tecnologÍas de desalaciÓn: procesos de destilaciÓn · central tÉrmica convencional: con turbina...

XII MATER INTERNACIONAL DE RIEGO Y DRENAJE

TECNOLOGÍAS DE DESALACIÓN:

PROCESOS DE DESTILACIÓN

Juan María Sánchez-ECOAGUA

Madrid 16 a 18 de mayo de 2007

Promueve:

MINISTERIO DE AGRICULTURA, PESCA

Y ALIMENTACIÓN

ÍÍNDICENDICE

1.1. EvaporaciEvaporacióón instantn instantáánea nea multietapamultietapa

2.2. EvaporaciEvaporacióón n multiefectomultiefecto

3.3.

CompresiCompresióón de vaporn de vapor

4.4.

Plantas duales: atribuciPlantas duales: atribucióón de costosn de costos

5.5.

OptimizaciOptimizacióón de las plantas de MSF y n de las plantas de MSF y MEDMED

6.6.

InversiInversióón y costos de explotacin y costos de explotacióónn

7.7.

Consideraciones ambientalesConsideraciones ambientales

VAPOR

CONDENSADO

RECICLADO

APORTACIÓN

RECHAZO DE AGUA DE MAR

AGUA DE MAR

PRODUCTO

PURGA DE SALMUERA

RECALENTADOR SECCIÓN DE RECUPERACIÓN DE CALOR SECCIÓN DE RECHAZO

EVAPORACIEVAPORACIÓÓN INSTANTN INSTANTÁÁNEA NEA MULTIETAPAMULTIETAPA

Ta

Tmax

Ter TrzTpr

Tpu

Tsr

T1

Q

Tr

Tp

Ts

Te

TNE+EPE

VAPOR

CONDENSADO

RECICLADO

APORTACIÓN

RECHAZO DE AGUA DE MAR

AGUA DE MAR

PRODUCTO

PURGA DE SALMUERA

RECALENTADOR SECCIÓN DE RECUPERACIÓN DE CALOR SECCIÓN DE RECHAZO

EVAPORACIEVAPORACIÓÓN INSTANTN INSTANTÁÁNEA NEA MULTIETAPA: DIAGRAMA TMULTIETAPA: DIAGRAMA TÉÉRMICORMICO

P

T

Liquido

Vapor

EP TNE

Agua pura

Agua saladaAgua salada

dinámica

EVAPORACIEVAPORACIÓÓN INSTANTN INSTANTÁÁNEA NEA MULTIETAPA: DIAGRAMA TMULTIETAPA: DIAGRAMA TÉÉRMICORMICO

DATOS DE PARTIDA

•

Producción (m3/día)•

Relación de economía (ER) (lb/KBTU)

•

Temperatura del agua de mar (Tam)•

Temperatura máxima de trabajo (Tmax)

•

Concentración del agua de mar (Cam)

xQ(BTU/h)1000(lb/h) ProducciónER =


CALOR AL RECALENTADOR (Q)

PLANTA MSF

AGUA DE MAR (AM, Tam, Cam)

RECHAZO AGUA DE MAR (RZ, Trz, Cam)

PURGA SALMUERA (PU, Tpu, Cpu)

PRODUCTO (PR, Tpr, 0)

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

( )xPRCamCpu

CpuAP−

=


Y haciendo el balance salino de la aportación y la salmuera para formar el Reciclado, tenemos:

( ) CpuPRRCrRademasCamCrFC ×−=×= :;

( ) CamAPCpuPUPRRCrR ×+×−−=×

Combinando todas las ecuaciones anteriores llegamos a:

Cam

RPR

FCCpuPR

RPRFC

FCAPPR

RPRFC

RPR

PU ×−

=×+−

=×+−

−=

1;

1;

1

1


CALCULO DEL CAUDAL DE RECICLADO

R x HL

(Tmax) –

(R –

PR) x HL

(Tpu) = PR x HV

[(Tmax

+ Tpu)/2];

R x [HL

(Tmax) -

HL

(Tpu)] = PR x HV

[(Tmax

+ Tpu)/2] –

PR x HL

(Tpu);

R x ce x (Tmax

–

Tpu) = PR x HV

[(Tmax

+ Tpu)/2] –

PR x HL

(Tpu) - PR x HL

[(Tmax

+ Tpu)/2] + PR x HL

[(Tmax

+ Tpu)/2];

