de los procesos de depuración utilizados implican lavado húmedo con un agente alcalino que se disuelve en el agua y reacciona eliminando una parte importante de los componentes gaseosos mencionados. Los lavadores húmedos habitualmente requieren una purga continua, para limitar la acumulación de sales corrosivas y sólidos en suspensión absorbidos desde la corriente gaseosa. Aunque la composición de las aguas residuales del lavador es muy variable, se trata, sobre todo, de una solución de cloruros cuando el carbón es la fuente de combustible, o una solución de formiatos cuando el coque de petróleo es el combustible. También puede haber una gran concentración de nitrato en función de las condiciones de combustión. El anión dominante en las aguas residuales depende del sorbente utilizado como reactivo en el lavador; tradicionalmente se utilizan carbonato cálcico (caliza), hidróxido sódico, hidróxido amónico, hidróxido cálcico (cal apagada) o hidróxido magnésico. Por lo tanto, las aguas residuales procedentes de FGD y IGCC son generalmente soluciones de sales muy solubles, como cloruro sódico o formiato sódico, las cuales suelen encontrarse en el rango de a mg/l. El vertido de estas aguas residuales está regulado, debido a la presencia de pequeñas cantidades de contaminantes tóxicos, que incluyen metales pesados, selenio, boro y compuestos orgánicos. Con frecuencia se requiere de algún tipo de tratamiento para reducir o eliminar estas toxinas del agua residual antes de que pueda ser vertida al medioambiente. 1.2 Aguas residuales de la fabricación de productos químicos y fertilizantes Los fabricantes de fertilizantes y productos químicos usualmente usan o producen ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico, amoniaco, urea, nitrato amónico y sulfato amónico, y generan aguas residuales que contienen un alto contenido de nitrógeno en forma de amonio, así como nitrógeno en forma de nitrato. Muchas de las sales de amonio y nitrato presentes en las aguas residuales generadas en estas industrias tienen elevada solubilidad. El vertido de estas aguas residuales al medioambiente está normalmente legislado, ya que los compuestos de nitrógeno pueden causar proliferación de algas que dan como resultado la eutrofización. 1.3 Agua producida en la perforación de gas y petróleo Cuando el petróleo y el gas son llevados a la superficie en las operaciones de perforación, también se generan, en diferentes etapas de la obtención, agua producida. Esta agua normalmente contiene altas concentraciones (de mg/l a mg/l) de calcio, cloruro magnésico o ambas. Hasta ahora, en muchas lugares, el agua producida era simplemente reinyectada en el suelo o transportadas en cisternas hasta instalaciones publicas de tratamiento de agua (POTW). Sin embargo, la gestión eficaz del agua producida se está convirtiendo en un desafío económico, ambiental y de funcionamiento para los productores de petróleo y gas. Esto se debe a los altos costos de transporte para desplazar el agua producida desde los sitios de perfora- Junio 2011 Ingeniería Química 77

3 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ción, la preocupación por la posible contaminación de los acuíferos naturales cuando se reinyectan estas aguas en el suelo, y la reticencia de los POTW a continuar aceptando aguas altamente salinas, a menudo contaminadas con hidrocarburos, los cuales generan un exceso de especies químicas o límites de concentración autorizados en sus límites de vertido. 1.4 Lixiviados de vertedero El almacenamiento de residuos sólidos en instalaciones controladas implica un paso adelante en la protección del medio ambiente. Sin embargo, ha dado lugar a un problema: la generación de lixiviados altamente contaminados, que resultan de la entrada de agua que se filtra hacia abajo a través del material de desecho, disolviendo muchos compuestos altamente solubles. Las características de las corrientes de los lixiviados del vertedero son muy variables, pero suelen tener una alta demanda química de oxígeno (COD) y contienen concentraciones significativas de sales muy solubles, especialmente sales de amonio, nitratos y cloruros. 