Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales

AR
W. A. Shaw,
J. D. Brosdal
HPD – Veolia Water
Solutions & Technologies
(EE.UU.)
S. Echeandia
HPD – Veolia Water
Solutions & Technologies
(España)
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Estrategias para minimizar
el vertido de aguas residuales
Procesos de vertido líquido cero
La presión medioambiental y la preocupación
por el suministro de agua están forzando a
muchas industrias a evaluar la viabilidad de
los procesos de vertido líquido cero. En estos
procesos deben considerarse la evaporación y la
cristalización, especialmente cuando las aguas
residuales contienen sales muy solubles que deben
ser eliminadas. El presente artículo repasa las
diferentes fuentes de aguas residuales con sales
solubles, para luego examinar los tratamientos
convencionales y avanzados existentes para
el tratamiento de estas aguas. Finalmente,
se centra en las tecnologías de evaporación y
cristalización, y propone un proceso a baja
temperatura para reducir la inversión y los costes
operativos de estas tecnologías.
76 Ingeniería Química
Los nuevos modelos legislativos, la sensibilidad medioambiental y el aumento de la preocupación
por el suministro de agua, a largo plazo, están haciendo estudiar a las industrias de procesos químicos (Chemical Process Industries, CPI) distintas vías para reducir
sus vertidos de agua. De hecho, más y más compañías
están evaluando la viabilidad de los procesos de vertido líquido cero (Zero Liquid Discharge, ZLD). Esto normalmente implica la consideración de tecnologías de
evaporación y cristalización, las cuales pueden ser muy
costosas en cuanto a aspectos operacionales y de capital. Sin embargo, nuevas propuestas, especialmente la
evaporación a baja temperatura, pueden proporcionar
opciones extras al diseño de sistemas de evaporación
para procesos ZLD. Este artículo examina procesos
convencionales, así como proceso avanzados de tratamiento de aguas, centrándose en el problema presentado por las sales altamente solubles y cómo la evaporación a baja temperatura puede resolver este reto.
En muchas instalaciones de industrias de procesos químicos el sistema de refrigeración de agua es
responsable de la mayor parte del consumo de agua
y de su vertido. Históricamente la evaporación ha sido
Nº 495
Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales
utilizada eficazmente para anular el vertido de purga
de la torre de enfriamiento, concretamente en la industria de generación de electricidad en el oeste de
los EE.UU., donde los sistemas ZLD han sido utilizados principalmente con el propósito de conservación
del agua. Debido a que la purga de la torre de enfriamiento está relativamente diluida, generalmente con
menos de 10.000 mg/L de sólidos disueltos (TDS), las
membranas de ósmosis inversas se pueden emplear
como pretratamiento antes de su concentración en
un evaporador y reducción a un sólido en un cristalizador. Las sales presentes en el agua de refrigeración
son comúnmente sulfato sódico y cloruro sódico, con
pequeñas cantidades de sulfato de calcio, sulfato magnésico y bicarbonato. Éstas son las sales que pueden ser
fácilmente cristalizadas por evaporación del agua. Sin
embargo, muchas instalaciones generan aguas residuales que contienen sales muy solubles y que no son tan
fáciles de cristalizar. Estas aguas residuales presentan
problemas importantes para las instalaciones que se esfuerzan por cumplir con los requisitos de vertido más
restrictivos. Al considerar la eliminación del vertido de
estas aguas residuales, las instalaciones se encuentran
frecuentemente limitadas en las opciones de tratamiento con las que pueden operar, así como con los altos
costes de inversión y explotación. La evaporación a baja temperatura es una solución medioambientalmente
respetuosa que permite reducir los costes de inversión
y explotación en comparación con otras opciones ZLD
de soluciones salinas muy solubles.
que de petróleo. La mayoría de los procesos de depuración utilizados implican lavado húmedo con un agente
alcalino que se disuelve en el agua y reacciona eliminando una parte importante de los componentes gaseosos
mencionados. Los lavadores húmedos habitualmente
requieren una purga continua, para limitar la acumulación de sales corrosivas y sólidos en suspensión absorbidos desde la corriente gaseosa. Aunque la composición
de las aguas residuales del lavador es muy variable, se
trata, sobre todo, de una solución de cloruros cuando el
carbón es la fuente de combustible, o una solución de
formiatos cuando el coque de petróleo es el combustible. También puede haber una gran concentración de
nitrato en función de las condiciones de combustión.