R x ce x (Tmax

–

Tpu) = PR x Hl

+ PR x ce x (Tmax

–

Tpu)/2;

( ) PRTpuTmaxCe

HlR ×⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−×= 5,0

CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE PURGA

Hipótesis:

Tpu

≈

Trz

≈

Tpr; en cuyo caso:

Q = AM x ce x (Tpu

–

Tam); y como:


ERPRxQ 1000

= Y según la ecuación que hemos obtenido para el caudal de reciclado:

( )( )TpuTmaxCeHl

TpuTmaxCeRPR−××+

−××=

5,0

( )( ) ( )TamTpuCeAM

TpuTmaxCeHlTpuTmaxCeR

ER−××=

−××+−×

××5,0

1000

Sustituyendo queda:

( )TpuTmaxCeHl −××+≈ 5,01000

Operando esta ecuación y como aproximadamente se cumple que:

Finalmente queda:

1+×

−+=

ERR

AMTamTmaxTamTpu


CONDENSADORE F E C T O S

VAPOR

CONDENSADOS ALIMENTACION

AGUA MAR

APORTACION

RECHAZO

PRODUCTO

PURGA

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

EVAPORACIEVAPORACIÓÓN MULTIEFECTON MULTIEFECTO

CONDENSADORE F E C T O S

VAPOR

CONDENSADOS ALIMENTACION

AGUA MAR

APORTACION

RECHAZO

PRODUCTO

PURGA

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

Tcon

Tpr

Trz Tam

Te

Tevap

Tpu

Ts

Tmax

Tsal

EVAPORACIEVAPORACIÓÓN MULTIEFECTO: N MULTIEFECTO: CICLO TERMODINCICLO TERMODINÁÁMICOMICO

DATOS DE PARTIDA

•

Producción (m3/día)•

Relación de economía (ER) (lb/KBTU)

•

Temperatura del agua de mar (Tam)•

Temperatura máxima de trabajo (Tmax)

•

Concentración del agua de mar (Cam)

xQ(BTU/h)1000(lb/h) ProducciónER =


CALOR AL RECALENTADOR (Q)

PLANTA MED


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

( )xPRCamCpu

CpuAP−

=



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:

tCeAPHlNPRQ Δ××+×=


OTRAS ECUACIONES DEL PROCESO:

Planteando las ecuaciones de bance de masas, energía y sales del proceso y simplificando se llega a las siguientes ecuaciones:

PRHltCeAP

NER ×Δ××

+= 111

( ) PRTTNCe

HAM

amrz

l ×−××

=

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −×−+= 1max ER

NTTTT amamrz

( ) ( )amrzrz

amrz

TTTTTT

AMAP−−−

−×=

max

PRCamCpu

CamPU ×−

=

1max

−

−=Δ

NTT

t pu

AGUA DE MAR

PRODUCTO

VAPOR AL COMPRESOR

ALIMENTACIÓN

PURGA DE SALMUERA

TprTpuTam

TaTs

Tcon

Tsat

CICLO DEL PROCESO DE COMPRESIÓN DE VAPOR

CICLO TERMODINÁMICO

COMPRESICOMPRESIÓÓN MECN MECÁÁNICA DE VAPORNICA DE VAPOR

ENERGÍA AL COMPRESOR (E)

PLANTA CV




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:

PRCaCpu

CpuAPRCamCpu

CamPU ×−

=×−

= ;


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:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

−××=−

−

11

1

1

212

nn

s PP

nnTRHH


Sustituyendo por valores para el vapor de agua, queda:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×+×=Δ 1)273(406,0)3/(

332,0

1

2

PPtmKwhH

Donde:

∆H = Consumo específico del compresor

t = temperatura de trabajo del evaporador (ºC)

P2

= Presión de salida del compresor (bar)

P1

= Presión a la entrada al compresor (bar)


Q1; T1; P1; H1

Q1; T3; P3; H3

E

CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL

PLANTAS DUALES: ATRIBUCIPLANTAS DUALES: ATRIBUCIÓÓN DE N DE COSTOSCOSTOS

PLANTA DESALADORA DE DESTILACIÓN

Q1+Δq; T1; P1; H1 Q2; T2; P2; H2

Q3; T3; P3; H3

E

CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL, CON EXTRACCIÓN INTERMEDIA DE VAPOR