1.5 Tratamiento de efluentes municipales Los efluentes de aguas residuales municipales tratadas son cada vez más utilizados como agua de aporte por las industrias. Esta es una solución rentable y respetuosa con el medio ambiente para la práctica en muchas plantas industriales, especialmente para el aporte de la torre de refrigeración. Sin embargo, existen pequeñas concentraciones de un número de sales muy solubles, incluyendo sales de amonio, nitratos y cloruros, las cuales están presentes en el efluente de agua tratada. Estas se concentran en la torre de enfriamiento y la purga puede requerir tratamiento para reducir estos contaminantes antes de que pueda ser vertida como agua residual. Aunque estas aguas residuales son muy variables en cuanto a composición química específica y concentración, todas tienen por lo menos dos características comunes: 1) poseen constituyentes que están estrictamente regulados y deben ser reducidos a niveles extremadamente bajos para poderse verter, y 2) contienen predominantemente sales muy solubles. En general, la presencia de sales muy solubles en efluentes tratados no es, en si mismo, una preocupación significativa si el agua residual puede ser diluida con otras aguas antes del vertido para satisfacer los limites de concentración especificados en el permiso de vertido. Más recientemente, sin embargo, las autoridades han establecido los límites de vertido en los permisos para regular estrictamente constituyentes minoritarios, tales como mercurio o selenio, los cuales no son alcanzados o no son rentables de lograr con los métodos convencionales de tratamiento de aguas. En otros pocos casos, particularmente en el oeste de EE.UU., las autoridades han especificado que ciertas plantas industriales nuevas deben reciclar y reutilizar toda el agua y no deben verter nada de agua fuera de los límites de la planta. Esto ha suscitado el desarrollo de métodos avanzados de tratamiento de aguas residuales que pueden conseguir vertidos cero de líquido. 2 Tratamientos convencionales de agua En muchas industrias el tratamiento para la eliminación en aguas residuales de pequeñas concentraciones de contaminantes inorgánicos regulados a menudo implica problemas físicos y químicos utilizando precipitación y sedimentación. Usualmente el agua residual es alimentada a una serie de tanques de reacción, donde muchos metales pesados y de transición pueden precipitar como hidróxidos insolubles y sulfuros por adición de sosa cáustica o cal y sulfuro de sodio u organosulfuros patentados. Cloruro férrico o alumbre, y polímeros especiales, se añaden normalmente para coagular los precipitados y formar grandes flóculos, los cuales serán rápida y eficazmente estabilizados en un clarificador. Muchas veces se incluyen dos etapas de precipitación/ floculación debido a la amplia variación de los valores óptimos de ph para precipitar los metales presentes. Los precipitados metálicos estabilizados son recogidos del fondo del clarificador y filtrados. Este método de tratamiento funciona eficazmente para reducir sólidos suspendidos, metales y acidez en el agua residual, pero deja las sales muy solubles en solución, incluyendo calcio, magnesio, sodio y amonio combinados con cloro y nitrato, así como cualquier compuesto orgánico. El tratamiento biológico antes de la descarga puede reducir nitratos, amoniaco, productos orgánicos y demanda de oxigeno, ya que ciertas bacterias pueden usar estas moléculas como alimento, convirtiéndolas en agua, CO 2 y N 2. Algunas bacterias son capaces de reducir aniones oxigenados de algunos metales tóxicos (como seleniatos y arseniatos) al metal insoluble. Las bacterias frecuentes utilizadas en sistemas comerciales de tratamiento biológico, sin embargo, no afectan la concentración de muchas de las sales de cloro; de hecho, las aguas residuales que contienen mucho cloruro de calcio y magnesio a menudo deben ser diluidas para evitar la muerte de las bacterias. Los métodos de tratamiento químico y biológico también producen lodos, que pueden ser costosos de transportar y situar, y que contribuyen de manera significativa a los costos de funcionamiento de estos procesos. 3 Esquemas de tratamientos avanzados Aunque los métodos de tratamiento físico, químico y biológico han servido apropiadamente a las industrias interesadas por muchos años, no pueden reducir las concentraciones de ciertos componentes de las aguas residuales, como metales pesados o ciertos compuestos de nitratos o amonio, a los niveles requeridos actualmente. Por ejemplo, el agua residual proveniente del proceso de lavado de gases de combustión puede contener niveles de mercurio en el rango de partes por millón (ppm). Un buen diseño y operación de un sistema de tratamiento de aguas residuales físico-químicobiológico puede propiamente disminuirlo hasta niveles de partes por billón (ppb). Sin embargo, cuando a una instalación se le exige alcanzar valores permitidos de niveles de mercurio en el rango de partes por trillón (ppt) lo cual es cada vez más común -, estos sistemas convencionales resultan inadecuados. 78 Ingeniería Química

