33º Sistema de Ósmosis Inversa a Bordo [Fresh Water Generator]

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Índice:

1-Introducción

2-Definición de Ósmosis y Ósmosis Inversa

3-Descripción del sistema de OI

4-Clasificación de los Sistemas de OI:

5-Configuraciones de las membranas

5.1- Módulos de Placas o Láminas Planas

5.2-Módulos Tubulares

5.3-Módulos de Fibra Hueca (Hollow-Fiber)

5.4-Módulos Espirales (Spiral Wound)

6-Ventajas y Desventajas de Emplear un Sistema de OI

7-Factores que Influyen en el Rendimiento de la Ósmosis

8-Bibliografía


 

1-Introducción:

A bordo debemos distinguir los diferentes tipos de aguas de las que disponemos; a saber:

  • Agua Salada
  • Agua Destilada (Libre de sales)
    • Agua Técnica (Usos destinados a refrigeración de maquinarias, nunca potable)
  • Agua Dulce (Puede ser o no potable)
    • Agua Dulce No Potable (Usos destinados a las acomodaciones)
    • Agua Dulce Potable (Agua mineralizada y esterilizada)

La diferencia entre un agua y otra se reconoce sabiendo el tipo de procesos y tratamientos al que ha sido sometida. Por ejemplo el agua dulce potable es agua destilada que posteriormente se ha hecho pasar por un mineralizador y después un esterilizador sistemas que se describirán en posteriores artículos.

En una publicación anterior se explica la puesta en marcha de un generador de agua dulce a través de un sistema “Evaporador-Condensador”, en este post explicaremos otro de los sistemas utilizados a bordo para la obtención de agua dulce, también conocida como “Fresh Water”

14-Sistema Evaporador-Condesador para GeneraAgua Dulce [Fresh Water Generator]


2-Definición de ósmosis inversa:

Primeramente es necesario saber la definición del proceso de normal de ósmosis , es decir en sentido directo.

  • La ósmosis es un principio basado en la búsqueda del equilibrio salino, es decir, si tenemos dos fluidos de distintas concentraciones separados por una membrana semipermeable, el fluido de menor concentración salina, atravesará dicha membrana hacia el fluido de mayor concentración manifestando una diferencia de altura denominada “Presión osmótica”.

ósmosis

Dato*: La presión osmótica del agua de mar se encuentra aproximadamente en 27 Kg/cm^2.

  • La ósmosis inversa es llevar a cabo el proceso anterior en sentido inverso, es decir, empleando una presión superior a la presión osmótica, podemos hacer que el sentido del equilibrio se invierta. El fluido de mayor concentración se desplazará hacia el fluido de menor concentración.

ósmosis inversa


3-Descripción del sistema de OI:

El sistema recoge agua salada del mar y la hace pasar a una presión mayor a la presión osmótica a través de la membrana permeable, separando por un lado la salmuera y por otro el agua libre de sales disueltas, aprovechando estas últimas para refrigeración de sistemas a bordo o la posterior conversión en agua potable.

esquema básico de un sistema de ósmosis inverso

  • Definiciones de las distintas soluciones y coeficiente de permeabilidad:
    • Aportación (alimentación): Se denomina aportación a la solución que llega a la membrana de ósmosis. (parte superior)
    • Permeado: Se denomina permeado a la solución que se obtiene al otro lado de la membrana después de atravesarla.
    • Rechazo (concentrado): Se denomina rechazo a la solución que no logra atravesar la membrana debido a una mayor concentración salina que la aportación. El rechazo se conoce comúnmente como la salmuera.
    • Coeficiente de Permeabilidad: Volumen de agua que atraviesa la membrana por unidad de superficie, tiempo y presión a una temperatura y concentración dadas y constantes.

Nota*: Es necesario al menos una presión de 55 Kg/cm^2 para alcanzar un caudal mínimo de agua producida.

Nota*: La retención de sustancias disueltas varía en función del ph de la aportación, por ello se introduce en el sistema un ajustador de ph para mantener unos niveles óptimos de retención.


4-Clasificación de los Sistemas de OI:

clasificación de los sistemas de ósmosis inversa


5-Configuraciones de las membranas:

Las membranas o módulos están diseñadas para dejar pasar el permeado evitando el paso de sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas en la aportación.

  • Retención de las membranas:

Rechazo de inorganicosRechazo de organicos
Nota*: Los datos de retención de sustancias disueltas varía en función del ph de la aportación.

