TECNOLOGÍAS DE DESALACIÓN: PROCESOS DE DESTILACIÓN

Transcripción

1 XII MATER INTERNACIONAL DE RIEGO Y DRENAJE TECNOLOGÍAS DE DESALACIÓN: PROCESOS DE DESTILACIÓN Juan María Sánchez-ECOAGUA Promueve: Madrid 16 a 18 de mayo de 2007 MINISTERIO DE AGRICULTURA, PESCA Y ALIMENTACIÓN

2 ÍNDICE 1. Evaporación n instantánea nea multietapa 2. Evaporación multiefecto 3. Compresión n de vapor 4. Plantas duales: atribución n de costos 5. Optimización n de las plantas de MSF y MED 6. Inversión n y costos de explotación 7. Consideraciones ambientales

3 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA VAPOR RECHAZO DE AGUA DE MAR AGUA DE MAR R E C I C L A D O A P O R T A C I Ó N PRODUCTO PURGA DE SALMUERA CONDENSADO RECALENTADOR SECCIÓN DE RECUPERACIÓN DE CALOR SECCIÓN DE RECHAZO

4 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA: DIAGRAMA TÉRMICOT VAPOR RECHAZO DE AGUA DE MAR AGUA DE MAR R E C I C L A D O A P O R T A C I Ó N PRODUCTO PURGA DE SALMUERA CONDENSADO RECALENTADOR SECCIÓN DE RECUPERACIÓN DE CALOR SECCIÓN DE RECHAZO Q Tmax Tsr T1 Ter Trz Tpu Tpr Ta Tr Tp TNE+EPE Ts Te

5 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA: DIAGRAMA TÉRMICOT Agua pura Agua salada Agua salada dinámica P Liquido EP TNE Vapor T

6 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA DATOS DE PARTIDA Producción (m 3 /día) Relación de economía (ER) (lb/kbtu) Producción (lb/h) ER = 1000 xq(btu/h) Temperatura del agua de mar (Tam) Temperatura máxima de trabajo (Tmax) Concentración del agua de mar (Cam)

7 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA

8 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA CALOR AL RECALENTADOR (Q) PLANTA MSF AGUA DE MAR (AM, Tam, Cam) PRODUCTO (PR, Tpr, 0) PURGA SALMUERA (PU, Tpu, Cpu) RECHAZO AGUA DE MAR (RZ, Trz, Cam) BALANCE DE MASAS: AM = PR + PU + RZ Si llamamos agua de mar de Aportación al ciclo a AP, tenemos: AP = PR + PU; de donde: RZ = AM AP BALANCE DE SALES: AM x Cam = RZ x Cam + PR x 0 + PU x Cpu y de aquí obtenemos: (AM RZ) x Cam = PU x Cpu; o bien: AP x Cam = PU x Cpu; AP x Cam = (AP PR) x Cpu; AP x (Cpu Cam) = PR x Cpu AP = Cpu ( Cpu Cam) xpr

9 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA Cr FC = ; ademas : R Cr = Cam ( R PR) Cpu Y haciendo el balance salino de la aportación y la salmuera para formar el Reciclado, tenemos: ( R PR PU ) Cpu + AP Cam R Cr = Combinando todas las ecuaciones anteriores llegamos a: PR 1 FC FC PU = R PR; AP = PR; Cpu = Cam PR PR PR FC 1+ FC 1+ 1 R R R

10 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA CALCULO DEL CAUDAL DE RECICLADO R x H L (Tmax) (R PR) x H L (Tpu) = PR x H V [(Tmax + Tpu)/2]; R x [H L (Tmax) - H L (Tpu)] = PR x H V [(Tmax + Tpu)/2] PR x H L (Tpu); R x ce x (Tmax Tpu) = PR x H V [(Tmax + Tpu)/2] PR x H L (Tpu) - PR x H L [(Tmax + Tpu)/2] + PR x H L [(Tmax + Tpu)/2]; R x ce x (Tmax Tpu) = PR x Hl + PR x ce x (Tmax Tpu)/2; Hl R = + 0, Ce ( Tmax Tpu) 5 PR CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE PURGA Hipótesis: Tpu Trz Tpr; en cuyo caso: Q = AM x ce x (Tpu Tam); y como:

11 EVAPORACIÓN N INSTANTÁNEA NEA MULTIETAPA Q PRx1000 ER = Y según la ecuación que hemos obtenido para el caudal de reciclado: PR = R Hl Ce + 0,5 ( Tmax Tpu) Ce ( Tmax Tpu) Sustituyendo queda: 1000 R ER Hl Ce + 0,5 ( Tmax Tpu) Ce ( Tmax Tpu) = AM Ce ( Tpu Tam) Operando esta ecuación y como aproximadamente se cumple que: 1000 Hl + 0, 5 Ce ( Tmax Tpu) Finalmente queda: Tpu = Tam + Tmax Tam AM ER +1 R