El anión dominante en las aguas residuales depende del sorbente utilizado como reactivo en el lavador;
tradicionalmente se utilizan carbonato cálcico (caliza),
hidróxido sódico, hidróxido amónico, hidróxido cálcico (cal apagada) o hidróxido magnésico. Por lo tanto,
las aguas residuales procedentes de FGD y IGCC son
generalmente soluciones de sales muy solubles, como
cloruro sódico o formiato sódico, las cuales suelen encontrarse en el rango de 30.000 a 60.000 mg/L. El vertido de estas aguas residuales está regulado, debido a
la presencia de pequeñas cantidades de contaminantes
tóxicos, que incluyen metales pesados, selenio, boro y
compuestos orgánicos. Con frecuencia se requiere de
algún tipo de tratamiento para reducir o eliminar estas
toxinas del agua residual antes de que pueda ser vertida al medioambiente.
1
1.2
Fuentes de aguas residuales saladas
La denominación “altamente soluble o muy soluble”
generalmente significa solubilidad, por lo menos hasta
el grado de formación de soluciones acuosas 10 molar.
Las sales altamente solubles discutidas en este artículo incluyen cloruros de calcio y magnesio, nitratos de
amonio y sodio y ciertas sales de ácidos orgánicos, como el formiato de sodio.
Existen muchos sectores industriales que generan
aguas residuales que contienen sales muy solubles,
incluidas las centrales eléctricas que utilizan carbón,
coque de petróleo o biomasa como combustible, y el
empleo de lavadores húmedos de gases en el proceso
de desulfuración de los gases de combustión (FGD) o
en un proceso de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC); plantas químicas y de fabricación de
fertilizantes; producción de gas y petróleo y lugares de
perforación; vertederos y plantas que utilizan aguas
residuales municipales tratadas como agua de aporte/
ajuste (make up water)
1.1
Aguas residuales de FGD y IGCC
La incineración o la gasificación del carbón o coque de
petróleo producen un gas que contiene SO2, HCl, HF,
NOx, cenizas volantes y muchas otras especies químicas.
En las centrales térmicas de carbón, la desulfuración de
los gases de combustión se emplea para depurar estos
contaminantes de la corriente gaseosa. Del mismo modo, se utiliza una etapa de lavado de gases en la mayor
parte de los procesos de gasificación del carbón y del coJunio 2011
Aguas residuales de la fabricación de productos
químicos y fertilizantes
Los fabricantes de fertilizantes y productos químicos
usualmente usan o producen ácido sulfúrico, ácido
clorhídrico, ácido nítrico, amoniaco, urea, nitrato amónico y sulfato amónico, y generan aguas residuales que
contienen un alto contenido de nitrógeno en forma de
amonio, así como nitrógeno en forma de nitrato. Muchas de las sales de amonio y nitrato presentes en las
aguas residuales generadas en estas industrias tienen
elevada solubilidad. El vertido de estas aguas residuales
al medioambiente está normalmente legislado, ya que
los compuestos de nitrógeno pueden causar proliferación de algas que dan como resultado la eutrofización.
1.3
Agua producida en la perforación de gas y petróleo
Cuando el petróleo y el gas son llevados a la superficie
en las operaciones de perforación, también se generan, en diferentes etapas de la obtención, “agua producida”. Esta agua normalmente contiene altas concentraciones (de 60.000 mg/L a 100.000 mg/L) de calcio,
cloruro magnésico o ambas. Hasta ahora, en muchas
lugares, el agua producida era simplemente reinyectada en el suelo o transportadas en cisternas hasta instalaciones publicas de tratamiento de agua (POTW).