PLANTA DESALADORA DE DESTILACIÓN

Q1+Δq; T1; P1; H1

Q1+Δq; T2; P2; H2

E

CENTRAL TÉRMICA CONVENCIONAL: CON TURBINA DE CONTRAPRESIÓN



CICLO CONVENCIONAL

E = Q1

x (H1

– H3

) x ηt

x ηa

;

CICLO CON EXTRACCIÓN INTERMEDIA DE VAPOR

E = [(Q1

+ ∆q) x H1

– Q2

x H2

– Q3

x H3

] x ηt

x ηa

; pero:

Q3

= Q1

+ ∆q –

Q2

:

Igualando y simplificando las expresiones anteriores, tenemos que:

31

322 HH

HHQq

−−

×=Δ

CICLO CONVENCIONAL

E = Q1

x (H1

– H3

) x ηt

x ηa

;

CICLO CON TURBINA DE CONTRAPRESIÓN

E = [(Q1

+ ∆q) x (H1

– H2

)] x ηt

x ηa

;

Igualando y simplificando las expresiones anteriores, tenemos que:


21

321 HH

HHQq

−−

×=Δ


CICLO TERMODINÁMICO DE UNA CENTRAL T.

HUMOS Y PERDIDASAL AMBIENTE

CONSUMOS INTERNOS

PRODUCCIÓN NETA DE ENERGÍA ELECTRICA

ENERGIA AL CONDESADOR

FOCO FRÍO

FOCO CALIENTE

T E M P E R A T U R A

CANTIDAD DE COMBUSTIBLE

FOCO FRÍO

FOCO CALIENTE


CONSUMOS INTERNOS



CICLO TERMODINÁMICO DE UNA CENTRAL T.CANTIDAD DE COMBUSTIBLE


FOCO FRÍO

FOCO CALIENTE


CONSUMOS INTERNOS



CICLO TERMODINÁMICO DE UNA PLANTA DUAL

DESALADORA AGUA DESALADA

CANTIDAD DE COMBUSTIBLE


CICLO TERMICO CONVENCIONAL CON TURBINA DE CONDENSACION

140.907 term/h

242 Tn/h120 bars; 540ºC 59,61 MW

POTENCIA PRODUCIDA: 59.613 KW

CONSUMO INTERNO: 2.100 KW

POTENCIA AL EXTERIOR: 57.513 KW

CONSUMO DE ENERGÍA: 140.907 term/h

CONSUMO ESPECÍFICO: 2,45 term/KWh


CONSUMO INTERNO: 2.100 KW


CONSUMO DE ENERGÍA: 140.907 term/h

CONSUMO ESPECÍFICO: 2,45 term/KWh


168.824 term/h

288 Tn./h120 bars; 540ºC 62,26 MW

50.000 m3/d.

CICLO CONVENCIONAL CON PLANTA DE DESALACIÓN


CONSUMO INTERNO (CT+PD): 4.750 KW


CONSUMO DE ENERGIA: 168.824 term/h

CONSUMO DE ENERGIA POR EL AGUA: 27.917 term/h

AGUA PRODUCIDA: 2.083,33 m3/h

CONSUMO ESPECÍFICO DEL AGUA: 13,40 term/m3


CONSUMO INTERNO (CT+PD): 4.750 KW


CONSUMO DE ENERGIA: 168.824 term/h

CONSUMO DE ENERGIA POR EL AGUA: 27.917 term/h

AGUA PRODUCIDA: 2.083,33 m3/h

CONSUMO ESPECÍFICO DEL AGUA: 13,40 term/m3


OPTIMIZACIOPTIMIZACIÓÓN DE PLANTAS DE N DE PLANTAS DE M.S.FM.S.F. Y . Y M.E.DM.E.D

PUNTO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

DENOMINACIÓN AGUA DE MAR AL EVAPORADOR

AGUA DE RECHAZO AL MAR

AGUA DE MAR DE APORTACIÓN

SALMUERA A RECICLADO

RECICLADO ENTRADA

RECUPERAC.

RECICLADO SALIDA

RECUPERAC.

