Análisis experimental de la permeabilidad al agua en módulos de membranas para desalación eficiente de agua de mar

L,pl Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Ingeniería de la Energía Análisis experimental de la permeabilidad al agua en módulos de membranas para desalación eficiente de agua de mar Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: María Cascajo González Tutores: Rafael González Almenara Lourdes García Rodríguez Sevilla, 2023 iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería de la Energía Análisis experimental de la permeabilidad al agua en módulos de membranas para desalación eficiente de agua de mar Autor: María Cascajo González Tutores: Rafael González Almenara Lourdes García Rodríguez Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Proyecto Fin de Carrera: Análisis experimental de la permeabilidad al agua en módulos de membranas para desalación eficiente de agua de mar Autor: María Cascajo González Tutores: Rafael González Almenara Lourdes García Rodríguez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: vii A mi tío Gabriel. Agradecimientos En primer lugar, agradecer a mis padres darme la oportunidad de estudiar fuera de casa. Así como, por apoyarme y confiar en todas las decisiones que he tomado a lo largo de mi vida. A mis hermanos en especial a Sara, por estar siempre atenta y pendiente de mí. A mi abuela, mi pilar fundamental, por está siempre ahí cuando más lo necesito. A mi familia en general, les agradezco de todo corazón por su amor, aliento y comprensión. Vuestra confianza en mí y vuestro apoyo constante me han impulsado a dar lo mejor de mí y a superar cualquier obstáculo que se presentara en mi camino. A mis amigos a Miriam, Carmen y Hugo por acompañarme en todo este recorrido y no dejar nunca de darnos la mano para levantarnos tras cada caída. Ese 'A por todas' que nos decíamos los unos a los otros. Gracias a mis tutores Lourdes y Rafa por su tiempo y su confianza desde el primer momento. Especialmente a Rafa, por su paciencia y ayudarme con sus conocimientos. Finalmente, estoy profundamente agradecida a todos aquellos que han sido parte de este viaje. María Cascajo González Sevilla, 2023 ix Figura 32.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 1 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 44 Figura 33.Evolución de la presión a lo largo del ensayo 3 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión. 44 Figura 34.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 1. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 45 Figura 35.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 1. El valor promedio de la permeabilidad es 6. 45 Figura 36.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 2. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 46 Figura 37. Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 2 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 46 Figura 38. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 2 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_HC_IN_1 Y P_HC_IN_2, entrada y salida de la bomba respectivamente. P_HC_OUT, tras la válvula de regulación de presión. Para la corriente de alta presión; P_LC_IN_1 Y P_LC_IN_2, entrada y salida de la bomba respectivamente. P_LC_OUT, tras la válvula de regulación de presión. 47 Figura 39.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 2. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 47 Figura 40.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 2. El valor promedio de la permeabilidad es 6. 48 Figura 41.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 3. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT.. 48 Figura 42.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 3 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 49 Figura 43 .Evolución de la presión a lo largo del ensayo 3 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 49 Figura 44.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 3. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 50 Figura 45. Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 3. El valor promedio de la permeabilidad es 5,6. 50 Figura 46.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 4. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 51 Figura 47. Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 4 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 51 Figura 48. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 4 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 52 Figura 49.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 4. Para la xvii fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 52 Figura 50.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 4. El valor promedio de la permeabilidad es 5,9. 53 Figura 51.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 5. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 53 Figura 52.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 5 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 54 Figura 53. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 5 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 54 Figura 54.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 5. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 55 Figura 55.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 5. El valor promedio de la permeabilidad es 6,1. 55 Figura 56.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 6. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 56 Figura 57.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 6 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 56 Figura 58. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 6 e n los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 57 Figura 59.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 6. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 57 Figura 60.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 6. El valor promedio de la permeabilidad es 7,2. 58 Figura 61.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 7. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 58 Figura 62.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 7 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 59 Figura 63. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 7 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 59 Figura 64.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 7. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 60 Figura 65.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 7. El valor promedio de la permeabilidad es 6. 60 Figura 66.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 8. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 61 Figura 67.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 8 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 61 Figura 68. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 8 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 62 Figura 69.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 8. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 62 Figura 70.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 8. El valor promedio de la permeabilidad es 6,4. 63 Figura 71.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 9. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 63 Figura 72.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 9 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 64 Figura 73. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 9. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 64 Figura 74.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 9. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 65 Figura 75.