Sin embargo, la gestión eficaz del agua producida se
está convirtiendo en un desafío económico, ambiental
y de funcionamiento para los productores de petróleo
y gas. Esto se debe a los altos costos de transporte para
desplazar el agua producida desde los sitios de perforaIngeniería Química 77
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
ción, la preocupación por la posible contaminación de
los acuíferos naturales cuando se reinyectan estas aguas
en el suelo, y la reticencia de los POTW a continuar
aceptando aguas altamente salinas, a menudo contaminadas con hidrocarburos, los cuales generan un exceso
de especies químicas o límites de concentración autorizados en sus límites de vertido.
1.4
Lixiviados de vertedero
El almacenamiento de residuos sólidos en instalaciones controladas implica un paso adelante en la protección del medio ambiente. Sin embargo, ha dado lugar
a un problema: la generación de lixiviados altamente
contaminados, que resultan de la entrada de agua que
se filtra hacia abajo a través del material de desecho,
disolviendo muchos compuestos altamente solubles.
Las características de las corrientes de los lixiviados del
vertedero son muy variables, pero suelen tener una alta
demanda química de oxígeno (COD) y contienen concentraciones significativas de sales muy solubles, especialmente sales de amonio, nitratos y cloruros.
1.5
Tratamiento de efluentes municipales
Los efluentes de aguas residuales municipales tratadas
son cada vez más utilizados como agua de aporte por
las industrias. Esta es una solución rentable y respetuosa con el medio ambiente para la práctica en muchas
plantas industriales, especialmente para el aporte de la
torre de refrigeración. Sin embargo, existen pequeñas
concentraciones de un número de sales muy solubles,
incluyendo sales de amonio, nitratos y cloruros, las
cuales están presentes en el efluente de agua tratada.
Estas se concentran en la torre de enfriamiento y la
purga puede requerir tratamiento para reducir estos
contaminantes antes de que pueda ser vertida como
agua residual.
Aunque estas aguas residuales son muy variables
en cuanto a composición química específica y concentración, todas tienen por lo menos dos características
comunes: 1) poseen constituyentes que están estrictamente regulados y deben ser reducidos a niveles extremadamente bajos para poderse verter, y 2) contienen
predominantemente sales muy solubles. En general, la
presencia de sales muy solubles en efluentes tratados
no es, en si mismo, una preocupación significativa si el
agua residual puede ser diluida con otras aguas antes
del vertido para satisfacer los limites de concentración
especificados en el permiso de vertido. Más recientemente, sin embargo, las autoridades han establecido
los límites de vertido en los permisos para regular estrictamente constituyentes minoritarios, tales como
mercurio o selenio, los cuales no son alcanzados o no
son rentables de lograr con los métodos convencionales de tratamiento de aguas. En otros pocos casos,
particularmente en el oeste de EE.UU., las autoridades
han especificado que ciertas plantas industriales nuevas deben reciclar y reutilizar toda el agua y no deben
verter nada de agua fuera de los límites de la planta.
Esto ha suscitado el desarrollo de métodos avanzados
de tratamiento de aguas residuales que pueden conseguir vertidos cero de líquido.
78 Ingeniería Química
2
Tratamientos convencionales de agua
En muchas industrias el tratamiento para la eliminación en aguas residuales de pequeñas concentraciones
de contaminantes inorgánicos regulados a menudo implica problemas físicos y químicos utilizando precipitación y sedimentación. Usualmente el agua residual es
alimentada a una serie de tanques de reacción, donde
muchos metales pesados y de transición pueden precipitar como hidróxidos insolubles y sulfuros por adición
de sosa cáustica o cal y sulfuro de sodio u organosulfuros patentados. Cloruro férrico o alumbre, y polímeros
especiales, se añaden normalmente para coagular los
precipitados y formar grandes flóculos, los cuales serán
rápida y eficazmente estabilizados en un clarificador.
Muchas veces se incluyen dos etapas de precipitación/
floculación debido a la amplia variación de los valores
óptimos de pH para precipitar los metales presentes.
Los precipitados metálicos estabilizados son recogidos
del fondo del clarificador y filtrados.
