EVOLUCIÓN TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS. Verónica García Molina Dow Water and Process Solutions

Transcripción

1 EVOLUCIÓN TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS Verónica García Molina Dow Water and Process Solutions

2 ADSORBSIA Media DOW Ultrafiltration Module DOW EDI Module FILMTEC RO Modules DOWEX IX Resins 2

3 Centro de Desarrollo de Tecnología de Agua (Tarragona) Centro de Desarrollo de Tecnología de Agua 3

4 SWRO plants CONTENIDO EVOLUCIÓN DESALACIÓN ÓSMOSIS INVERSA PRINCIPIOS CONFIGURACIONES REDUCCIÓN COSTES 4

5 INTRODUCCIÓN Disponibilidad de agua: Un reto mundial El 75% de la superficie del mundo está formada por agua El 98% del agua mundial contiene sal, por lo que no es apta para el consumo El 41% de la población de la Tierra (2.300 millones) vive en zonas con problemas de escasez de agua; en 2025 serán millones de personas Fuente: 5

6 INTRODUCCIÓN Evolución Desalación Klaus Wangnick, EDS Newsletter # 18, May 03 6

7 Evolución Desalación Desalación como proceso natural 1- Evaporación agua de mar, condensación y precipitación Base de los procesos térmicos actuales 7

8 Evolución Desalación Desalación como proceso natural 2- Ósmosis en células biológicas: intercambio de agua y sales en base a gradientes de concentración Base de los procesos de ósmosis inversa actuales 8

9 Evolución Desalación Desalación como proceso natural 3- Congelación de agua de mar (polos): Base de los procesos de congelación actuales (no practicados en plantas de gran escala) 9

10 Evolución Desalación Procesos Térmicos En uso hace miles de años (China, Egipto); evaporación natural o calefacción externa Principios Años 50: Primeras plantas a gran escala: Jeddah, Kuwait, Curaçao. Multi Effect Distillation (MED) Finales Años 50: Implementación de Multi Stage Flash Distillation (MSF) Ósmosis Inversa 1886: Descubrimiento Presión Ósmotica, van t Hoff Años 50: Primeros ensayos de Ósmosis Inversa con membranas de acetato de celulosa. 10

11 Major Desalination Processes Evolución Desalación Procesos Térmicos Década 60 y 70: Complejos de Desalación de gran capacidad Finales década 70: Desarrollo de alternativas a los procesos térmicos, desalación por compresión de vapor (simple o multi efecto) Ósmosis Inversa Década 60 y 70: Estudios posibles configuraciones: tubular Década 70: Desarrollo membranas de película fina y de módulos de enrollamiento en espiral. Década 80: Primera planta de gran escala Década 90: La combinación película fina + enrollamiento en espiral domina el mercado de ósmosis inversa Actualidad: Optimización y Reducción de costes 11

12 Evolución Desalación Requerimientos Energéticos Thermal (conventional) Thermal (advanced) SWRO (conventional) SWRO (advanced) Energy consumption (kwh/m3) 12

13 Evolución Desalación Destilación 20,000 Ósmosis Inversa 50 50, Electrodiálisis 10,000 Intercambio Iónico ,000 Contenido en Sales Agua alimentación (mg/l) 13

14 SWRO plants CONTENIDO EVOLUCIÓN DESALACIÓN ÓSMOSIS INVERSA PRINCIPIOS CONFIGURACIONES REDUCCIÓN COSTES 14

15 Ósmosis Inversa - Principios Ósmosis Ósmosis Inversa Presión Flujo Flujo Solución Concentrada Membrana Semi- Permeable Solución Diluida 15

16 Ósmosis Inversa - Principios Sección Membrana de Película Fina Polyamide Polysulfone 0.2 µm Ultrathin Barrier Layer 40 µm Reinforcing Polyester Fabric 120 µm 16

17 Ósmosis Inversa - Principios Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral Concentrado Agua producto Concentrado Agua Alimentación 17

18 Ósmosis Inversa - Principios Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral Espaciador Alimentación Agua producto Agua Alimentación Espaciador Permeado Membrana Concentrado Agua producto Concentrado Agua Alimentación 18

19 Ósmosis Inversa - Principios Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral Espaciador Alimentación Hoja Membrana Espaciador Permeado 19

20 Ósmosis Inversa - Principios Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral 20

