Plantas de tratamiento de agua para produccin de agua desmineralizada en usos industriales

Alk F . Javier GARCA CASTILLO Jefe Departamento de Tratamiento de Aguas FACSA Ester RENAU GIMENO Jefa Departamento de Servicios Rodrigo DUQUE HEBRERO Jefe Departamento de Ingeniera Francisco MOLINER FAS Departamento de Servicios SITRA - PRODESA Juan PEALVER SOBRINOS Destilacin y Energas BP OIL ESPAA REFINERIA DE CASTELLN, S.A.U.

Las aguas para uso industrial

requieren, a veces, unas ealidades que no siempre estn disponibles en origen, por lo que deben someterse a procesos de aeondieionamiento. El tratamiento final al que se sometern ser ms o menos complejo en funein del uso final o proceso al que se destinen. Las neeesidades eada vez ms exigentes de ealidad de agua son satisfeeha_s llegando a niveles de agua ultrapura. Los avanees en teenologa de tratamiento de aguas han llegado de la mano de los procesos de membrana_s como son la smosis Inversa (01), y, ms reeientemente, la Eleetrodesionizacin (EDI), para el pulido fi nal del agua; teenologas que estn desplazando, eada vez mg_s a los tradieionales sistemas de tratamiento por resinas, y que son eapaces de propoirionar agua eon >16 Illohm/em.

Introduccin

Las aguas para uso industrial requieren, a veces, unas calidades que no siempre estn disponibles en origen, por lo que deben some-terse a procesos de acondiciona-miento. En funcin del proceso al que deban alimentar, la calidad exigida ser diferente y el trata-miento final al que se someter ser ms o menos complejo.

Para alcanzar calidades de agua similares disponemos de dis-tintos tratamientos y el elegir el ms correcto para nuestras nece-sidades no es tarea fcil, si bien para determinados procesos in-dustriales se estn estandarizando los esquemas de tratamiento para las aguas.

En las plantas trmicas para generacin de energa elctrica uno de los componentes funda-mentales es el equipo de genera-cin trmica. Tambin existen mu-chos procesos industriales que usan este equipo como generador de vapor. El agua para alimenta-

cin a estos equipos requiere de una calidad especial y el trata-miento de sta es fundamental para asegurar una larga vida til de los mismos. El objetivo de este tratamiento es prevenir posibles corrosiones e incrustaciones. Tambin se requiere agua de alta calidad para el control de emisio-nes en la combustin.

Los avances en tecnologa de equipos de vapor, unidos a los del tratamiento del agua, han he-cho que las necesidades cada vez ms exigentes de calidad de agua para aporte a los mismos puedan ser satisfechas, Ilegando a niveles de agua ultrapura. Los avances en tecnologa de trata-miento de aguas antes menciona-dos han Ilegado de la mano de los procesos de membranas, como son la 01, con la combina-cin de dos pasos, y, ms recien-temente, la EDI, para el pulido fi-nal del agua. Estas tecnologas estn desplazando, cada vez ms, a los tradicionales sistemas de tratamiento por resinas.

y con una disponibilidad del 99% del tiempo.

Las calidades de agua de en-trada al proceso, proveniente de pozos de la zona, y agua objetivo desmineralizada, son las que se muestran en la tabla 1.

Descripcin de la instalacin

El sistema de tratamiento adoptado para el proyecto de des-mineralizacin de las aguas de aporte a la cogeneracin est compuesto por cuatro fases per-fectamente identificadas, que son:

pretratamiento, tratamiento de 01,

tratamiento por electrodesioni-zacin, y efluentes. Como caractersticas genera-

les de la instalacin tenemos que los equipos de filtracin y grupos

de bombeo estn duplicados como medida de seguridad y para ase-gurar un factor de uso y disponibi-lidad lo ms elevado posible.