Este método de tratamiento funciona eficazmente
para reducir sólidos suspendidos, metales y acidez en
el agua residual, pero deja las sales muy solubles en
solución, incluyendo calcio, magnesio, sodio y amonio
combinados con cloro y nitrato, así como cualquier
compuesto orgánico.
El tratamiento biológico antes de la descarga puede reducir nitratos, amoniaco, productos orgánicos y
demanda de oxigeno, ya que ciertas bacterias pueden
usar estas moléculas como alimento, convirtiéndolas
en agua, CO2 y N2. Algunas bacterias son capaces de
reducir aniones oxigenados de algunos metales tóxicos
(como seleniatos y arseniatos) al metal insoluble. Las
bacterias frecuentes utilizadas en sistemas comerciales
de tratamiento biológico, sin embargo, no afectan la
concentración de muchas de las sales de cloro; de hecho, las aguas residuales que contienen mucho cloruro
de calcio y magnesio a menudo deben ser diluidas para
evitar la muerte de las bacterias. Los métodos de tratamiento químico y biológico también producen lodos,
que pueden ser costosos de transportar y situar, y que
contribuyen de manera significativa a los costos de funcionamiento de estos procesos.
3
Esquemas de tratamientos avanzados
Aunque los métodos de tratamiento físico, químico y
biológico han servido apropiadamente a las industrias
interesadas por muchos años, no pueden reducir las
concentraciones de ciertos componentes de las aguas
residuales, como metales pesados o ciertos compuestos
de nitratos o amonio, a los niveles requeridos actualmente. Por ejemplo, el agua residual proveniente del
proceso de lavado de gases de combustión puede contener niveles de mercurio en el rango de partes por
millón (ppm). Un buen diseño y operación de un sistema de tratamiento de aguas residuales físico-químicobiológico puede propiamente disminuirlo hasta niveles
de partes por billón (ppb). Sin embargo, cuando a una
instalación se le exige alcanzar valores permitidos de
niveles de mercurio en el rango de partes por trillón
(ppt) – lo cual es cada vez más común -, estos sistemas
convencionales resultan inadecuados.
Nº 495
Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales
Los métodos de tratamiento físico,
químico y biológico no pueden
reducir las concentraciones de
ciertos componentes a los niveles
requeridos actualmente
se pueden separar completamente todas las especies disueltas (favorables, peligrosas y toxicas) del agua, produciendo un sólido estable que puede ser depositado
en un vertedero. El agua que se evapora en el evaporador puede recuperarse normalmente y reutilizarse en
otro proceso dentro de la planta
4
Evaporación y cristalización
Debido a que las exigencias de vertido son cada
vez más estrictas, se necesitan nuevas propuestas. Para muchas aguas de vertido, ciertos procesos, como la
filtración por membrana, no son opciones realistas.
Mientras las tecnologías basadas en membranas se utilizan habitualmente en la recuperación de agua en recirculación, reutilización y esquemas ZLD, y mientras
la ciencia de las membranas continúe avanzando, las
tecnologías basadas en membranas están generalmente
limitadas al tratamiento de corrientes diluidas de aguas
residuales. En el caso del tratamiento de aguas residuales provenientes de lavadores de gases de combustión,
por ejemplo, la opción de utilizar membranas de osmosis inversa (RO) debe eliminarse porque la presión osmótica requerida es demasiada alta debido a la elevada
concentración de sales disueltas (30.000-60.000 mg/L).
Una vez que la concentración de sales disueltas en
el agua residual alcanza un pequeño porcentaje en peso, la evaporación debe utilizarse para lograr una mayor recuperación de agua y concentración de sales. La
evaporación puede ser un método de tratamiento de
aguas residuales altamente efectivo, porque, en teoría,
Los evaporadores han sido utilizados durante muchos
años en un número de aplicaciones de aguas residuales
industriales para reducir sustancialmente el volumen
de vertido, y los cristalizadores evaporativos son utilizados habitualmente para conseguir ZLD. Su uso es
cada vez mayor, debido a que los límites normativos se
vuelven progresivamente más estrictos en la definición
de qué especie química y concentración puede ser vertida. En algunos casos las autoridades no permitirán
ningún vertido acuoso proveniente de plantas nuevas
o ampliadas.