12 EVAPORACIÓN N MULTIEFECTO C I C L O D E L P R O C E S O D E M U L T I E F E C T O E F E C T O S CONDENSADOR AGUA MAR VAPOR CONDENSADOS ALIMENTACION PURGA APORTACION RECHAZO PRODUCTO

13 EVAPORACIÓN N MULTIEFECTO: CICLO TERMODINÁMICO MICO C I C L O D E L P R O C E S O D E M U L T I E F E C T O E F E C T O S CONDENSADOR AGUA MAR VAPOR CONDENSADOS ALIMENTACION PURGA APORTACION RECHAZO PRODUCTO Tcon Tmax Tevap Ts Tsal Te Tpu Tpr Trz Tam

14 EVAPORACIÓN N MULTIEFECTO DATOS DE PARTIDA Producción (m 3 /día) Relación de economía (ER) (lb/kbtu) Producción (lb/h) ER = 1000 xq(btu/h) Temperatura del agua de mar (Tam) Temperatura máxima de trabajo (Tmax) Concentración del agua de mar (Cam)

15 EVAPORACIÓN N MULTIEFECTO CALOR AL RECALENTADOR (Q) PLANTA MED AGUA DE MAR (AM, Tam, Cam) PRODUCTO (PR, Tpr, 0) PURGA SALMUERA (PU, Tpu, Cpu) RECHAZO AGUA DE MAR (RZ, Trz, Cam) BALANCE DE MASAS: AM = PR + PU + RZ Si llamamos agua de mar de Aportación al ciclo a AP, tenemos: AP = PR + PU; de donde: RZ = AM AP BALANCE DE SALES: AM x Cam = RZ x Cam + PR x 0 + PU x Cpu y de aquí obtenemos: (AM RZ) x Cam = PU x Cpu; o bien: AP x Cam = PU x Cpu; AP x Cam = (AP PR) x Cpu; AP x (Cpu Cam) = PR x Cpu AP = Cpu ( Cpu Cam) xpr

16 EVAPORACIÓN N MULTIEFECTO BALANCE DE ENERGÍA Hipótesis: 1. La cantidad de producto obtenido en cada efecto es la misma 2. La caída de temperatura entre efectos es la misma e igual a t 3. El calor desprendido por la salmuera y el producto debido a la evaporación instantánea debida a la caída de temperatura entre efectos, es el mismo calor absorbido por la Aportación para calentarse. La cantidad de calor que será necesario introducir en el primer efecto es igual a: Q = PR N Hl + AP Ce Δt

17 EVAPORACIÓN N MULTIEFECTO OTRAS ECUACIONES DEL PROCESO: Planteando las ecuaciones de bance de masas, energía y sales del proceso y simplificando se llega a las siguientes ecuaciones: 1 1 AP Ce Δt = + ER N Hl PR 1 T rz N = Tam + max am 1 ER ( T T ) AM = Ce N H l ( T T ) rz am PR Δt = T max N T 1 pu AP = AM T rz ( T T ) ( T T ) max rz T am rz am Cam PU = Cpu Cam PR

18 COMPRESIÓN N MECÁNICA DE VAPOR CICLO DEL PROCESO DE COMPRESIÓN DE VAPOR VAPOR AL COMPRESOR ALIMENTACIÓN PURGA DE SALMUERA AGUA DE MAR PRODUCTO CICLO TERMODINÁMICO Tcon Tsat Ta Ts Tpr Tpu Tam

19 COMPRESIÓN N MECÁNICA DE VAPOR ENERGÍA AL COMPRESOR (E) PLANTA CV AGUA DE MAR (AM, Tam, Cam) PRODUCTO (PR, Tpr, 0) PURGA SALMUERA (PU, Tpu, Cpu) BALANCE DE MASAS: AM = PR + PU BALANCE DE SALES: AM x Cam = PR x 0 + PU x Cpu ; por otra parte tenemos que: A x Ca = (A PR) x Cpu ; siendo A = Alimentación al evaporador Ca = Concentración de la alimentación y de aquí obtenemos: Cam Cpu PU = PR; A = Cpu Cam Cpu Ca PR