En el caso de los grupos de bombeo, stos estn diseados en forrna de 2 x 100%, esto es, que una sola bomba es capaz de dar todo el caudal y presin de diseo mientras que la otra permanece de reserva. Ambas se alternan por parada y por fallo trmico. Trabajan a presin constante mediante transmisor de presin instalado en la tubera de im-pulsin y que cierra un lazo de con-trol con un variador de frecuencia instalado en el cuadro CCM (Centro de Control de Motores), siendo estas seales de presin redundantes.

La instalacin se encuentra montada sobre bastidores interco-nectados entre s, lo que facilita su montaje inicial y un posible cambio de ubicacin a futuro, adems de re-ducir la superficie de implantacin.

Los actuales sistemas de des-mineralizacin con tecnologa EDI son capaces de proporcionar agua con 16 Mohm/cm (

roM1 1.1.11.1

Figura 1. Vista parcial del pretratamiento.

Pretratamient El pretratamiento en la instala-

cin de desalinizacin tiene como objetivo el proteger a las membra-nas de incrustaciones y precipita-ciones de sales (qumico) y de partculas y slidos suspendidos (fsico). El diseo del pretratamien-to es importante para garantizar una vida til de las membranas prolongada, evitando todo tipo de ensuciamientos.

A continuacin se describen brevemente las actividades Ileva-das a cabo durante esta etapa de pretratamiento:

Depsitos y bombeos El agua procedente de pozo

se acumula en el depsito de ini-cio, de una capacidad de 15 m 3 . De l aspiran dos grupos de bom-beo, a saber, bombeo de inicio y bombeo de lavado de filtro.

Filtracin multimedia Posteriormente, el agua pasa

a travs del filtro multimedia, de disposicin cilndrica vertical y le-cho de arena silcea y de antracita. De esta forma tendremos una capa dual favoreciendo la elimina-cin, tanto de coloides como de materia orgnica. La actuacin de las vlvulas de sus frontales es automtica.

El lavado del filtro se Ileva a cabo automticamente, teniendo en cuenta el tiempo de funciona-miento y la cada de presin en el mismo, mediante agua bruta a contracorriente. Se disponen dos filtros en paralelo diseados 2 x 100%, para un caudal unitario de 12 m3/h, de manera que se alter-nan cuando el filtro que est en proceso necesita su regeneracin.

Dosificacin de antiincrustante Con el fin de prevenir la preci-

pitacin de sales poco solubles, como pueden ser el sulfato clcico y el sulfato de bario, se aade una cantidad adecuada de agente an-tiincrustante.

El equipo dosificador de antiin-crustante est compuesto por un depsito con interruptor de nivel mnimo con alarma, una bomba dosificadora, tuberas de conexin y vlvulas.

Microfiltracin de seguridad El agua tratada, antes de

ser enviada a los mdulos de membranas se filtra sobre cartu-chos bobinados de polipropileno con una capacidad de retencin de 5 hm. Con esto se consigue un afino del agua a tratar, evitan-do la Ilegada de cualquier tipo de partcula slida de tamao supe-rior a la membrana. Para ello, se instala un contenedor en acero inoxidable para alojar siete uni-dades de cartuchos de 40" de longitud y 5 pm.

Del mismo modo que la filtra-cin primaria, sta se disea 2 x 100%, as cuando sea necesaria la sustitucin de los filtros de car-tucho desechables solo habr que girar un juego de vlvulas instaladas para tal efecto by-pa-seando el caudal por el filtro que se encuentre operativo en cada momento.

Un juego de transmisores de presin situados en las lneas de filtracin nos da la indicacin de la presin previa y posterior a los mismos. La diferencia entre am-bos nos da la alarma para proce-der a la sustitucin o limpieza de los filtros.

La figura 1 muestra una parte de los equipos que conforrnan el pretra-tamiento descrito anteriormente.

Tratamiento por 01 Las caractersticas analticas

del agua bruta de aportacin reco-miendan un tratamiento de sta mediante tcnicas de separacin por membranas semipermeables de 01. Este proceso se basa en el paso de agua a travs de una membrana semipermeable recha-zando gran parte de las sales di-sueltas.