Existen múltiples diseños de evaporadores y cristalizadores disponibles, y su elección depende de múltiples factores, tanto desde el punto de vista económico
como operativo. Con el fin de simplificar y abreviar, se
expone a continuación un ejemplo de un tipo de sistema de evaporación y cristalización que se suele utilizar
en el tratamiento de aguas residuales para lograr ZLD.
En el proceso de evaporación, la primera etapa
incluye adición química, precalentamiento, desaireación y evaporación primaria (Fig.1). La corriente de
agua residual fluye hasta el tanque de alimentación del
evaporador, donde se añade el ácido para neutralizar
la alcalinidad y así la solución pueda ser precalentada
Figura 1
El proceso de evaporación incluye adición química, precalentamiento, desaireación y evaporación primaria
Venteo de gases
Desaireador
Concentrador
de salmuera
Mecanismo
de compresión
Productos químicos
Alimentación
Salmuera
concentrada
Tanque de alimentación
Agua recuperada
Junio 2011
Precalentador
de la alimentación
Tanque
de nivel
Recirculación
Bomba de
recirculación
Ingeniería Química 79
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
en un intercambiador de calor de platos con mínima
incrustación de carbonato cálcico. Diferentes formulaciones de antiincrustante se añaden normalmente para
evitar la incrustación en los precalentadores debido a
la baja solubilidad de las especies presentes en la solución.
La corriente precalentada es desaireada después
usando una pequeña cantidad de vapor proveniente
del evaporador para extraer el dióxido de carbono
disuelto en la reducción de alcalinidad y cualquier
oxígeno disuelto. Este se realiza para minimizar el potencial de corrosión en el evaporador. La mayor parte
de la evaporación se realiza en el evaporador de película descendente, el cual consigue altos coeficientes de
transferencia de calor, con una pequeña cantidad de
líquido. La energía introducida al proceso es energía
eléctrica empleada en el ciclo mecánico de compresión del vapor (MVC). Donde el MVC recicla el calor
latente de vaporización, la energía aportada es muy baja, en el rango de 18 a 35 kWh por tonelada métrica de
agua evaporada. Para minimizar el tamaño y el costo
del separador de vapor y del compresor, la evaporación
se realiza a presión atmosférica.
El evaporador de película descendente es adecuado
para concentrar el agua residual, pero no para cristalizar grandes cantidades de sales disueltas. La cristalización se realiza en un evaporador-cristalizador de
circulación forzada (Fig. 2), en el que el diseño del
evaporador se ajusta especialmente a la propagación
y crecimiento de los cristales dentro de la solución
bruta. Este evaporador-cristalizador está integrado
con un dispositivo de deshidratación de sólidos (como
una centrífuga o un filtro de presión), que separa los
cristales de sal del producto de mezcla. El licor madre
es devuelto al cristalizador para una mayor concentración. El evaporador de circulación forzada esta dirigido
normalmente por vapor, debido a la alta elevación del
punto de ebullición de la solución a la cual la cristalización de las sales disueltas tiene lugar. El cristalizador requiere ligeramente algo más de una tonelada métrica
de vapor para evaporar una tonelada métrica de agua.
5
La problemática y desafío de la presencia
de sales
Para la mayoría de las aguas residuales que contienen
entre un 1-5% de sólidos disueltos es relativamente fácil
eliminar entre un 75-95% de agua en un evaporador de
película descendente. Cuando sales muy solubles se encuentran presentes en el agua residual, el último 5-25%
del agua puede ser difícil de evaporar. Cuando el agua es
evaporada de una solución, la concentración y la fuerza
iónica de las sales aumentan al igual que lo hace la temperatura de ebullición de la solución. El aumento de la
temperatura de ebullición de la solución por encima de
la del agua a una presión dada es descrita como aumento del punto de ebullición (BPR). El BPR aumenta al
igual que la concentración de las sales disueltas aumenta
cuando se evapora agua de la solución.