 

5.1- Módulos de placas o láminas planas:

Es el primer tipo de configuración que se utilizó, está constituido por una serie de membranas planas con forma rectangular o de disco circular; éstas se apoyan sobre platos soporte porosos, que suministran resistencia mecánica a la membrana, recogen el permeado de forma uniforme y lo evacuan al exterior. Estas configuraciones representan superficies pequeñas, lo que implica poca capacidad de producción.

Membrana_plana_de_Novasep_Orelis

Las membranas estarán separadas entre sí por espaciadores, siendo la misión de éstos:

  • Conseguir que la solución a tratar esté debidamente repartida sobre las membranas permitiendo así el paso del líquido entre ambas.
  • Separar las capas activas de dos membranas consecutivas.
  • Recoger el rechazo de manera uniforme.

Por tanto la configuración de estos módulos planos consiste en aplicar conjuntos formados por espaciador-membrana-placa soporte membrana y así sucesivamente.

membrana de toray en placas

 

Estas membranas tienen una vida útil larga, obteniéndose altos rendimientos en el agua permeada. Disponen de válvulas de cierre individuales para cada placa pudiendo de esta forma aislar individualmente las placas de cara a operaciones de mantenimiento y/o limpieza sin detener la producción.

 

5.2-Módulos Tubulares:

Están constituidos por carcasas cilíndricas que contienen un número variable de membranas tubulares. La aportación se bombea por el interior de las membranas, produciéndose un flujo lateral de permeado a través de las paredes. La carcasa tiene los dispositivos adecuados para recoger los flujos de permeado y concentrado.

modulo tubular

Las membranas tubulares están constituidas por un soporte poroso de papel o fibra de vidrio sobre el que se deposita la superficie filtrante.

Nota*:También se construyen en materiales cerámicos.

Los módulos tubulares suelen tener longitudes de (13 cm – 20 cm), con (4 – 6 membranas) de (0.5 cm – 1 cm de diámetro), dispuestas en su interior.

La velocidad de circulación de la alimentación por el interior de las membranas es de (2 m/s – 6 m/s), lo que se traduce en pérdidas de carga de 14 – 21 kPa por módulo.

El consumo de energía de las plantas que utilizan este tipo de módulos es del orden de (0.8 – 2.5 kWh/100 L) permeado.

 

5.3-Módulos de Fibra Hueca (Hollow-Fiber):

fibra hueca

Las fibras huecas son estructuras tubulares con 0.1-1.0 mm de diámetro externo y 50 mm de diámetro interno, dimensiones que son un orden de magnitud inferior a las denominadas membranas tubulares. La mayoría de ellas son de tipo anisótropo, donde la estructura responsable de la separación se dispone en la superficie externa o interna de la fibra.

Las fibras huecas se disponen en módulos compactos con mayor superficie filtrante que los módulos de láminas planas y de membranas tubulares, permitiendo separaciones más eficientes.

El desarrollo de materiales para la fabricación de membranas que permitan separaciones eficientes y su disposición en configuraciones o módulos de fácil instalación y sustitución que puedan agruparse para conseguir superficies filtrantes de centenas o millares de m^2, ocupando volúmenes aceptables, han sido los hechos que han condicionada la utilización de membranas a escala industrial.

 

5.4-Módulos Espirales (Spiral Wound):

spiral membrane

Son las más utilizadas actualmente y tienen una estructura compleja donde una membrana en forma de “sobre”,junto a un separador interno de las paredes de la membrana, se enrolla en espiral alrededor del tubo colector de permeado a través de la parte abierta del “sobre”.

Las paredes exteriores de la membrana, que forman las espirales, se encuentran separadas por estructuras huecas que permiten que la alimentación discurra a través de ellas y que el permeado fluya, lateralmente, a través de las paredes de las membranas. Estos módulos suelen tener 20 cm de diámetro y 100 cm de largo con varias membranas enrolladas que proporcionan una superficie de membrana de (1 – 2 m^2).

Este tipo de membrana presenta una serie de ventajas a tener en cuenta a la hora de escoger que tipo de módulos usar:

  • Mucho más económicas.
  • Muy resistentes al ensuciamiento lo que permite trabajar con aguas más cargadas.
  • Fácil reposición.
  • Mayor facilidad y efectividad de lavado.
  • Mejor control de la calidad de fabricación.