Para conseguir este fenme-no, se debe introducir en el conte-nedor de las membranas agua a una presin superior a la presin osmtica del agua de aporte. Una vez superada esta presin, el flujo de agua permeada es proporcional a la presin en exceso aplicada.

Bombeo de alta presin Se utiliza una bomba centrfu-

ga multietapa con eje y rodetes en acero inoxidable AlS1-316. El gru-po de bombeo de alta presin se disea igualmente segn las ca-ractersticas antes mencionadas.

smosis Inyersa ste es el punto en que se

produce la desalinizacin del agua de aporte por medio del proceso de smosis.

Las membranas elegidas son de configuracin espiral y de tipo composite. La capa activa es de

Figura 2. Vista parcial del sistema de smosis inversa

poliamida aromtica sobre soporte de polisulfona que, a su vez, es so-portado mecnicamente por un teji-do no tejido de polister. Son mem-branas de bajo ensuciamiento, con carga neutra sobre su superficie.

Debido a las necesidades es-pecficas de la etapa posterior a la smosis, Sitra-Prodesa disea un sistema de 01 de dos pasos, inter-calando una torre de desgasifica-cin o stripping para eliminacin del CO2 . En base a los clculos de incrustacin realizados, se adopta como conversin global de diseo el 76,2%, es decir, se produce un caudal de permeado del 76,2% del caudal de aporte y se vierte un re-chazo cuyo caudal es el 23,8% del mismo.

El primer paso se realiza en dos etapas, dando como resultado un producto bajo en sales pero con un contenido sustancial en CO 2. El re-chazo se desestima completamente y es enviado al depsito de efluen-tes. Se adopta como conversin de diseo el 80%. La produccin de este paso es de 11,25 m 3/h.

Para dar ms seguridad a la instalacin y evitar el efecto nega-tivo del CO2, se instala una dosifi-cacin de sosa custica en lnea previa al segundo paso que man-tendr un pH constante a la entra-da de ste.

El equipo dosificador de sosa est compuesto por un depsito con interruptor de nivel mnimo con alarma, una bomba dosificadora, tuberas de conexin y vlvulas.

El segundo paso de la smosis se realiza en una etapa, obteniendo como permeado un agua con una conductividad inferior a 15 liS/cm, calidad ms que suficiente para que funcione correctamente la eta-pa de electrodesionizacin. Se adopta como conversin de diseo el 80%. El rechazo del segundo paso se recircula al 100% sobre dos puntos, un 70% de dicho re-chazo se Ileva a la entrada y un 30% del mismo a la entrada del se-gundo paso. La produccin de este paso es de 9 m 3/h. Este paso se realiza tambin a presin constan-te y mediante un grupo de bombeo diseado igual que el anterior.

En la figura 2 se muestra parte del sistema de membranas descrito.

Torre de desgasificacin o stripping

Debido al alto contenido en CO 2 se instala una torre de desgasifica-cin entre los dos pasos de la s-mosis. sta hace dos funciones; por un lado desgasifica el contenido de CO2 del agua en este punto y, por otro, sirve de pulmn para el bom-beo al segundo paso de la smosis.

Se coloca un sensor de trans-misin de nivel que nos da la lec-tura en lnea de la capacidad del tanque de la torre y que habilita las bombas de impulsin de alta presin al segundo paso.

Se trata de desgasificar el CO 2 producido en el paso uno de la s-mosis mediante el desplazamiento con aire atmosfrico en un flujo a contra corriente provocado por un ventilador.

Se dota a la torre con un depsi-to de 1.500 I de capacidad que sirve de pulmn para el rebombeo del per-meado del primer paso al segundo.

Equipo de desplazamiento o flushing

Para evir el ensuciamiento de las membranas por precipitacin de las sales sobre la misma en los mo-mentos de paro de la smosis, se instala un equipo de desplazamiento o flushing mediante el cual, una vez se ha dado la orden de paro a la planta, se introduce a la membrana agua ya osmotizada y se desplaza toda el agua contenida en las mis-mas hacia el punto de rechazo. De

esta manera, la smosis queda lista para volver a funcionar cuando se den las condiciones de inicio.