Figura 2
La cristalización se realiza en un evaporador-cristalizador de circulación forzada, el cual se ajusta
a la propagación y crecimiento de los cristales dentro de la solución bruta
Vapor
Cuerpo de vapor
del cristalizador
Condensador
Agua de
refrigeración
Venteo
de gases
Agua
recuperada
Dispositivo de
deshidratación
Calentador del
cristalizador
Condensado
de vapor
Alimentación
80 Ingeniería Química
Bomba de
recirculación
Sólidos para
disposición
Tanque de
alimentación
al cristalizador
Nº 495
Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales
Figura 3
Temperatura de ebullición de soluciones de cloruro
cálcico puro, superpuesta a su diagrama de fase
y solución
Temperatura, ºF
Temperatura, ºC
Punto de
ebullición
y solución
Solución
y solución
y
solución
Solución
y hielo
Hielo y
Porcentaje en peso de cloruro cálcico
cloruro cálcico en una solución hirviente. Como se ve
en la figura, el cloruro cálcico es muy soluble en agua;
pero cuando la solución se concentra por evaporación
a 1 atmósfera, su punto de ebullición continúa aumentando hasta que se alcanza el límite de solubilidad del
75%. La figura también muestra que la solución de
cloruro cálcico saturada a 1 atmósfera de presión tiene un punto de ebullición de casi 350ºF (176ºC), lo
que significa un BPR de 138ºF (77ºC). A esta elevada
temperatura, tanto el cloruro de calcio como el cloruro de magnesio y el cloruro de amonio experimentan
hidrólisis en el agua, esto es, emiten ácido clorhídrico,
el cual es muy agresivo.
El grado de hidrólisis aumenta con la temperatura,
así que los materiales de construcción del cuerpo de
vapor del evaporador y la superficie de transferencia
de calor deben elegirse cuidadosamente para resistir
la naturaleza extremadamente corrosiva de estas sales
a altas temperaturas y concentraciones. La experiencia
muestra que los materiales con suficiente resistencia a
la corrosión a estas altas concentraciones y temperaturas son aleaciones nobles muy caras. La necesidad de
utilizar estos materiales tan caros hace que el uso de un
cristalizador final sea económicamente discutible en la
mayoría de las aplicaciones ZLD de aguas residuales.
6
Evacuación de las opciones
La figura 3 muestra la temperatura de ebullición de
una solución de cloruro cálcico puro superpuesta a su
curva de solubilidad a presión atmosférica. Se puede
ver que, al igual que la concentración de cloruro cálcico aumenta, así lo hace la temperatura de ebullición.
Las dos curvas se cruzan en el límite de solubilidad del
En el caso en el que el uso de un cristalizador no es
económicamente posible, aún se puede utilizar un evaporador de película descendente para recuperar en
torno al 75-95% del agua y concentrar el agua residual.
Existen varias opciones que pueden ser consideradas
para hacer frente al restante 5-25% del volumen origi-
Figura 4
El ablandamiento químico utilizando cal y carbonato sódico puede ser utilizado para eliminar los iones de
magnesio y calcio en las aguas residuales como precipitados de hidróxido magnésico y carbonato cálcico
Alimentación
Clarificador
inicial
Flujo
residual
Tanque
Tanque
de mezcla de mezcla
Cal
Polímero Carbonato Clarificador Al
evaporador
sódico
Tanque
de mezcla
Lodo de Mg(OH)2
y CaCO3
Junio 2011
Filtro
prensa
Espesador
Ingeniería Química 81
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
nal del agua residual. Por ejemplo, puede ser posible y
económicamente atractivo considerar la construcción
de un embalse superficial para almacenar el concentrado. Alternativamente, un “spray dryer” puede utilizarse
para eliminar la humedad restante del concentrado y
producir un producto seco para disponerlo en vertedero. Un “spray dryer” requeriría un suministro de fuel
o gas natural y probablemente permisos de emisión a
la atmósfera. Son posibles otros métodos de secar el
concentrado evaporado. Estos incluyen astilladoras, torres de granulación y métodos adicionales comunes a
la producción industrial de sales. El inconveniente común de las tecnologías de secado es que tienen una demanda energética muy alta (tan alta como 1.500kWh/
tm de agua eliminada) y el costo del combustible puede ser bastante elevado para eliminar una cantidad bastante pequeña de agua.