21 SWRO plants CONTENIDO EVOLUCIÓN DESALACIÓN ÓSMOSIS INVERSA PRINCIPIOS CONFIGURACIONES REDUCCIÓN COSTES 21

22 Ósmosis Inversa Configuración Instalación Componentes principales Agua Bruta Una o más cajas de presión con uno o más elementos de membrana Línea de permeado Bomba Línea de concentrado Componentes principales: Bomba(s), tuberías, caja(s) de presión, elemento(s) de membrana 22

23 Ósmosis Inversa Configuración Instalación Caja de Presión Detalle Caja de presión Permeado Alimentación Módulo Ósmosis Concentrado Detalle Elemento OI 23

24 Ósmosis Inversa Configuración Instalación Instalaciones con una etapa Cajas de presión en paralelo con una entrada de agua de alimentación y salidas de permeado y concentrado comunes 300 m 3 /día Bomba Permeado 1ª caja: 50 m 3 /día Permeado 2ª caja: 50 m 3 /día Concentrado Permeado 3ª caja: 50 m 3 /día Para caudales más altos Para conversiones relativamente bajas Típico en desalinización de agua Permeado Total Caudal de Permeado Conversión = = 50% Caudal de Alimentación Valores mostrados a modo de ejemplo 24

25 Ósmosis Inversa Configuración Instalación Instalaciones con Etapas Múltiples 200 m 3 /día Sistema de dos etapas Permeado: 50 m 3 /día Concentrado Permeado: 50 m 3 /día Bomba Permeado: 50 m 3 /día Concentrado Caudal de Permeado Conversión = = Caudal de Alimentación Para conversiones altas 75% Permeado Total: 100 m 3 /día (primera etapa) + 50 m 3 /día (segunda etapa) Valores mostrados a modo de ejemplo 25

26 Ósmosis Inversa Configuración Instalación Instalaciones con Etapas Múltiples Sistema de tres etapas Alimentación: 400 m 3 /día Permeado: 50 m 3 /día por caja Permeado: 50 m 3 /día por caja Permeado: 50 m 3 /día Bomba Concentrado Permeado Caudal de Permeado Conversión = = > Caudal de Alimentación 400 Para conversiones altas Importante: Dependiendo de la calidad del agua de alimentación se pueden conseguir conversiones de hasta el 90% con 2 etapas 85% 26

27 Ósmosis Inversa Configuración Instalación Instalaciones con recirculación de concentrado Una manera para aumentar la conversión es recirculando el rechazo para aumentar el caudal de entrada Alimentación 250 m 3 /día Alimentación 300 m 3 /día Bomba Permeado:50 m 3 /día por caja Concentrado 100 m 3 /día Recirculación 50 m 3 /día Permeado 150 m 3 /día Caudal de Permeado 150 Conversión = = = 60% Caudal de Alimentación 250 Valores mostrados a modo de ejemplo 27

28 Ósmosis Inversa Configuración Instalación Instalaciones con doble paso Permeado del primer paso se refina en el segundo paso Utilizado cuando la calidad estándar del permeado no es suficiente. Obtención de permeado de muy alta pureza El segundo paso conlleva una disminución de la conversión total de la instalación Concentrado 4.5 m 3 /día TDS 2200 ppm Alimentación: 100 m 3 /día TDS 39,000 ppm Bomba Paso 1 Paso 2 Permeado 1r paso: 45 m 3 /día TDS 300 ppm Permeado Final 40.5 m 3 /día TDS 20 ppm Concentrado (desagüe) Valores mostrados a modo de ejemplo 28

29 SWRO plants CONTENIDO EVOLUCIÓN DESALACIÓN ÓSMOSIS INVERSA PRINCIPIOS CONFIGURACIONES REDUCCIÓN COSTES 29

30 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción CAPEX (Coste Infraestructura) Reducción OPEX (Coste Operación) Malta, early 1980s (Andrew s & Bergman Arabian Gulf, late 1980s (Leitner 1989) Water cost (US$/m3) Spain, 1987 (Farinas 1996) World, late 1990s (Wilf & Klinko 2001) Israel, 2004 (Redondo et al 2003) Year 30

31 SWRO plants Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Capital Aumento de 8 a 16 de diámetro Beneficios Menor Superficie Menor número cajas de presión Menos tuberías-conexiones Menos válvulas Menor coste construcción = Reducción Coste Capital 31