4 Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales Los métodos de tratamiento físico, químico y biológico no pueden reducir las concentraciones de ciertos componentes a los niveles requeridos actualmente Debido a que las exigencias de vertido son cada vez más estrictas, se necesitan nuevas propuestas. Para muchas aguas de vertido, ciertos procesos, como la filtración por membrana, no son opciones realistas. Mientras las tecnologías basadas en membranas se utilizan habitualmente en la recuperación de agua en recirculación, reutilización y esquemas ZLD, y mientras la ciencia de las membranas continúe avanzando, las tecnologías basadas en membranas están generalmente limitadas al tratamiento de corrientes diluidas de aguas residuales. En el caso del tratamiento de aguas residuales provenientes de lavadores de gases de combustión, por ejemplo, la opción de utilizar membranas de osmosis inversa (RO) debe eliminarse porque la presión osmótica requerida es demasiada alta debido a la elevada concentración de sales disueltas ( mg/l). Una vez que la concentración de sales disueltas en el agua residual alcanza un pequeño porcentaje en peso, la evaporación debe utilizarse para lograr una mayor recuperación de agua y concentración de sales. La evaporación puede ser un método de tratamiento de aguas residuales altamente efectivo, porque, en teoría, se pueden separar completamente todas las especies disueltas (favorables, peligrosas y toxicas) del agua, produciendo un sólido estable que puede ser depositado en un vertedero. El agua que se evapora en el evaporador puede recuperarse normalmente y reutilizarse en otro proceso dentro de la planta 4 Evaporación y cristalización Los evaporadores han sido utilizados durante muchos años en un número de aplicaciones de aguas residuales industriales para reducir sustancialmente el volumen de vertido, y los cristalizadores evaporativos son utilizados habitualmente para conseguir ZLD. Su uso es cada vez mayor, debido a que los límites normativos se vuelven progresivamente más estrictos en la definición de qué especie química y concentración puede ser vertida. En algunos casos las autoridades no permitirán ningún vertido acuoso proveniente de plantas nuevas o ampliadas. Existen múltiples diseños de evaporadores y cristalizadores disponibles, y su elección depende de múltiples factores, tanto desde el punto de vista económico como operativo. Con el fin de simplificar y abreviar, se expone a continuación un ejemplo de un tipo de sistema de evaporación y cristalización que se suele utilizar en el tratamiento de aguas residuales para lograr ZLD. En el proceso de evaporación, la primera etapa incluye adición química, precalentamiento, desaireación y evaporación primaria (Fig.1). La corriente de agua residual fluye hasta el tanque de alimentación del evaporador, donde se añade el ácido para neutralizar la alcalinidad y así la solución pueda ser precalentada Figura 1 El proceso de evaporación incluye adición química, precalentamiento, desaireación y evaporación primaria Venteo de gases Desaireador Concentrador de salmuera Productos químicos Alimentación Mecanismo de compresión Salmuera concentrada Tanque de alimentación Agua recuperada Precalentador de la alimentación Tanque de nivel Bomba de recirculación Recirculación Junio 2011 Ingeniería Química 79

5 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES en un intercambiador de calor de platos con mínima incrustación de carbonato cálcico. Diferentes formulaciones de antiincrustante se añaden normalmente para evitar la incrustación en los precalentadores debido a la baja solubilidad de las especies presentes en la solución. La corriente precalentada es desaireada después usando una pequeña cantidad de vapor proveniente del evaporador para extraer el dióxido de carbono disuelto en la reducción de alcalinidad y cualquier oxígeno disuelto. Este se realiza para minimizar el potencial de corrosión en el evaporador. La mayor parte de la evaporación se realiza en el evaporador de película descendente, el cual consigue altos coeficientes de transferencia de calor, con una pequeña cantidad de líquido. La energía introducida al proceso es energía eléctrica empleada en el ciclo mecánico de compresión del vapor (MVC). Donde el MVC recicla el calor latente de vaporización, la energía aportada es muy baja, en el rango de 18 a 35 kwh por tonelada métrica de agua evaporada. Para minimizar el tamaño y el costo del separador de vapor y del compresor, la evaporación se realiza a presión atmosférica. El evaporador de película descendente es adecuado para concentrar el agua residual, pero no para cristalizar