El alto consumo energético de los procesos que se usan para la obtención y tratamiento de agua potable es uno de los principales factores que contribuyen al precio final de la misma.
Dentro de este reto, encontramos una tecnología específica para la desalinización de agua de mar o corrientes con altas cantidades de sólidos disueltos: la ósmosis inversa.
Por qué la ósmosis inversa requiere tanta energía
Las bombas representan casi toda la energía consumida por un sistema de ósmosis inversa.
En una planta de ósmosis inversa, la bomba de alta presión impulsa el agua de alimentación a través de las membranas.
Una parte del agua atraviesa la membrana como permeado y otra parte sale como concentrado a una presión todavía considerable.
Una de las características principales de este proceso es que la corriente de rechazo sale del tratamiento a una alta presión, casi igual que aquella a la que se introduce la alimentación.
Además, la conversión en los procesos de ósmosis inversa (proporción de caudal de alimentación que se convierte en permeado) no suele superar el 45% por lo que, al finalizar el tratamiento, se obtiene una corriente residual con una gran presión y más de la mitad del caudal inicial, que debe ser desechada rompiendo carga, usando una válvula semiabierta que permite generar la pérdida de presión necesaria.
| Elemento del proceso | Descripción |
|---|---|
| Alimentación | Agua impulsada por la bomba de alta presión hacia las membranas. |
| Permeado | Parte del agua que atraviesa la membrana. |
| Concentrado o rechazo | Corriente residual que conserva una presión considerable y más de la mitad del caudal inicial. |
| Conversión | Proporción de caudal de alimentación que se convierte en permeado; no suele superar el 45%. |
Qué es la recuperación de energía en ósmosis inversa
La recuperación de energía RO se basa en aprovechar la presión contenida en la corriente de concentrado o rechazo.
Los dispositivos de energy recovery RO transfieren parte de esa energía al flujo de alimentación, a una etapa del proceso o a un circuito auxiliar, dependiendo del diseño.
Un recuperador de energía de baja presión es un equipo que aprovecha la energía de la corriente de rechazo (agua salada desechada a alta presión) para ayudar a presurizar el agua de alimentación.
El recuperador utiliza un mecanismo hidráulico que transfiere la presión de la corriente de rechazo al agua de alimentación de baja presión.
El objetivo es disminuir la carga de la bomba de alta presión, reducir el kWh por metro cúbico producido y mejorar el costo total de operación.
En los sistemas de Energy Recovery, se utilizan tecnologías como el PX Pressure Exchanger®, que permiten transferencias de energía casi sin pérdidas.
De las turbinas a los dispositivos isobáricos
La primera solución que se propuso fue la implementación de turbinas, que permitían aprovechar ese exceso de caudal y energía obteniendo de nuevo energía eléctrica que usar en la planta.
Las más usadas han sido las turbinas Francis (reacción) y las turbinas Pelton (acción), de forma que dependiendo del caudal y la presión resultante se emplea un tipo u otro.
El problema de este tipo de equipos viene dado, principalmente, por dos motivos.
El primero, es el material empleado para su fabricación ya que, como se ha comentado anteriormente, el rechazo de la ósmosis está altamente cargado de sólidos disueltos (cloruros y sulfatos, entre otras sales).
El segundo tiene que ver con el rendimiento de las turbinas.
En los sistemas modernos, los dispositivos isobáricos permiten transferir directamente la presión del rechazo a la alimentación, en lugar de convertir primero la energía hidráulica en energía eléctrica.
Funcionamiento de las cámaras isobáricas
Como se puede ver en la Figura 2, debido a las pérdidas de presión que se ocasionan en el equipo recuperador, tuberías y a la pérdida de presión transmembrana, es necesario incluir en el sistema una bomba (8) para equilibrar la presión con la de la corriente impulsada por la bomba de alta presión, lo que permite alimentar las membranas a la presión de diseño.
Además, están fabricados en materiales cerámicos que les otorgan gran resistencia química y física para soportar los esfuerzos a los que son sometidos.
