EVOLUCIÓN TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS - enginyersbcn.cat · Obtención de permeado de muy alta pureza ... Verónica García Molina, Febrero 2010 36 Cost Distribution in large Sea Water

EVOLUCIÓN TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS

Verónica García Molina

Dow Water and Process Solutions

2Verónica García Molina, Febrero 2010

DOW™EDIModule FILMTEC™

RO Modules

DOWEX™ IX Resins

ADSORBSIA Media

DOW™Ultrafiltration

Module


Centro de Desarrollo de Tecnología de Agua (Tarragona)

Centro de Desarrollo de Tecnología de Agua


SWRO plants

CONTENIDO

EVOLUCIÓN DESALACIÓN

ÓSMOSIS INVERSA – PRINCIPIOS

CONFIGURACIONES

REDUCCIÓN COSTES


Fuente: www.abc.net.au/news/

• El 75% de la superficie del mundo está formada por agua

• El 98% del agua mundial contiene sal, por lo que no es apta para el consumo

• El 41% de la población de la Tierra (2.300 millones) vive en zonas con problemas de escasez de agua; en 2025 serán 3.500 millones de personas

Disponibilidad de agua: Un reto mundial

INTRODUCCIÓN


Klaus Wangnick, EDS Newsletter # 18, May’03

INTRODUCCIÓNEvolución Desalación 1966-2003


Desalación como proceso natural1- Evaporación agua de mar, condensación y precipitación

Base de los procesos térmicos actuales

Evolución Desalación


Desalación como proceso natural2- Ósmosis en células biológicas: intercambio de agua y sales en base a gradientes de concentración

Base de los procesos de ósmosis inversa actuales



Desalación como proceso natural

3- Congelación de agua de mar (polos):

Base de los procesos de congelación actuales (no practicados en plantas de gran escala)



� En uso hace miles de años (China, Egipto); evaporación natural o calefacción externa

� Principios Años 50: Primeras plantas a gran escala: Jeddah, Kuwait, Curaçao. Multi Effect Distillation (MED)

� Finales Años 50: Implementación de “Multi Stage Flash Distillation”(MSF)

Procesos Térmicos

� 1886: Descubrimiento Presión Ósmotica, van´t Hoff

� Años 50: Primeros ensayos de Ósmosis Inversa con membranas de acetato de celulosa.

Ósmosis Inversa



Major Desalination Processes

� Década 60 y 70: Complejos de Desalación de gran capacidad

� Finales década 70: Desarrollo de alternativas a los procesostérmicos, desalación por compresión de vapor (simple o multi efecto)

Procesos Térmicos

� Década 60 y 70: Estudios posibles configuraciones: tubular…

� Década 70: Desarrollo membranas de película fina y de módulos de enrollamiento en espiral.

� Década 80: Primera planta de gran escala

� Década 90: La combinación película fina + enrollamiento en espiraldomina el mercado de ósmosis inversa

� Actualidad: Optimización y Reducción de costes

Ósmosis Inversa



0 2.5 5 7.5 10 12.5 15

Energy consumption (kWh/m3)

SWRO (advanced)

SWRO (conventional)

Thermal (advanced)

Thermal (conventional)

Requerimientos Energéticos



ContenidoContenido en Sales Agua en Sales Agua alimentacialimentacióónn (mg/l)(mg/l)

Intercambio Iónico

Electrodiálisis

Destilación

600

10,000

Ósmosis Inversa

300

50 50,000

100,000100,0001010

20,000



SWRO plants

CONTENIDO



CONFIGURACIONES

REDUCCIÓN COSTES


Flujo

Ósmosis Ósmosis Inversa

Flujo

Presión

Membrana Semi-Permeable

Solución Concentrada

SoluciónDiluida

Ósmosis Inversa - Principios


Sección Membrana de Película Fina

0.2 µm

40 µm

120 µm

Polyamide

Polysulfone

UltrathinBarrier Layer

Reinforcing Polyester

Fabric



Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral

Concentrado

Agua producto

Concentrado

Agua Alimentación



Espaciador Alimentación

Agua producto

MembranaEspaciadorPermeado

Agua Alimentación

Concentrado


Agua producto

Concentrado

Agua Alimentación



Espaciador

Alimentación

Espaciador

PermeadoHoja Membrana




®




SWRO plants

CONTENIDO



CONFIGURACIONES

REDUCCIÓN COSTES


Componentes principales

BombaLínea de concentrado

Agua Bruta

Componentes principales:Bomba(s), tuberías, caja(s) de presión, elemento(s) de membrana