32 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Capital Coste Capital ($ por gal/day) Estimación reducción costes de capital en diferentes escenarios Agua salobre subterránea Agua salobre superficial Agua de mar Tamaño Planta X (m3/día) Diámetro nominal módulo Bartels, C.; Bergman, R.; Hallan, M.; Henthorne, (pulgadas) L.; Knappe, P.; Lozier, J.; Metcalfe, P.; Peery, M.; Shelby, I.; Industry Consortium Analysis of Large Reverse Osmosis and Nanofiltration Element Diameters, Desalination and Water Purification Report No. 114, U.S. Bureau of Reclamation,

33 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Capital Manipulación Peso módulos en seco: 16 pulgadas: 54 kg 8 pulgadas: 14 kg Carga manual de módulos de 16 pulgadas no factible Carga manual módulos 8 pulgadas 33

34 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Capital Guía para soporte de módulos Transporte de módulos 34

35 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Capital Carga de Membranas Equipo para carga automática de módulos de 16 pulgadas Equipo de carga en Bedok NEWater Plant, Singapur 35

36 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación Cost Distribution in large Sea Water Reverse Osmosis desalination plants Cost of Electricity 55% 150,000 m 3 /día ppm de TDS Amortization 30% Insurance 1% Replacement and repair 5% Chemicals 7% Labor and Overhead 2% Rango de temperatura 14-25ºC Contenido de permeado en bromuro menor de 0,1 ppm Desglose del coste a 55% corresponde a la electricidad - 80 a 90% de la electricidad corresponde a la bomba de alta presión 36

37 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación Consumo energético histórico de la desalinización de agua de mar por OI kwh/m ADC kwh/m3 Nota: 1. Los valores de consumo energético representan solamente el proceso de OI. No incluyen ninguna permisión para el suministro o distribución del agua. 2. Los valores son un promedio general para localizaciones de agua de mar estándares por ASTM. Fuente: Affordable Desalination Collaboration 37

38 SWRO plants Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación 9% Objetivos 91% Electricity for the High Pressure Pump Other electricity Dónde consumimos energía Toma agua Pretratamiento Bomba de alta presión Post-tratamientotratamiento Distribución Otros (iluminación etc. Disminuir energía consumida Bomba alta presión Diminuir enegía requerida por los módulos Membranas con elevada permeabilidad Menor ensuciamiento Mejorar hidraúlica dentro de las cajas de presión 38

39 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación 6 9% 91% Electricity for the High Pressure Pump Other electricity Energy consumption (kwh/m3) Pump & motor Brine Membranes Thermodynamic El Consumo disminuye un 50% si se aumenta la eficiencia de la bomba al 80% y el recuperador de energía al 90% gpd 70% e P&M 0% e ER 6000 gpd 80% e P&M 90% e ER 39

40 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación El reto en el desarrollo en desalinización: Reducir consumo energético manteniendo o mejorando la calidad de agua Salinidad en el agua producto Innovación Rechazo Innovación Consumo de energía Caudal Sistema = Membrana Agua de alta calidad = Alto rechazo Baja energía a = Alto caudal 40

41 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación Rejection (%) FILMTEC SW30HR370/34i 1996: FILMTEC SW30HR : FILMTEC SW30HR to FILMTEC SW30XHR-400i 1991 to to 2000 FILMTEC SW30HR LE to to 2008 FILMTEC SW30XLE-400 FILMTEC SW30ULE-400 Rechazo Caudal Innovación : FILMTEC SW : FILMTEC SW Flow (gpd) Standard element High productivity element Extra high rejection Ultra low energy 41

42 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación Diseños Híbridos Módulos con menor producción de permeado en las primeras posiciones de la caja de presión Mejora de la hidraúlica Menor ensuciamiento 42

43 Objetivo: Reducción Costes agua desalada Reducción Coste Operación 6 x SW30HRLE-400i (7,500 gpd) Conversión 37.11% 6 x SW30ULE-400i (11,000 gpd) Conversión 41.80% 1 x 7,500 gpd + 1 x 9,000 gpd + 4 x 11,000 gpd Permeate flow rate (cmh) Element Position Conversión 42.42% 1 x SW30HRLE-400i + 1 x SW30XLE-400i + 4 x SW30ULE-400i Internally SW30HRLE-400i SW30HRLE400i Staged Design SW30HRLE-400i SW30ULE400i Maximum Flow Guideline SW30ULE400i Maximum Flow Guideline Maximum Flow Guideline * Presión Alimentación: 56 bar * Salinidad Alimentación: 35,000 ppm * Caudal Alimentación: 12,4 m3/h 43

44 Muchas gracias por su atención! 44