El funcionamiento es bastante ingenioso.
La corriente de rechazo a alta presión entra en el recuperador, donde transmite su presión a una corriente de alimentación de baja presión.
La bomba de refuerzo compensa las pérdidas de presión ocasionadas por el equipo recuperador, las tuberías y la pérdida de presión transmembrana.
De este modo, la alimentación puede llegar a las membranas a la presión de diseño sin que toda la presión necesaria tenga que ser generada exclusivamente por la bomba de alta presión.
Intercambiadores de presión PX®
Energy Recovery es líder en tecnología de ahorro energético en la industria de la desalinización por ósmosis inversa de agua de mar (SWRO).
Su tecnología estrella es el Intercambiador de Presión PX®, un dispositivo isobárico de recuperación de energía (ERD) que reduce el consumo energético hasta en un 60% en aplicaciones de desalinización.
En la última década, el PX Q300 se ha convertido en el estándar de oro de los ERD en plantas de desalinización por ósmosis inversa de agua de mar (SWRO), demostrando un rendimiento constante, lo que lo hace extremadamente fiable y duradero, con un bajo mantenimiento y una máxima disponibilidad.
Tras su éxito, Energy Recovery lanzó su producto estrella, el PX Q400.
Este documento explica y cuantifica cómo el PX Q400 ahorra energía y costos operativos en un sistema de desalinización típico, en comparación con el PX Q300, un sistema estándar de alto rendimiento de la industria.
Gracias a una mayor eficiencia y mezcla, el PX Q400 reduce el SEC de un sistema típico de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO) en más de 0,05 kWh/m³ o un 2 %, en comparación con el mismo sistema equipado con PX Q300.
Además, el PX Q400 tiene una mayor capacidad unitaria, por lo que se requieren menos dispositivos PX para una capacidad determinada de un tren de SWRO.
Recuperadores de baja presión
En sistemas de desalación por ósmosis inversa, la eficiencia energética es clave.
Uno de los equipos más importantes para lograrlo es el recuperador de energía de baja presión, como los desarrollados por Energy Recovery.
El uso de recuperadores de baja presión, como los de Energy Recovery, es esencial en la operación moderna de plantas de desalación.
No solo mejoran la eficiencia, sino que también ayudan a proteger el medio ambiente.
Los equipos PX Pressure Exchanger® son utilizados generalmenbte cuando el agua para osmosear proviene de pozos o son salobres.
En plantas de agua de mar se utilizan con frecuencia dispositivos de alta eficiencia por la presión elevada.
Sistemas integrados iSave
El innovador diseño de la unidad iSave coloca tres componentes clave donde deben estar: uno al lado del otro.
Este diseño integrado no solo ahorra espacio y tuberías.
Con los mejores índices de eficiencia neta de su clase, los iSave transfieren la energía hidráulica de la salmuera directamente a la alimentación con un mínimo de mezcla y fugas.
La bomba de refuerzo de alta eficiencia requiere una energía mínima para controlar con precisión el caudal a alta presión al intercambiador de presión, eliminando la necesidad de utilizar un caudalímetro de alta presión.
Descarga la herramienta de selección de dispositivos iSave para facilitar el cálculo y la selección.
Aplicaciones de la recuperación de energía RO
Ofrecemos un sistema de ósmosis inversa de media y alta presión que puede emplearse en el postratamiento de aguas residuales industriales para producir agua de reutilización de alta calidad.
Los requisitos de presión de los sistemas de ósmosis inversa dependen del tipo de aguas residuales industriales con las que trabajes, así como de su contenido de sólidos disueltos.
La recuperación de energía RO puede aplicarse en plantas de desalinización de agua de mar, sistemas de agua salobre, instalaciones alimentadas por pozos y procesos de tratamiento o reutilización de aguas residuales industriales.
La selección del equipo debe considerar las características específicas de cada corriente, especialmente la presión, el caudal y el contenido de sólidos disueltos.
Cómo seleccionar un sistema de recuperación de energía
Existen diversas tecnologías para recuperar energía en sistemas RO.