Línea de permeado

Una o más cajas de presión con uno o más elementos de membrana

Ósmosis Inversa – Configuración Instalación


Detalle Caja de presión

Detalle Elemento OI

Alimentación Módulo Ósmosis

Caja de Presión

Concentrado

Permeado



Instalaciones con una etapa

Cajas de presión en paralelo con una entrada de agua de alimentación y salidas de permeado y concentrado comunes

� Para caudales más altos

� Para conversiones relativamente bajas

� Típico en desalinización de agua

Permeado Total

Bomba

Concentrado

300 m3/día

Permeado 1ªcaja: 50 m3/día



50%ónAlimentaci de Caudal

Permeado de CaudalConversión ==

Valores mostrados a modo de ejemplo



Instalaciones con Etapas Múltiples

� Para conversiones altas

Bomba

Concentrado

Permeado

Concentrado

Sistema de dos etapas

200 m3/día

Permeado: 50 m3/día



Total: 100 m3/día (primera etapa) + 50 m3/día (segunda etapa)

%57ónAlimentaci de Caudal

Permeado de CaudalConversión ==




Sistema de tres etapas

Bomba

Permeado

Concentrado

� Para conversiones altas

� Importante: Dependiendo de la calidad del agua de alimentación se

pueden conseguir conversiones de hasta el 90% con 2 etapas

Instalaciones con Etapas Múltiples

Permeado: 50 m3/día por caja Permeado: 50 m3/día

por cajaAlimentación: 400 m3/día

%85400

50100200

ónAlimentaci de Caudal

Permeado de CaudalConversión >

++==




Instalaciones con recirculación de concentrado

� Una manera para aumentar la conversión es recirculando el rechazo para aumentar el caudal de entrada

Bomba

Recirculación

Permeado

Concentrado

Alimentación300 m3/día

Permeado:50 m3/díapor caja

150 m3/día

Alimentación 250 m3/día

50 m3/día

100 m3/día

%60250

150

ónAlimentaci de Caudal

Permeado de CaudalConversión ===




Instalaciones con doble paso

� Permeado del primer paso se refina en el segundo paso � Utilizado cuando la calidad estándar del permeado no es suficiente.

Obtención de permeado de muy alta pureza� El segundo paso conlleva una disminución de la conversión total de la

instalación

Bomba

Concentrado(desagüe)

Permeado Final

Paso 1Paso 2


Alimentación: 100 m3/día TDS 39,000 ppm

Permeado 1r paso: 45 m3/día TDS 300 ppm

40.5 m3/día TDS 20 ppm

Concentrado 4.5 m3/día TDS 2200 ppm



SWRO plants

CONTENIDO



CONFIGURACIONES

REDUCCIÓN COSTES


Reducción CAPEX (Coste Infraestructura)Reducción OPEX (Coste Operación)

Objetivo: Reducción Costes agua desalada

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1980 1985 1990 1995 2000 2005

Year

Wat

er c

ost

(U

S$/

m3)

Malta, early 1980s (Andrew s & Bergman 1987)

Spain, 1987(Farinas 1996)

Arabian Gulf , late 1980s

(Leitner 1989)

World, late 1990s(Wilf & Klinko 2001)

Israel, 2004(Redondo et al 2003)


Beneficios

• Menor Superficie• Menor número cajas de presión• Menos tuberías-conexiones• Menos válvulas• Menor coste construcción= Reducción Coste Capital

Aumento de 8 a 16”de diámetro

SWRO plants

Reducción Coste Capital



1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

1.70

1.80

1.90

0 8 16 24

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

3.25

3.50

3.75

0 8 16 24

3.40

3.60

3.80

4.00

4.20

4.40

4.60

4.80

5.00

5.20

5.40

0 8 16 24

Estimación reducción costes de capital en diferentes escenarios

Cost

eC

apital

($

porgal

/day

)

Diámetro nominal módulo(pulgadas)

100.000 550.000400.000200.000Tamaño Planta(m3/día)

X 50.000

Agua salobresubterránea

Agua salobresuperficial

Agua de mar

Bartels, C.; Bergman, R.; Hallan, M.; Henthorne, L.; Knappe, P.; Lozier, J.; Metcalfe, P.; Peery, M.; Shelby, I.; “Industry Consortium Analysis of Large Reverse Osmosis and Nanofiltration Element Diameters”, Desalination and Water Purification Report No. 114, U.S. Bureau of Reclamation, 2004.

