Análisis de la planta desaladora de Gibraltar y optimización de sus recuperadores de energía

Quintana Martínez, Iván (2018). Análisis de la planta desaladora de Gibraltar y optimización de sus recuperadores de energía. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Análisis de la planta desaladora de Gibraltar y optimización de sus recuperadores de energía
Autor/es:
  • Quintana Martínez, Iván
Director/es:
  • Sánchez Escribano, María Guadalupe
  • Pitto, Luis
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
Materias:
Palabras Clave Informales: Desalación, Ósmosis Inversa, Planta Desaladora, Recuperadores de energía, PX, Bombas Hidráulicas, Captación de Agua y Filtración.
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería de Organización, Administración de Empresas y Estadística
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Actualmente, la técnica más extendida en el campo de la desalinización es la ósmosis inversa. Consiste en hacer pasar el agua de mar a través de una membrana especial, de forma que las sales queden filtradas y sólo pase agua pura. Para ello, hay que aplicar una presión en el agua de mar superior a la presión osmótica, de lo cual se encarga la bomba de alta presión del circuito hidráulico. Sin embargo no toda el agua introducida sale como agua purificada, una parte del caudal de entrada a las membranas sale a alta presión como agua concentrada en sales, que no ha podido atravesar las mismas. A esta corriente se le denomina salmuera, y típicamente se devolvía al mar sin aprovechar el potencial que suponía su energía acumulada. El principio de la recuperación de energía en las plantas desaladoras de ósmosis inversa, consiste precisamente en aprovechar esta energía en forma de presión de la salmuera. Se han implementado muchos equipos con este fin, como las turbinas Francis, las turbinas Pelton o el Turbocharger. Pero desde hace una década, la introducción en el mercado de los Intercambiadores de Presión o Pressure Exchangers (PX) está cambiando el paradigma en el campo de la recuperación de energía. Esto se debe a que el PX alcanza un rendimiento de más del 95% (muy superior al de otros equipos). Además combina un diseño elegante y sencillo, a pesar de la complejidad del concepto que lleva detrás, con una gran adaptabilidad de instalación y operación. El ahorro energético se debe a que su aplicación permite utilizar una bomba de alta presión mucho más pequeña en el sistema, pues parte de su trabajo lo realiza el propio PX, lo cual se traduce en reducir el coste energético de la planta desaladora entorno a un 60%. El PX es una máquina bastante singular. Funciona como dos conductos paralelos que permiten la transferencia de presión desde la corriente de rechazo de salmuera de alta presión, proveniente de la salida de las membranas de ósmosis inversa, a la corriente de alimentación de agua de mar a baja presión. Para ello pone ambos caudales en contacto directo pero sin que se produzca mezcla de los mismos debido a su diferencia de salinidad y densidad. Dicha transferencia de energía tiene lugar en las cámaras interiores de un rotor similar a un revólver, el cual constituye la parte central del recuperador. Este rotor se encaja en una camisa cerámica entre dos tapas con holguras precisas que, cuando se llenan con agua a alta presión, crean un rodamiento hidrodinámico casi sin fricción y sin necesidad de un motor externo que produzca el giro. En un instante dado, la mitad de los conductos del rotor están expuestos a la corriente de baja presión (llenando de agua de alimentación las cámaras) y la otra mitad, a la corriente de alta presión (presurizando el agua de alimentación antes almacenada). Cuando el rotor gira, a una velocidad nominal de 1200 rpm, los conductos pasan al área de sellado que separa la presión alta y baja. Este proceso de intercambio de presión se repite para cada cámara con cada rotación del rotor de manera que las cámaras se llenen y descarguen continuamente. En este trabajo se ha ahondado en el funcionamiento de los equipos PX para lo cual ha sido necesario primero entender y analizar todas y cada una de las partes que conforman una planta desaladora. Los diferentes procesos de este tipo de industria: captación del agua, pretratamiento, etapa de desalación, postratamiento y evacuación de la salmuera; se han analizado aplicando la teoría a un caso de estudio real, que es la Planta Desaladora “Glen Rocky Distillery” de Gibraltar. Esta planta ha sido visitada in situ, lo cual ha permitido la toma de datos en la que se basa todo el trabajo. A partir de los datos medidos en la Desaladora de Gibraltar y con la ayuda del simulador ERI-Sim V1.3b y el software WinCAPS para el cálculo de bombas, se han recreado lo sucesivos pasos para el arranque y parada de una planta desaladora completa. El objetivo final es encontrar el punto de funcionamiento cuyas condiciones de operación producen alto riesgo de cavitación en el PX, lo cual genera daños graves en los materiales de este equipo provocando su inutilización. Este punto de funcionamiento, que se desea evitar a toda costa para preservar la integridad de todo el circuito hidráulico y en especial del PX, es debido a la apertura de la válvula de expulsión de salmuera durante el arranque y parada de la planta. Esta válvula es manual y hace que se produzca sobrecaudal en el recuperador, provocando la cavitación del mismo. Actualmente, tanto Glen Rocky Distillery como la mayoría de las plantas desaladoras solucionan este aspecto intentando equilibrar bien los caudales del PX y pasando por este punto todo lo rápido que les permite la secuencia de arranque o parada. Sin embargo, esta medida no siempre es suficiente y a menudo los problemas de cavitación suponen elevadas inversiones en mantenimiento. El valor diferencial de este trabajo, además del análisis de proceso y la simulación detallada explicada antes, es la propuesta de dos soluciones que evitarían el grave problema de cavitación en los PX: Una solución, más técnica, consistente en la implementación de un control PID que regule la apertura de la válvula para mantener un caudal de referencia seguro. La otra, más simple y económica, se basada en la instalación de un disco limitador de caudal a la entrada del PX. La viabilidad futura de la desalación necesitará propuestas de procesos innovadores más robustos y eficientes así como mejoras en la eficiencia energética de las instalaciones existentes. Sin embargo, y cada vez más, la desalación se plantea como una alternativa económicamente viable para resolver muchos de los problemas de suministro de agua potable que a fecha de hoy todavía hay en el mundo.

Más información

ID de Registro: 50276
Identificador DC: http://oa.upm.es/50276/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:50276
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 20 Abr 2018 15:15
Ultima Modificación: 20 Abr 2018 15:15
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