20 COMPRESIÓN N MECÁNICA DE VAPOR BALANCES DE ENERGÍA Si hacemos la hipótesis que Tpr = Tpu, tendremos: E = PR x (H2 H1) = AM x ce x (Tpu Tam); donde: E = energía mecánica cedida por el compresor de vapor H2 = Entalpía del vapor comprimido H1 = Entalpía del vapor evaporado a la entrada del compresor Pero según las ecuaciones de un compresor: H 2 H 1 = R T s n n 1 P 2 P 1 n 1 n 1 Sustituyendo por valores para el vapor de agua, queda:

21 COMPRESIÓN N MECÁNICA DE VAPOR 0,332 P 2 ΔH ( Kwh / m3) = 0,406 ( t + 273) 1 P1 Donde: H = Consumo específico del compresor t = temperatura de trabajo del evaporador (ºC) P 2 = Presión de salida del compresor (bar) P 1 = Presión a la entrada al compresor (bar)

22 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL Q 1 ; T 1 ; P 1 ; H 1 E Q 1 ; T 3 ; P 3 ; H 3

23 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL, CON EXTRACCIÓN INTERMEDIA DE VAPOR Q 1 +Δq; T 1 ; P 1 ; H 1 Q 2 ; T 2 ; P 2 ; H 2 E PLANTA DESALADORA DE DESTILACIÓN Q 3 ; T 3 ; P 3 ; H 3

24 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL: CON TURBINA DE CONTRAPRESIÓN Q 1 +Δq; T 1 ; P 1 ; H 1 E Q 1 +Δq; T 2 ; P 2 ; H 2 PLANTA DESALADORA DE DESTILACIÓN

25 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CICLO CONVENCIONAL E = Q 1 x (H 1 H 3 ) x η t x η a ; CICLO CON EXTRACCIÓN INTERMEDIA DE VAPOR E = [(Q 1 + q) x H 1 Q 2 x H 2 Q 3 x H 3 ] x η t x η a ; pero: Q 3 = Q 1 + q Q 2 : Igualando y simplificando las expresiones anteriores, tenemos que: Δq = Q 2 H H 2 1 H H 3 3

26 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CICLO CONVENCIONAL E = Q 1 x (H 1 H 3 ) x η t x η a ; CICLO CON TURBINA DE CONTRAPRESIÓN E = [(Q 1 + q) x (H 1 H 2 )] x η t x η a ; Igualando y simplificando las expresiones anteriores, tenemos que: Δq = Q 1 H H 2 1 H H 3 2

27 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CICLO TERMODINÁMICO DE UNA CENTRAL T. FOCO CALIENTE CANTIDAD DE COMBUSTIBLE T E M P E R A T U R A HUMOS Y PERDIDAS AL AMBIENTE CONSUMOS INTERNOS PRODUCCIÓN NETA DE ENERGÍA ELECTRICA FOCO FRÍO ENERGIA AL CONDESADOR

28 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CICLO TERMODINÁMICO DE UNA CENTRAL T. FOCO CALIENTE CANTIDAD DE COMBUSTIBLE T E M P E R A T U R A HUMOS Y PERDIDAS AL AMBIENTE CONSUMOS INTERNOS PRODUCCIÓN NETA DE ENERGÍA ELECTRICA FOCO FRÍO

29 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CICLO TERMODINÁMICO DE UNA PLANTA DUAL FOCO CALIENTE CANTIDAD DE COMBUSTIBLE T E M P E R A T U R A DESALADORA HUMOS Y PERDIDAS AL AMBIENTE CONSUMOS INTERNOS PRODUCCIÓN NETA DE ENERGÍA ELECTRICA AGUA DESALADA FOCO FRÍO

30 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CICLO TERMICO CONVENCIONAL CON TURBINA DE CONDENSACION 242 Tn/h 120 bars; 540ºC 59,61 MW term/h POTENCIA POTENCIA PRODUCIDA: PRODUCIDA: KW KW CONSUMO CONSUMO INTERNO: INTERNO: KW KW POTENCIA POTENCIA AL AL EXTERIOR: EXTERIOR: KW KW CONSUMO CONSUMO DE DE ENERGÍA: ENERGÍA: term/h term/h CONSUMO CONSUMO ESPECÍFICO: ESPECÍFICO: 2,45 2,45 term/kwh term/kwh

31 PLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓN N DE COSTOS CICLO CONVENCIONAL CON PLANTA DE DESALACIÓN 288 Tn./h 120 bars; 540ºC 62,26 MW term/h m3/d. POTENCIA PRODUCIDA: KW CONSUMO INTERNO (CT+PD): KW POTENCIA AL EXTERIOR: KW CONSUMO DE ENERGIA: term/h CONSUMO DE ENERGIA POR EL AGUA: term/h AGUA PRODUCIDA: 2.083,33 m3/h CONSUMO ESPECÍFICO DEL AGUA: 13,40 term/m3