grandes cantidades de sales disueltas. La cristalización se realiza en un evaporador-cristalizador de circulación forzada (Fig. 2), en el que el diseño del evaporador se ajusta especialmente a la propagación y crecimiento de los cristales dentro de la solución bruta. Este evaporador-cristalizador está integrado con un dispositivo de deshidratación de sólidos (como una centrífuga o un filtro de presión), que separa los cristales de sal del producto de mezcla. El licor madre es devuelto al cristalizador para una mayor concentración. El evaporador de circulación forzada esta dirigido normalmente por vapor, debido a la alta elevación del punto de ebullición de la solución a la cual la cristalización de las sales disueltas tiene lugar. El cristalizador requiere ligeramente algo más de una tonelada métrica de vapor para evaporar una tonelada métrica de agua. 5 La problemática y desafío de la presencia de sales Para la mayoría de las aguas residuales que contienen entre un 1-5% de sólidos disueltos es relativamente fácil eliminar entre un 75-95% de agua en un evaporador de película descendente. Cuando sales muy solubles se encuentran presentes en el agua residual, el último 5-25% del agua puede ser difícil de evaporar. Cuando el agua es evaporada de una solución, la concentración y la fuerza iónica de las sales aumentan al igual que lo hace la temperatura de ebullición de la solución. El aumento de la temperatura de ebullición de la solución por encima de la del agua a una presión dada es descrita como aumento del punto de ebullición (BPR). El BPR aumenta al igual que la concentración de las sales disueltas aumenta cuando se evapora agua de la solución. Figura 2 La cristalización se realiza en un evaporador-cristalizador de circulación forzada, el cual se ajusta a la propagación y crecimiento de los cristales dentro de la solución bruta Vapor Venteo de gases Cuerpo de vapor del cristalizador Condensador Agua de refrigeración Calentador del cristalizador Agua recuperada Dispositivo de deshidratación Condensado de vapor Alimentación Bomba de recirculación Tanque de alimentación al cristalizador Sólidos para disposición 80 Ingeniería Química

6 Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales Figura 3 Temperatura de ebullición de soluciones de cloruro cálcico puro, superpuesta a su diagrama de fase Temperatura, ºC Punto de ebullición Solución Solución y hielo Hielo y y solución y solución y solución y solución Porcentaje en peso de cloruro cálcico Temperatura, ºF La figura 3 muestra la temperatura de ebullición de una solución de cloruro cálcico puro superpuesta a su curva de solubilidad a presión atmosférica. Se puede ver que, al igual que la concentración de cloruro cálcico aumenta, así lo hace la temperatura de ebullición. Las dos curvas se cruzan en el límite de solubilidad del cloruro cálcico en una solución hirviente. Como se ve en la figura, el cloruro cálcico es muy soluble en agua; pero cuando la solución se concentra por evaporación a 1 atmósfera, su punto de ebullición continúa aumentando hasta que se alcanza el límite de solubilidad del 75%. La figura también muestra que la solución de cloruro cálcico saturada a 1 atmósfera de presión tiene un punto de ebullición de casi 350ºF (176ºC), lo que significa un BPR de 138ºF (77ºC). A esta elevada temperatura, tanto el cloruro de calcio como el cloruro de magnesio y el cloruro de amonio experimentan hidrólisis en el agua, esto es, emiten ácido clorhídrico, el cual es muy agresivo. El grado de hidrólisis aumenta con la temperatura, así que los materiales de construcción del cuerpo de vapor del evaporador y la superficie de transferencia de calor deben elegirse cuidadosamente para resistir la naturaleza extremadamente corrosiva de estas sales a altas temperaturas y concentraciones. La experiencia muestra que los materiales con suficiente resistencia a la corrosión a estas altas concentraciones y temperaturas son aleaciones nobles muy caras. La necesidad de utilizar estos materiales tan caros hace que el uso de un cristalizador final sea económicamente discutible en la mayoría de las aplicaciones ZLD de aguas residuales. 6 Evacuación de las opciones En el caso en el que el uso de un cristalizador no es económicamente posible, aún se puede utilizar un evaporador de película descendente para recuperar en torno al 75-95% del agua y concentrar el agua residual. Existen varias opciones que pueden ser consideradas para hacer frente al restante 5-25% del volumen origi- Figura 4 El ablandamiento químico utilizando cal y carbonato sódico puede ser utilizado para eliminar los iones de magnesio y calcio en las aguas residuales como precipitados de hidróxido magnésico y carbonato cálcico Alimentación Clarificador inicial Tanque de mezcla Tanque de mezcla Cal Polímero Carbonato sódico Clarificador Al evaporador Flujo residual Tanque de mezcla Lodo de Mg(OH) 2 y CaCO 3 Filtro prensa Espesador Junio 2011 Ingeniería Química 81