Reducción Coste CapitalObjetivo: Reducción Costes agua desalada


Manipulación

Carga manual módulos 8 pulgadas

Peso módulos en seco:

• 16 pulgadas: 54 kg

• 8 pulgadas: 14 kg

Carga manual de módulosde 16 pulgadas no factible



Guía para soporte de módulos Transporte de módulos



Equipo de carga en Bedok NEWater Plant, Singapur

Equipo para carga automática de módulos de 16 pulgadas

Carga de Membranas



Cost Distribution in large Sea Water Reverse Osmosis desalination plants

Cost of Electricity 55%

Amortization 30%

Insurance 1%

Replacement and repair 5%

Chemicals 7%

Labor and Overhead 2%

Desglose del coste.

- 40 a 55% corresponde a la electricidad

- 80 a 90% de la electricidad corresponde

a la bomba de alta presión

150,000 m3/día

37.000 ppm de TDS

Rango de temperatura 14-25ºC

Contenido de permeado en bromuro menor de 0,1 ppm

Reducción Coste OperaciónObjetivo: Reducción Costes agua desalada


0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

1980 1990 2000 2001 ADC-2005

kWh/m3

Nota:

1. Los valores de consumo energético representan solamente el proceso de OI. No incluyen ninguna permisión para el suministro o distribución del agua.

2. Los valores son un promedio general para localizaciones de agua de mar estándares por ASTM.

Fuente: Affordable Desalination Collaboration

1.5-2.0 kWh/m31.5-2.0 kWh/m3

Consumo energético histórico de la desalinización de agua de mar por OI



91%

9%

Electricity for the HighPressure Pump

Other electricity

SWRO plants

DDóóndende consumimosconsumimos energenergííaa••TomaToma aguaagua••PretratamientoPretratamiento••BombaBomba de de altaalta presipresióónn••PostPost--tratamientotratamiento••DistribuciDistribucióónn••OtrosOtros ((iluminaciiluminacióónn etc.etc.


Objetivos• Disminuir energía consumida Bomba alta presión• Diminuir enegía requerida por los módulos

– Membranas con elevada permeabilidad– Menor ensuciamiento

• Mejorar hidraúlica dentro de las cajas de presión


0

1

2

3

4

5

6

6000 gpd70% e P&M0% e ER

6000 gpd80% e P&M90% e ER

Energ

y c

onsum

ption (kW

h/m

3) Pump & motor

Brine

Membranes

Thermodynamic

91%

9%

Electricity for the HighPressure Pump

Other electricity

El Consumo disminuye un 50% si se aumenta la eficiencia de la bomba al 80% y el recuperador de energía al 90%.



Rechazo

Caudal

Innovación

Salinidad en el agua producto

Consumo de energía

Sistema = Membrana Sistema = Membrana Agua de alta calidad = Alto rechazoAgua de alta calidad = Alto rechazo

Baja energBaja energíía = Alto caudala = Alto caudal

El reto en el desarrollo en desalinización: Reducir consumo energético manteniendo o mejorando la calidad de agua

Innovación



99

99.1

99.2

99.3

99.4

99.5

99.6

99.7

99.8

99.9

4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000Flow (gpd)

Reje

ction (%

)

Standard element High productivity element Extra high rejection Ultra low energy

FILMTECSW30HR LE-400

FILMTECSW30XLE-400

1996: FILMTECSW30HR-380

1985: FILMTECSW30HR-8040

1996: FILMTECSW30-380

1985: FILMTECSW30-8040

2001

to

2005

1996

to

20001991

to

19951986

to

1990

FILMTECSW30XHR-400i

FILMTECSW30HR370/34i

FILMTECSW30ULE-400

2006

to

2008

Rechazo

Caudal

Innovación

Rechazo

Caudal

Rechazo

Caudal

InnovaciónReducción Coste Operación



Diseños Híbridos

• Módulos con menor producción de permeado en las primeras posiciones de la caja de presión

• Mejora de la hidraúlica

• Menor ensuciamiento

Reducción Coste Operación



6 x SW30HRLE-400i (7,500 gpd)

Conversión 37.11%

6 x SW30ULE-400i (11,000 gpd)

Conversión 42.42%1 x SW30HRLE-400i + 1 x SW30XLE-400i + 4 x SW30ULE-400iConversión 41.80%

* Presión Alimentación: 56 bar

* Salinidad Alimentación: 35,000 ppm

* Caudal Alimentación: 12,4 m3/h

1 x 7,500 gpd + 1 x 9,000 gpd + 4 x 11,000 gpd

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1 2 3 4 5 6

Element Position

Perm

eate flow rate (cmh)

SW30HRLE400i

Maximum FlowGuideline

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1 2 3 4 5 6

Element Position

Perm

eate flow rate (cmh)

SW30HRLE-400i

SW30ULE400i


0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1 2 3 4 5 6

Element Position

Permeate flow rate (cm

h)

Internally StagedDesignSW30HRLE-400i

SW30ULE400i




Muchas gracias por suatención!

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