32 OPTIMIZACIÓN N DE PLANTAS DE M.S.F.. Y M.E.D DATOS POR LÍNEA PUNTO DENOMINACIÓN AGUA DE MAR AL EVAPORADOR AGUA DE AGUA DE MAR DE RECHAZO AL MAR APORTACIÓN SALMUERA A RECICLADO RECICLADO ENTRADA RECUPERAC. RECICLADO SALIDA RECUPERAC. RECICLADO SALIDA RECALENTADOR PRODUCTO PURGA DE SALMUERA VAPOR A CONDENSADOS A RECALENTADOR C.T. CAUDAL Tn/h , , , , , , , , ,65 923,24 914,01 TEMPERATURA ºC 25 33,07 33,07 33,18 33,15 106, ,68 33, CONCENTRAC. ppm , , , , ,74 P = 2 bar <1,5 NÚMERO DE LÍNEAS = 4 NÚMERO DE ETAPAS = CONSUMO ESPECDIFICO ENERGÍA ELECTRICA = 5,59 kwh/m3 ESTUDIO VIABILIDAD M.S.F. BALACE DE MASA Y ENERGÍA INGENIERÍA Rev.: CONSULTORA Fecha: 13/05/2007 CASO: 1

33 OPTIMIZACIÓN N DE PLANTAS DE M.S.F.. Y M.E.D OPTIMIZACIÓN DE LA RELACIÓN DE ECONOMIA ER INVERSIÓN COSTO M3 C. OPERAC C. AMORTIZ CONS ESPECI /m3 /m3 /m3 kwh/m3 7, ,6528 3,4330 0,2200 4,181 7, ,5040 3,2770 0,2270 4,262 8, ,3221 3,0810 0,2410 4,464 8, ,2158 2,9650 0,2510 4,579 9, ,0961 2,8240 0,2720 4,888 9, ,0243 2,7390 0,2850 5,063 10, ,9684 2,6480 0,3200 5,588

34 OPTIMIZACIÓN N DE PLANTAS DE M.S.F.. Y M.E.D INVERSIÓN EUROS ,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 RELACIÓN DE ECONOMIA

35 OPTIMIZACIÓN N DE PLANTAS DE M.S.F.. Y M.E.D CONSUMO ESPECIFICO ELECTRICO 6,00 5,50 kwh/m3 5,00 4,50 4,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 RELACIÓN DE ECONOMIA

36 OPTIMIZACIÓN N DE PLANTAS DE M.S.F.. Y M.E.D COSTO DEL M3 4,00 EUROS/m3 3,50 3,00 2,50 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 RELACIÓN DE ECONOMIA

37 INVERSIÓN N Y COSTOS DE EXPLOTACIÓN PLANTAS M.S.F.. Y M.E.D DATOS DE PARTIDA DEL ESTUDIO m3/d < PRODUCCIÓN < m3/d RELACIÓN DE ECONOMIA = 10 lb/kbtu Tmax = 115 ºc Tam = 25 ºC SALINIDAD AGUA DE MAR = ppm INTERES DE CAPITAL AJENO = 7% AÑOS DE AMORTIZACIÓN = 25 TIR FONDOS PROPIOS = 15% FONDOS PROPIOS = 25%

38 INVERSIÓN N Y COSTOS DE EXPLOTACIÓN PLANTAS M.S.F.. Y M.E.D PRECIO UNITARIO INVERSIÓN /m3/d INSTALADO PRODUCCIÓN (m3/d)

39 INVERSIÓN N Y COSTOS DE EXPLOTACIÓN PLANTAS M.S.F.. Y M.E.D COSTOS DE EXPLOTACIÓN 3,000 2,950 2,900 2,850 /m3 2,800 2,750 2,700 2,650 2,600 2, PRODUCCIÓN (m3/d)

40 INVERSIÓN N Y COSTOS DE EXPLOTACIÓN PLANTAS M.S.F.. Y M.E.D DESGLOSE DEL COSTO DE EXPLOTACIÓN ENERGÍA TERMICA 86,8% VARIOS 1,1% MANTENIMIENTO 0,9% PRODUCTOS QUIMICOS 0,8% MANO DE OBRA 0,9% ENERGÍA ELECTRICA 9,6%

41 INVERSIÓN N Y COSTOS DE EXPLOTACIÓN PLANTAS M.S.F.. Y M.E.D COSTO DEL M3 3,700 3,500 3,300 /m3 3,100 2,900 2,700 2, PRODUCCIÓN (m3/d)

42 CONSIDERACIONES AMBIENTALES PLANTAS M.S.F.. Y M.E.D