7 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES nal del agua residual. Por ejemplo, puede ser posible y económicamente atractivo considerar la construcción de un embalse superficial para almacenar el concentrado. Alternativamente, un spray dryer puede utilizarse para eliminar la humedad restante del concentrado y producir un producto seco para disponerlo en vertedero. Un spray dryer requeriría un suministro de fuel o gas natural y probablemente permisos de emisión a la atmósfera. Son posibles otros métodos de secar el concentrado evaporado. Estos incluyen astilladoras, torres de granulación y métodos adicionales comunes a la producción industrial de sales. El inconveniente común de las tecnologías de secado es que tienen una demanda energética muy alta (tan alta como 1.500kWh/ tm de agua eliminada) y el costo del combustible puede ser bastante elevado para eliminar una cantidad bastante pequeña de agua. En aguas residuales donde las sales de cloruro de calcio y magnesio son predominantes, como en la purga de lavadores FGD o en el agua producida en la perforación de petróleo y gas, el ablandamiento químico utilizando cal (hidróxido cálcico) puede emplearse para eliminar la mayor parte de los iones de calcio y magnesio en el agua residual como precipitados de hidróxido magnésico y carbonato cálcico (Fig. 4). Estos precipitados pueden trasladarse a un clarificador, y el lodo resultante puede ser deshidratado y dispuesto en vertedero. El resultado neto del proceso de ablandamiento es que los iones de sodio son sustituidos por muchos de los iones de calcio y magnesio, con lo que resulta que la corriente ablandada se convierte principalmente en una solución de cloruro sódico. La corriente ablandada se evapora después en un evaporador de película descendente y el agua se recupera. La concentración final puede hacerse en un evaporador-cristalizador de circulación forzada, en el cual el cloruro de sodio cristalice a una temperatura y concentración relativamente bajas (su solubilidad es del 28% con un punto de ebullición de 227.6ºF (108.7 ºC) a 1 atm.). Esto permite el uso de aleaciones menos nobles y menos caras. El cloruro sódico solidificado es mezclado con el lodo ablandado y dispuesto en vertedero. Los inconvenientes de este esquema de ZLD son los costes de los equipos adicionales requeridos para ablandar el agua residual, el costo de los reactivos químicos y la colocación del lodo y la complejidad adicional del proceso global. 7 Tratamiento a bajas temperaturas Una mejor opción para tratar con sales muy solubles es realizar la cristalización final a bajas temperaturas y aprovechar el hecho de que la solubilidad de las sales muy solubles desciende significativamente con la temperatura. Utilizando el diagrama de fases de la solución de cloruro cálcico puro (Fig. 3), podemos observar que se pueden formar varias sales hidratadas de la solución de cloruro cálcico, dependiendo de la temperatura. La concentración a la cual se forman estas sales hidratadas disminuye con la temperatura. Por ejemplo, el dihidrato de cloruro cálcico se forma a 350ºF (175.5ºC) a partir de una solución que contiene el 75% de Ca- Cl 2, pero a 115ºF (45ºC) cristalizaría una solución con sólo el 56%. Operando bajo vacío, la temperatura de ebullición de la solución se reduce y el sólido puede obtenerse a una concentración relativamente baja. Las figuras 5 y 6 muestras que el aumento del punto de ebullición es también más bajo cuando se opera a bajas temperaturas bajo condiciones de vacío: al 75% de CaCl 2, el aumento del punto de ebullición es de 75ºC (135 ºF); pero al 56% de CaCl 2 el aumento del punto de ebullición es de solo 31ºC (56ºF) Una mejor opción para tratar con sales muy solubles es realizar la cristalización final a bajas temperaturas Las figuras 5 y 6 demuestran que una solución saturada de CaCl 2 (58% CaCl 2 en peso) hervirá a 60ºC (140ºF) si la presión de vapor se mantiene cerca de 3.4 kpa (0.5 psia), encontrándose dentro del ámbito Figura 5 La concentración de sal puede tener efectos dramáticos en el aumento del punto de ebullición Figura 6 El aumento del punto de ebullición es menor cuando se opera bajo vacío a bajas temperaturas Temperatura de ebullición vs. Concentración de CaCl 2 Temperatura de ebullición vs. Presión, solución saturada de CaCl 2 Temperatura de ebullición Temperatura de ebullición Temperatura, ºC Aumento del punto de ebullición Temperatura, ºC Aumento del punto de ebullición Concentración de saturación, % en peso Presión, kpa 82 Ingeniería Química