El equipo de desplazamiento toma el agua del depsito de lim-piezas y se intercala en la lnea de impulsin una filtracin de seguri-dad. El control de la bomba se realiza por tiempo y/o nivel.

El proceso de smosis se complementa con una serie de equipos de medida de calidad de agua y caudal de tratamiento para afianzar el funcionamiento y com-probar los puntos de trabajo.

Desplazamiento por gravedad En previsin de un fallo de co-

rriente, se dota al sistema de s-mosis con un equipo de desplaza-miento por gravedad. ste est compuesto por un depsito y una vlvula con actuador neumtico de simple efecto para la descarga del mismo en el momento en que se detecte la falta de tensin.

Tratamiento por EDI

Depsito y bombeo El agua procedente de la s-

mosis se acumula en el depsito de agua osmotizada. ste es de una capacidad de 5 m 3 . De l aspi-ra un grupo de bombeo diseado segn las caractersticas antes mencionadas, que enva el agua hasta los mdulos de EDI. Previa-mente se instala un sistema de fil-tracin de seguridad.

Figura 3. Vista parcial de la unidad de electrodesionizacin.

Microfiltracin de seguridad El agua osmotizada, antes

de ser enviada a los mdulos de EDI, se filtra sobre cartuchos bobinados de polipropileno con una capacidad de retencin de 1 mm. Con esto se consigue un afino del agua a tratar, evitando la Ilegada de cualquier tipo de partcula slida de tamao supe-rior a 1 pm a las membranas de la EDI.

Para ello, se instala un conte-nedor en acero inoxidable donde se alojan siete unidades de cartu-chos de 40" y 1 pm.

Electrodesionizacin Es una nueva tecnologa que

combina la electrodilisis y el inter-cambio inico. Mediante esta tc-nica, las sales disueltas pueden ser eliminadas con un bajo consu-mo energtico y sin la necesidad de emplear reactivos regeneran-tes; el resultado es un agua de elevada calidad que puede ser producida en continuo y con eleva-dos caudales.

La EDI emplea una combina-cin de membranas selectivas de iones y resinas de intercambio, montadas de forma alternante ca-tinicas y aninicas y que empa-quetan en su interior la resina de intercambio inico; todo el con-junto se sita entre dos electro-dos [nodo (+) y ctodo (-)] some-tidos a una diferencia de poten-cial elctrico de corriente conti-nua, la cual fuerza la migracin en continuo de los iones desde la cmara de alimentacin hasta las cmaras adyacentes de concen-trado. Este potencial tambin rompe las molculas de agua pro-duciendo iones hidrgeno e hidr-xilos que continuamente produ-cen la regeneracin de la resina y que evita el uso de reactivos. El proceso de EDI reemplaza a los convencionales lechos mixtos (MB) de resinas, produciendo agua de calidad, no necesitando paradas para la regeneracin ni sustitucin de resinas.

Los grupos de membrana se disponen sobre un rack con sus tuberas de entrada y salida. Estas unidades, todas iguales, se deno-minan celdas de electrodesioniza-

cin. En funcin del caudal y ca-ractersticas qumicas del agua de aporte ser la cantidad de mdu-los EDI que se instalen sobre un bastidor y que formen la planta de desionizacin.

La instalacin de desioniza-cin instalada por Sitra-Prodesa posee dos mdulos EDI, para un caudal unitario de 4 m ,/h de pro-duccin. A la salida de la EDI se ha instalado un conductmetro es-pecial para aguas ultrapuras.

Se dota al sistema con dos vlvulas automticas de manera que si se detecta un aumento de la resistividad de salida se des-ve el agua hacia la entrada del proceso.

La produccin de esta etapa de desioniacin es de 8 m 3/h. Se adopta como conversin de diseo el 90%.