En aguas residuales donde las sales de cloruro de
calcio y magnesio son predominantes, como en la purga de lavadores FGD o en el agua producida en la perforación de petróleo y gas, el ablandamiento químico
utilizando cal (hidróxido cálcico) puede emplearse
para eliminar la mayor parte de los iones de calcio y
magnesio en el agua residual como precipitados de hidróxido magnésico y carbonato cálcico (Fig. 4). Estos
precipitados pueden trasladarse a un clarificador, y el
lodo resultante puede ser deshidratado y dispuesto en
vertedero. El resultado neto del proceso de “ablandamiento” es que los iones de sodio son sustituidos por
muchos de los iones de calcio y magnesio, con lo que
resulta que la corriente “ablandada” se convierte principalmente en una solución de cloruro sódico.
La corriente “ablandada” se evapora después en un
evaporador de película descendente y el agua se recupera. La concentración final puede hacerse en un
evaporador-cristalizador de circulación forzada, en el
cual el cloruro de sodio cristalice a una temperatura
y concentración relativamente bajas (su solubilidad es
del 28% con un punto de ebullición de 227.6ºF (108.7
ºC) a 1 atm.). Esto permite el uso de aleaciones menos
nobles y menos caras. El cloruro sódico solidificado es
mezclado con el lodo ablandado y dispuesto en vertedero. Los inconvenientes de este esquema de ZLD son
los costes de los equipos adicionales requeridos para
Figura 5
La concentración de sal puede tener efectos
dramáticos en el aumento del punto de ebullición
“ablandar” el agua residual, el costo de los reactivos
químicos y la colocación del lodo y la complejidad adicional del proceso global.
7
Tratamiento a bajas temperaturas
Una mejor opción para tratar con sales muy solubles
es realizar la cristalización final a bajas temperaturas y
aprovechar el hecho de que la solubilidad de las sales
muy solubles desciende significativamente con la temperatura. Utilizando el diagrama de fases de la solución
de cloruro cálcico puro (Fig. 3), podemos observar que
se pueden formar varias sales hidratadas de la solución
de cloruro cálcico, dependiendo de la temperatura. La
concentración a la cual se forman estas sales hidratadas disminuye con la temperatura. Por ejemplo, el dihidrato de cloruro cálcico se forma a 350ºF (175.5ºC)
a partir de una solución que contiene el 75% de CaCl2, pero a 115ºF (45ºC) cristalizaría una solución con
sólo el 56%. Operando bajo vacío, la temperatura de
ebullición de la solución se reduce y el sólido puede
obtenerse a una concentración relativamente baja. Las
figuras 5 y 6 muestras que el aumento del punto de
ebullición es también más bajo cuando se opera a bajas temperaturas bajo condiciones de vacío: al 75% de
CaCl2, el aumento del punto de ebullición es de 75ºC
(135 ºF); pero al 56% de CaCl2 el aumento del punto
de ebullición es de solo 31ºC (56ºF)
Una mejor opción para tratar
con sales muy solubles es realizar
la cristalización final a bajas
temperaturas
Las figuras 5 y 6 demuestran que una solución saturada de CaCl2 (58% CaCl2 en peso) hervirá a 60ºC
(140ºF) si la presión de vapor se mantiene cerca de
3.4 kPa (0.5 psia), encontrándose dentro del ámbito
Figura 6
El aumento del punto de ebullición es menor
cuando se opera bajo vacío a bajas temperaturas
Temperatura de ebullición vs.
Concentración de CaCl2
Temperatura de ebullición vs.