 


 

6-Ventajas y Desventajas de Emplear un Sistema de OI en un buque:

 

osmosis inversa sistema

  • Ventajas:
    • Sistema ideal para la producción de agua potable
    • Mantiene el circuito de agua libre de sarro.
    • Ajustable de acuerdo con la dureza del agua.
    • Reduce el costo operacional y de energía.
    • Elimina la necesidad de limpieza utilizando productos químicos.
    • De fácil Instalación.
    • Ecológico, no contamina el agua.
    • Permite la reutilización del agua.
  • Desventajas:
    • Requiere de pre-tratamiento, dependiendo del caso.
    • No se debe utilizar el agua obtenida como agua técnica ya que contiene unas 200 ppm y se producen incrustaciones
    • Requiere de gran consumo de energía.
    • Genera entre un 30 y 60 % de rechazo (lavado de la membrana) según el agua tratada que deben disponerse o tratarse
    • No son eficientes para el tratamiento de aguas con elevado contenido de elementos.
    • A pequeñas escalas puede resultar más cara que a mayores escalas (economía de escalas).

7-Factores que Influyen en el Rendimiento de la Ósmosis:

Los principales factores que influyen en el rendimiento de la ósmosis son los cuatro primeros puntos, el resto afectan de una manera más específica o sensible el rendimiento.

  • Presión: La presión aplicada influye directamente sobre la cantidad de agua que atraviesa la membrana de tal forma que a mayor presión mayor será la cantidad de agua osmotizada que obtendremos y mayor será su calidad.

 

  • Calidad del agua de entrada en el sistema (Aporte): Un aumento de la concentración de sales provocará una disminución de la cantidad de agua permeada y además una pérdida de calidad de dicha agua que se obtendrá con mayor concentración de sales. Del mismo modo a mayor concentración de sales, mayor presión se necesita para obtener un caudal determinado de permeado.

 

  • Temperatura: Un aumento de la temperatura produce un aumento del caudal de permeado mientras que una disminución de temperatura provocará un descenso de este caudal. Este fenómeno se produce por la variación de la densidad del agua en función de la temperatura y afecta en forma muy significativa a la producción de permeado.
    Nota*: Por cada 1 ºC que aumenta la temperatura, la membrana puede producir aproximadamente un 3 % más de permeado.
     En el caso de un buque real: Se puede dispone de unos intercambiadores de calor que permiten regular la temperatura de la aportación al sistema de OI para así controlar de forma más eficaz la producción de agua dulce.

 

  • Conversión-Producción: es la relación porcentual del caudal de agua producida respecto al caudal alimentado. El aumento de este porcentaje indica un mayor aprovechamiento del agua a costa de una mayor concentración de sales presentes en el rechazo.
    Por ejemplo:
    La conversión de las membranas con arrollamiento en espiral se sitúa normalmente (según modelo) alrededor del (10 – 15 – 20 %); esto significa que partiendo de 100 litros de aporte, para obtener (10- 15-20 litros de permeado), se deberán rechazar (90- 85 -80 litros) respectivamente.

 

  • Partículas en suspensión: Las membranas de ósmosis inversa son impermeables a las partículas en suspensión, no obstante estas partículas cuando son muy finas no se retienen en los filtros previos y pueden acumularse en la membrana e interferir en su correcto funcionamiento. 

 

  • Agentes oxidantes: Las membranas de poliamida, son sensibles a los agentes oxidantes enérgicos como el cloro que se utiliza frecuentemente para la desinfección del agua.

 

  • Gases solubles: Los gases disueltos en el agua se difunden a través de las membranas. En forma particular, el anhídrido carbónico las atraviesa, como consecuencia, el agua permeada posee un pH relativamente bajo alrededor de (6,0 – 6,5) e incluso inferior.

 

  • Contaminación bacteriana: Las membranas de ósmosis inversa no permiten el paso de bacterias ni de virus, pero la presencia de una contaminación bacteriana importante en el agua de aporte puede causar subproductos orgánicos que se acumulen en las membranas y reduzcan su efectividad.

 


 

8-Operación del Sistema de OI:

 

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                             Panel local de mando del sistema de OI

 

Como hemos dicho anteriormente, la presión osmótica del agua de mar es de 27Kg/cm^2, el sistema debe aportar una presión superior a los 55Kg/cm^2 aproximadamente para alcanzar un caudal mínimo de agua producida.A continuación explicaremos el proceso de operación que se lleva a cabo a bordo.