RECICLADO SALIDA

RECALENTADORPRODUCTO PURGA DE

SALMUERAVAPOR A

RECALENTADORCONDENSADOS A

C.T.

CAUDAL Tn/h 59.838,65 40.921,66 18.916,99 40.921,66 59.838,65 59.838,65 59.838,65 8.333,33 10.583,65 923,24 914,01TEMPERATURA ºC 25 33,07 33,07 33,18 33,15 106,72 115 31,68 33,18 120 120CONCENTRAC. ppm 39.000 39.000 39.000 69.707,74 60.000,00 60.000,00 60.000,00 5 69.707,74 P = 2 bar <1,5

NÚMERO DE LÍNEAS = 4NÚMERO DE ETAPAS = 27 + 3CONSUMO ESPECDIFICO ENERGÍA ELECTRICA = 5,59 kWh/m3

INGENIERÍA Rev.:CONSULTORA Fecha: 13/05/2007

CASO: 1

DATOS POR LÍNEA

ESTUDIO VIABILIDAD M.S.F.BALACE DE MASA Y ENERGÍA

2

7

5 16

10

11

8

4 9

3

ER INVERSIÓN COSTO M3 C. OPERAC C. AMORTIZ CONS ESPECI€ €/m3 €/m3 €/m3 kWh/m3

7,00 33.746.615 3,6528 3,4330 0,2200 4,1817,40 34.801.466 3,5040 3,2770 0,2270 4,2628,00 37.082.521 3,3221 3,0810 0,2410 4,4648,40 38.489.343 3,2158 2,9650 0,2510 4,5799,00 41.785.334 3,0961 2,8240 0,2720 4,8889,40 43.829.741 3,0243 2,7390 0,2850 5,063

10,00 49.193.110 2,9684 2,6480 0,3200 5,588


OPTIMIZACIÓN DE LA RELACIÓN DE ECONOMIA

INVERSIÓN

30.000.000

35.000.000

40.000.000

45.000.000

50.000.000

55.000.000

6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00

RELACIÓN DE ECONOMIA

EUR

OS


CONSUMO ESPECIFICO ELECTRICO

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00


kWh/

m3


COSTO DEL M3

2,50

3,00

3,50

4,00

6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00


EUR

OS/

m3


INVERSIINVERSIÓÓN Y COSTOS DE EXPLOTACIN Y COSTOS DE EXPLOTACIÓÓN N PLANTAS PLANTAS M.S.FM.S.F. Y . Y M.E.DM.E.D

DATOS DE PARTIDA DEL ESTUDIO

10.000 m3/d < PRODUCCIÓN < 200.000 m3/d

RELACIÓN DE ECONOMIA = 10 lb/KBTU

Tmax

= 115 ºc

Tam = 25 ºC

SALINIDAD AGUA DE MAR = 39.000 ppm

INTERES DE CAPITAL AJENO = 7%

AÑOS DE AMORTIZACIÓN = 25

TIR FONDOS PROPIOS = 15%

FONDOS PROPIOS = 25%


PRECIO UNITARIO INVERSIÓN

0200

400600

8001.000

1.2001.400

1.6001.800

2.000

0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000

PRODUCCIÓN (m3/d)

€/m

3/d

INST

ALA

DO


COSTOS DE EXPLOTACIÓN

2,550

2,600

2,650

2,700

2,750

2,800

2,850

2,900

2,950

3,000

0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000

PRODUCCIÓN (m3/d)

€/m

3

DESGLOSE DEL COSTO DE EXPLOTACIÓN

ENERGÍA TERMICA86,8%

VARIOS1,1%

MANO DE OBRA0,9%

PRODUCTOS QUIMICOS

0,8%

MANTENIMIENTO0,9%

ENERGÍA ELECTRICA9,6%



COSTO DEL M3

2,500

2,700

2,900

3,100

3,300

3,500

3,700

0 50000 100000 150000 200000 250000

PRODUCCIÓN (m3/d)

€/m

3

CONSIDERACIONES AMBIENTALES CONSIDERACIONES AMBIENTALES PLANTAS PLANTAS M.S.FM.S.F. Y . Y M.E.DM.E.D

tecnologÍas de desalaciÓn: procesos de destilaciÓn · central tÉrmica convencional: con turbina...

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