Presión, solución saturada de CaCl2
Aumento del punto de ebullición
Concentración de saturación, % en peso
82 Ingeniería Química
Temperatura de ebullición
Temperatura, ºC
Temperatura, ºC
Temperatura de ebullición
Aumento del punto de ebullición
Presión, kPa
Nº 495
Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales
Figura 7
Un cristalizador puede diseñarse para operar a baja temperatura y presión, evitando de tal modo muchos
problemas de procesamiento
Refrigerante
Cuerpo de
vapor del
cristalizador
Bomba
de vacío
Vapor
Compresor del
refrigerante
Condensador
Calentador del
cristalizador
Agua
recuperada
Dispositivo de
deshidratación
Bomba de recirculación
Válvula de expansión
Alimentación
Junio 2011
Sólidos para
disposición
Tanque de
la alimentación
al cristalizador
Ingeniería Química 83
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Figura 8
El agua residual de un lavador FGD (izquierda) es separada en agua limpia y un sólido estable (derecha)
utilizando la cristalización a baja temperatura
típico de los sistemas de vacío industriales. El BPR de
la solución saturada de CaCl2 a estas condiciones de
operación es de 33ºC (60ºF). Esto significa que el vapor
de agua, el cual se evapora de la solución, estará a 33ºC
(60ºF) menos que la temperatura de ebullición de la
solución o 27ºC (80ºF).
La figura 7 representa un diseño esquemático de
un cristalizador para operar a baja temperatura y a la
presión descrita anteriormente. En este sistema el calor requerido para hervir la solución y el enfriamiento
necesario para condensar el vapor de agua son suministrados por una bomba calorífica de ciclo cerrado.
El fluido de refrigeración se calienta por compresión
en el compresor de refrigeración. La energía eléctrica, que mueve el motor del compresor, proporciona el
trabajo que es la fuente de calor para el cristalizador.
Parte del calor proporcionado al refrigerante por el
compresor es transferido a la solución de proceso en
el intercambio de calor del cristalizador por condensación del refrigerante.
El líquido de refrigeración fluye a través de la válvula de expansión al condensador, donde se evapora
por transferencia de calor desde el vapor de agua condensada del cristalizador. El ciclo se cierra cuando el
flujo refrigerante vuelve al compresor. El aporte de
energía es aproximadamente de 70 kWh/tm de agua
evaporada. Además de una menor elevación del punto de ebullición, la menor temperatura de operación
origina una menor tasa de hidrólisis para las sales ácidas, como el cloruro cálcico. La menor temperatura de
operación hace una más fácil elección de los materiales
de construcción que cuando se hace frente a mezclas
de sales de cloro, las cuales están sometida a hidrólisis.
Una menor temperatura de operación se traduce en
una solución mucho menos agresiva y los materiales
de construcción no necesitan ser altas aleaciones de
níquel y molibdeno.
84 Ingeniería Química
Las pruebas en laboratorio han probado la efectividad de este proceso en aguas residuales comunes que
contienen sales muy solubles. La disolución representada en la figura 8 es la de un agua residual de un lavador FGD en una central eléctrica de combustión de
carbón. Después de la evaporación a baja temperatura
(55ºC, 131ºF), el agua residual fue separada en agua
destilada de alta calidad y el sólido estable mostrados
en la figura.
8
Conclusiones
Los problemas prácticos están forzando a muchas industrias a evaluar la viabilidad de los tratamientos ZLD
dentro de los objetivos de los proyectos. La efectividad
operacional y simplicidad de la evaporación a baja
temperatura proporciona nuevas oportunidades para
aplicar los procesos ZLD a más corriente de aguas residuales. Las barreras previas al ZLD, como el alto capital
o costes operacionales, pueden mitigarse usando este
proceso. La disminución de los requisitos metalúrgicos
y la escasez de instalaciones de pretratamiento, como
una planta de ablandamiento, permiten menores costes de capital. Adicionalmente, la evaporación a baja
temperatura no necesita del uso de reactivos químicos
de pretratamiento y reduce enormemente la cantidad
de lodo manejado. El uso de una bomba de calor elimina la necesidad de vapor y reduce extremadamente los
requerimientos energéticos para evaporar agua. Este
resultado en costes operacionales es significativamente
menor que los de una instalación dada. La evaporación a baja temperatura va a permitir a las industrias
con aguas residuales que contengan sales muy solubles
alcanzar el ZLD, mientras mantienen o disminuyen el
capital y los costes operacionales en comparación con
anteriores opciones de ZLD.
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