Las aguas tratadas por la EDI pasan al deposito de agua desmi-neralizada de 50 m 3 de capacidad desde donde el agua se conduce al proceso de cogeneracin. El control de nivel de este depsito se realiza mediante un sensor de presin instalado en la base del mismo. Este depsito est dotado de elementos para evitar la absor-cin de dixido de carbono del aire y que se contamine as el agua final.

En la figura 3 se muestra la unidad de electrodesionizacin.

Efluentes Los diferentes rechazos que

no son recirculados dentro de la planta se envan al depsito de efluentes. ste se disea para que su volumen til sea capaz de reci-bir un lavado entero de los filtros primarios ms una hora de funcio-namiento del rechazo de la smo-sis. Por tanto, el volumen til del depsito de efluentes es de 15 m 3 de capacidad total.

Del depsito de efluentes aspira un grupo de bombeo di-seado como todos los anterio-res, capaz de vaciar el depsito en 1 h. Estas bombas trabajan, en este caso, a caudal constan-te mediante la seal analgica proporcionada por el caudalme-tro que hace lazo con un varia-dor de frecuencia instalado en el CCM.

Cuadro de control El cuadro de control est

equipado con un autmata pro-gramable (PLC). Dicho PLC es el que gobierna la totalidad de las funciones de la planta, por lo tan-to, es la parte ms delicada del sistema.

Para visualizar el funciona-miento global de la planta existe una pantalla de visualizacin y de programacin la cual nos per-mite acceder a los parmetros del autmata.

EVOLUC1N CAUDALES

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Figura 4. Caudal de produccin de las unidades de 01.

Figura 5. Caudal de produccin de la unidad de EDI.

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Figura 6. Calidad de Permeado de las unidades de smosis Inversa.

Anlisis de funcionamiento de la

instalacin

La instalacin de desminerali-zacin del proyecto Cogeneracin IV de BP Oil Refinera de Caste-Iln desarrollada por Sitra-Prodesa fue puesta en servicio en julio de 2009.

Toda la analtica de control de la instalacin se efecta en Ipro-ma, S.L., laboratorio acreditado por ENAC.

La figura 4 muestra la evolu-cin de caudales de la instala-cin de 01, tanto para el paso uno como para el paso dos, mientras que la figura 5 muestra la evolucin de la produccin de

la unidad de desmineralizacin por EDI.

Como puede observarse en las figuras, la produccin se ha mantenido constante a lo largo de estos tres primeros aos de fun-cionamiento, sobre todo, en lo que a la EDI se refiere. Por lo que respecta a la 01, inicialmente se observa el alza en caudal hasta conseguir el ajuste final de diseo y, posteriormente, hace unos me-ses, un descenso de produccin en el segundo paso, propiciado por ensuciamiento de las mem-branas debido a factores exter-nos, que se solucion con limpie-zas qumicas y reposicin parcial de membranas.

Por lo que a la calidad del agua producida se refiere, sta se muestra en las figuras siguientes para las distintas etapas del proce-so. La figura 6 muestra la evolu-cin de la calidad del producto en el tiempo para la instalacin por 01 en sus dos pasos. Como se puede observar, la variacin en la calidad del permeado del primer paso tie-ne escasa o nula influencia sobre la calidad del permeado del se-gundo paso. En la figura 7 se muestra la calidad del diluido de la unidad de EDI obtenido y su cons-tancia. Se aprecia una ligera dis-minucin al cabo de unos dos aos de servicio debido a que la calidad obtenida era excesiva, pu-diendo ser rebajada.

Conclusiones

La combinacin de procesos propuesta, desarrollada, imple-mentada y asistida tcnicamente durante su explotacin por Sitra-Prodesa para la produccin de agua desmineralizada del proyecto de la Cogeneracin IV que BP Oil realiz en su refinera de Castelln presenta una elevada eficacia y robustez.

Gracias al feedback entre los departamentos de ingeniera y ex-plotacin ya incorpor durante la fase de diseo criterios para facili-tar el mantenimiento de la planta. Esto ha repercutido en un mayor control de los factores de ensucia-miento y mediante la asistencia tcnica prestada se ha conseguido

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