8 Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales Figura 7 Un cristalizador puede diseñarse para operar a baja temperatura y presión, evitando de tal modo muchos problemas de procesamiento Refrigerante Cuerpo de vapor del cristalizador Vapor Bomba de vacío Compresor del refrigerante Condensador Calentador del cristalizador Agua recuperada Dispositivo de deshidratación Alimentación Bomba de recirculación Válvula de expansión Tanque de la alimentación al cristalizador Sólidos para disposición Junio 2011 Ingeniería Química 83

9 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Figura 8 El agua residual de un lavador FGD (izquierda) es separada en agua limpia y un sólido estable (derecha) utilizando la cristalización a baja temperatura típico de los sistemas de vacío industriales. El BPR de la solución saturada de CaCl 2 a estas condiciones de operación es de 33ºC (60ºF). Esto significa que el vapor de agua, el cual se evapora de la solución, estará a 33ºC (60ºF) menos que la temperatura de ebullición de la solución o 27ºC (80ºF). La figura 7 representa un diseño esquemático de un cristalizador para operar a baja temperatura y a la presión descrita anteriormente. En este sistema el calor requerido para hervir la solución y el enfriamiento necesario para condensar el vapor de agua son suministrados por una bomba calorífica de ciclo cerrado. El fluido de refrigeración se calienta por compresión en el compresor de refrigeración. La energía eléctrica, que mueve el motor del compresor, proporciona el trabajo que es la fuente de calor para el cristalizador. Parte del calor proporcionado al refrigerante por el compresor es transferido a la solución de proceso en el intercambio de calor del cristalizador por condensación del refrigerante. El líquido de refrigeración fluye a través de la válvula de expansión al condensador, donde se evapora por transferencia de calor desde el vapor de agua condensada del cristalizador. El ciclo se cierra cuando el flujo refrigerante vuelve al compresor. El aporte de energía es aproximadamente de 70 kwh/tm de agua evaporada. Además de una menor elevación del punto de ebullición, la menor temperatura de operación origina una menor tasa de hidrólisis para las sales ácidas, como el cloruro cálcico. La menor temperatura de operación hace una más fácil elección de los materiales de construcción que cuando se hace frente a mezclas de sales de cloro, las cuales están sometida a hidrólisis. Una menor temperatura de operación se traduce en una solución mucho menos agresiva y los materiales de construcción no necesitan ser altas aleaciones de níquel y molibdeno. Las pruebas en laboratorio han probado la efectividad de este proceso en aguas residuales comunes que contienen sales muy solubles. La disolución representada en la figura 8 es la de un agua residual de un lavador FGD en una central eléctrica de combustión de carbón. Después de la evaporación a baja temperatura (55ºC, 131ºF), el agua residual fue separada en agua destilada de alta calidad y el sólido estable mostrados en la figura. 8 Conclusiones Los problemas prácticos están forzando a muchas industrias a evaluar la viabilidad de los tratamientos ZLD dentro de los objetivos de los proyectos. La efectividad operacional y simplicidad de la evaporación a baja temperatura proporciona nuevas oportunidades para aplicar los procesos ZLD a más corriente de aguas residuales. Las barreras previas al ZLD, como el alto capital o costes operacionales, pueden mitigarse usando este proceso. La disminución de los requisitos metalúrgicos y la escasez de instalaciones de pretratamiento, como una planta de ablandamiento, permiten menores costes de capital. Adicionalmente, la evaporación a baja temperatura no necesita del uso de reactivos químicos de pretratamiento y reduce enormemente la cantidad de lodo manejado. El uso de una bomba de calor elimina la necesidad de vapor y reduce extremadamente los requerimientos energéticos para evaporar agua. Este resultado en costes operacionales es significativamente menor que los de una instalación dada. La evaporación a baja temperatura va a permitir a las industrias con aguas residuales que contengan sales muy solubles alcanzar el ZLD, mientras mantienen o disminuyen el capital y los costes operacionales en comparación con anteriores opciones de ZLD. 84 Ingeniería Química

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