La selección depende de presión, caudal, tipo de agua, recuperación, inversión disponible, espacio, mantenimiento y nivel de automatización.
La tecnología adecuada no se define solo por la eficiencia nominal del dispositivo.
También se debe revisar la compatibilidad con el sistema existente, la estabilidad de operación, la capacidad de manejar variaciones de caudal, el mantenimiento, el impacto en control hidráulico y el soporte técnico disponible.
El mejor dispositivo no siempre es el de mayor eficiencia nominal.
| Factor de selección | Aspecto que debe revisarse |
|---|---|
| Presión | Presión de alimentación y presión disponible en la corriente de rechazo. |
| Caudal | Caudal de alimentación, concentrado y variaciones durante la operación. |
| Tipo de agua | Agua de mar, agua salobre, agua de pozo o aguas residuales industriales. |
| Recuperación | Proporción de caudal de alimentación que se convierte en permeado. |
| Espacio | Disponibilidad de espacio y necesidad de reducir tuberías. |
| Mantenimiento | Revisión de sellos, rodamientos, vibración, mezclas y limpieza periódica. |
| Automatización | Instrumentación, control hidráulico, interlocks y secuencias de operación. |
| Soporte técnico | Disponibilidad de asistencia, refacciones y capacidad de integración. |
Evaluación energética y económica
La recuperación de energía RO debe evaluarse con un análisis económico claro.
El ahorro depende de la reducción de kWh/m³, el volumen de agua producido, las horas de operación y el costo de electricidad.
También deben incluirse inversión inicial, instalación, instrumentación, adaptación hidráulica, mantenimiento, refacciones y posibles paros durante la integración.
Una evaluación robusta compara el consumo actual contra el consumo esperado después de la mejora.
Para ello se requiere una línea base medida: consumo eléctrico, producción de permeado, presión de operación, recuperación y calidad.
Después se simula o calcula el impacto del dispositivo de recuperación, considerando eficiencia real y pérdidas de presión.
En plantas donde el consumo energético ya está optimizado, la recuperación adicional puede ser menor.
En plantas con presión elevada, rechazo con energía disponible y operación continua, el beneficio puede ser más atractivo.
No todos los sistemas necesitan recuperación de energía.
En plantas pequeñas, de baja presión o con pocas horas de operación, el retorno puede ser limitado.
Integración hidráulica y operación
La integración de un sistema energy recovery RO debe realizarse como parte del diseño hidráulico de la planta.
No basta con conectar un dispositivo a la línea de rechazo.
Se deben revisar presiones, caudales, válvulas, bypass, protección contra golpes de ariete, instrumentación, interlocks, secuencia de arranque, operación parcial y compatibilidad con limpieza CIP.
Una propuesta confiable debe explicar claramente el punto actual, el punto esperado y las condiciones bajo las cuales se logrará el ahorro.
También debe aclarar qué sucede con operación parcial, variaciones de caudal, CIP, paros, arranques y mantenimiento.
[🔴CAPACITACIÓN EN VIVO] ÓSMOSIS INVERSA COMERCIAL / INDUSTRIAL (Parte 2)
Mantenimiento y optimización del sistema
El mantenimiento también debe considerarse desde el inicio.
Algunos dispositivos requieren filtración adecuada, revisión de sellos, inspección de rodamientos, monitoreo de vibración, control de mezclas o limpieza periódica.
La decisión de compra debe partir de una comparación técnica y económica.
Antes de seleccionar un equipo, conviene revisar si el sistema ya está optimizado en membranas, bombeo, pretratamiento, recuperación y operación.
Si una planta consume demasiada energía por ensuciamiento, válvulas estranguladas o bomba fuera de punto, puede ser más rentable corregir esas causas antes de instalar un dispositivo de recuperación.
La decisión no debe basarse solo en porcentaje de ahorro prometido.
La estimación debe contemplar la eficiencia real, las pérdidas de presión, las condiciones de operación, la disponibilidad del equipo y los costos asociados con la instalación y el mantenimiento.
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