Para que este sistema trabaje de manera eficaz manteniendo la vida útil de las membranas aceptable, es importante prestar atención a 3 cosas principalmente:

  1. El pre-tratamiento de la aportación
  2. Bomba de alimentación
  3. Caudal continuo

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El pre-tratamiento es importante para evitar que las membranas lleguen a atascarse y perder efectividad de filtrado. Para ello se disponen de un ajustador del ph y una serie de filtros.
Ejemplo de un proceso de filtrado en un buque real: En primer lugar el agua de mar se hace pasar por un filtro de láminas, después por un filtro de 50 micras y finalmente por uno de 5 micras. El mantenimiento de estos filtros se realiza cada dos/tres días ya que la suciedad acumulada implica un descenso de presión en la entrada de agua de mar al grupo de OI y esto conlleva una menor producción de agua 

Nota*:Para mantener la durabilidad de la membrana el máximo tiempo posible

La bomba de alimentación bombeará la aportación desde la entrada de la máquina a una presión aproximada de (2-3Kg/cm^2).Cuando la bomba de alimentación supere una presión de 0,7Kg/cm^2 (valor prefijado en el presostato de baja presión), se podrá arrancar la bomba de alta presión que elevará la presión según la válvula de regulación permita.

Los  rangos de operación normales se encuentran entre (50 y 65 Kg/cm^2), aunque la presión de entrada puede llegar hasta los 70Kg/cm^2, valor de operación no utilizado, ya que el sistema incluye un presostato de seguridad de alta presión ajustada a dicho valor, su función es parar la bomba si detecta valores superiores a 70Kg/cm^2.

Ejemplos:

  • La presión de trabajo a 18ºC para una producción diaria de 2000L es de 52,7 Kg/cm^2.
  • La presión de trabajo a 25ºC para una producción diaria de 3200L es de 64 Kg/cm^2.

La presión de trabajo se regula con la válvula reguladora de presión. Esta válvula reguladora se rige por la siguiente fórmula:

fórmula que rige la válvula de regulación

Parámetros de la fórmula:

∏=Presión osmótica
i: grado de ionización
C: concentración salina
R: constante universal de los gases
T: Temperatura

 

Para asegurarnos de que existe un caudal continuo, se instala una lectura de baja presión entre el filtro y la bomba de alta presión. Esta medición le aporta al operario información sobre si la entrada o el filtro se encuentran atascados o el nivel de suciedad, esta lectura en definitiva advierte si es necesaria efectuar una limpieza.

En el caso de realizar una parada del equipo,podemos distinguir 3 tipos de paradas:

  • Paradas hasta de 1 hora: Las membranas se mantienen húmedas 1 hora aproximadamente según el fabricante, por lo que se puede llevar a cabo el arranque sin problema.
  • Si la parada se prolonga más de 1 hora: Se recomienda mantener la membrana en agua dulce.
  • Si la parada es superior por tareas de mantenimiento: Es necesario llevar a cabo un endulzamiento y un lavado químico especial.

Nota*En caso de no realizar estos protocolos de mantenimiento, las membranas acortarían su vida útil rápidamente.

Por otro lado, una vez la aportación entra filtrada y presurizada en el sistema, podemos dividir los flujos obtenidos en 2 caudales:

  • El caudal de Rechazo, se mide mediante un caudalímetro localizado en la línea de salida de salmuera.Este rechazo se deshecha al mar.
  • El caudal de Permeado, se mide a través de un caudalímetro localizado en la línea de agua producida, posteriormente atraviesa un sensor de salinidad que envía una señal a una válvula selenoide. En caso de superar el parámetro de salinidad máximo fijado en el panel de control, la válvula deriva el flujo de agua producida a la salida de agua no potable.

 

9-Bibliografía:

 

Autor: Roberto García Soutullo

 

 

 

 

 

 

Comments
2 Responses to “33º Sistema de Ósmosis Inversa a Bordo [Fresh Water Generator]”
  1. Richard Delgado Cardenas dice:

    Gracias por tan excelente información, y por tan excelente aporte al conocimiento de todas las personas que estamos en el agua trabajando.
    MUCHAS GRACIAS

    Le gusta a 1 persona

  2. Bruno Soria dice:

    Me parece un material, exelente, de gran aporte didáctico! !! Muchas gracias.

    Le gusta a 1 persona

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