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 9. El valor promedio de la permeabilidad es 6,4. 65 Figura 76. Evolución del caudal a lo largo del ensayo 10. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 66 Figura 77. Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 10 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 66 Figura 78. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 10. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 67 Figura 79. Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 10. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 67 Figura 80.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 10. El valor promedio de la permeabilidad es 6,4. 68 Figura 81.Evolución de la temperatura frente a la permeabilidad en los diferentes ensayos. 69 xix 1 INTRODUCCIÓN n este primer capítulo se presentan los objetivos y los distintos elementos que forman la base del desarrollo del presente proyecto. Además, se explica la metodología y organización del documento. El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es evaluar experimentalmente un sistema de membranas de a contracorriente mediante el banco de ensayos del proyecto SOLMIDEFF, en particular se evalúa la membrana TORAY FO4040. La motivación del estudio de esta membrana es su integración en un sistema de desalación de agua de mar por ósmosis inversa para mejorar la eficiencia energética del proceso. Este proyecto se desarrolla en el en el marco de los proyectos de investigación SOLMIDEFF y MONSIEUR. 1.1 Proyecto SOLMIDEFF y MONSIEUR El primer proyecto se centra en la recolección y concentración de energía solar mediante un colector de disco parabólico. La energía solar se convierte en electricidad mediante una microturbina de gas y un receptor solar. El aire atmosférico se comprime y se suministra al receptor solar, donde se produce un intercambio de calor y se genera aire a alta presión y temperatura. Este aire se utiliza para generar energía eléctrica y para alimentar una máquina desalinizadora basada en ósmosis inversa. El calor residual de la microturbina se utiliza para tratar la salmuera generada por la desalinización. El segundo proyecto se enfoca en la creación teórica y experimental de un sistema de producción combinada de electricidad y agua potable. Este sistema está diseñado para aplicaciones no conectadas a la red en áreas remotas y se caracteriza por su capacidad de descarga líquida nula. El proyecto se basa en los hallazgos y la instalación experimental del proyecto SOLMIDEFF, pero se agregan aspectos adicionales para asegurar la capacidad técnica del sistema en condiciones cambiantes. Se incorpora una nueva turbina de gas completamente instrumentada para simular las condiciones de una instalación solar y se investigan técnicas y protocolos de operación óptimos. Además, se analizan los beneficios económicos y ambientales, y se busca crear una tecnología con especificaciones operativas y un impacto ambiental mínimo. Por tanto, los objetivos generales de dichos proyectos son mejorar la eficiencia de la microturbina de gas solar a carga parcial, validar modelos de operación a carga parcial de sistemas de ósmosis inversa y sugerir nuevas configuraciones. Este trabajo se centra en la primera parte del proyecto SOLMIDEFF en el cual a través de un prototipo de escala de laboratorio RO se evaluará experimentalmente las características de la unidad de desalinización. La segunda parte del proyecto SOLMIDEFF se continuará en el Trabajo Fin de Grado de mi compañera Carmen Navarro donde se evaluará el comportamiento experimental en condiciones de funcionamiento típicas y también durante maniobras fuertemente transitorias, permitiendo así un análisis más profundo de la tecnología. Además, implementar una herramienta de simulación de la tecnología incluyendo la explotación de los resultados del proyecto. 1.2 Metodología y estructura del documento Este documento se estructura en cinco capítulos, siendo este el primero llamado "Introducción". En el segundo, se explican los fundamentos de la ósmosis inversa y las principales configuraciones, exponiendo la utilidad propuesta de la membrana que se evalúa experimentalmente en este trabajo. El banco de ensayos con los dispositivos empleados y sus características y conexionado se presentan en el capítulo tres. En el cuarto capítulo, se describen y analizan los resultados de los ensayos realizados. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones y posibles ampliaciones del proyecto. Además, este documento cuenta con un anexo, en el cual se adjunta un breve manual del correcto uso de la instalación que se ha utilizado para el desarrollo de este proyecto. E 22 22 2 LA DESALACIÓN DE AGUA MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA n este capítulo se profundizará en el contexto mundial de la desalación, los fundamentos que rigen la técnica de la ósmosis inversa, así como en sus principales configuraciones y parámetros característicos. La desalación de agua es producida por el ciclo hidrológico natural a través de la aportación energética de la radiación solar. La radiación evapora el agua de los lagos, ríos y océanos, produciendo nubes y disuelve minerales al discurrir sobre la tierra. Debido a que el proceso natural de evaporación, precipitación y arrastre lleva continuamente sales de la tierra al mar, los mares y océanos mantienen su contenido salino de esta manera. La idea de separar las sales del agua es muy antigua y se remonta a tiempos en los que la obtención de sal y no del agua era lo más importante. Sin embargo, a medida que aumentaba la demanda de agua dulce, se comenzó a considerar la posibilidad de producir agua en lugares áridos y remotos, especialmente en barcos. Es muy difícil encontrar agua pura en la Tierra. Se refiere al agua dulce, al agua de río o con baja concentración de sales, al agua salobre, al agua marina, a la salmuera y al agua residual según su contenido de sales. La International Desalination Association (IDA) ha clasificado las aguas en diferentes categorías, como se muestra en la Tabla 1: Tipos de aguas SDT (mg/L) Agua pura STD < 500 mg/L Agua de río o baja concentración 500 < STD < 1.500 Agua salobre 1.500 < STD < 20.000 Agua marina 20.000 < STD < 50.000 Salmuera STD > 50.000 Agua residual Agua de núcleos urbanos o industrias Tabla 1. Clasificación tipos de agua (International Desalination Association) El término desalación se refiere a una variedad de procesos tecnológicos que se utilizan para extraer sal de agua de una variedad de calidades. La potabilización del agua para uso doméstico y urbano y el tratamiento del agua para procesos industriales son solo algunos de los objetivos de estos procesos tecnológicos. El crecimiento de la población, el aumento del consumo de agua y la contaminación están exacerbando la escasez de agua en todo el mundo. El 40% de la población mundial enfrenta una grave escasez de agua, que aumentará al 60% para 2025. Las fuentes convencionales de agua ya no son suficientes para satisfacer la demanda humana en áreas escasas de agua. Es necesario un enfoque radical para la gestión de los recursos hídricos que incluya la explotación de recursos hídricos no convencionales. La desalinización de agua de mar y agua altamente salobre se considera una opción viable para satisfacer principalmente las necesidades domésticas y municipales. En un análisis bibliométrico que se realizó utilizando la base de datos Web of Science para evaluar las tendencias de investigación en el campo de la desalinización de agua de mar (Jones et al., 2019). Las publicaciones fueron categorizadas según los principales temas de investigación, como tecnología, medio ambiente, economía y energía e intereses sociales. Dentro de la categoría de tecnología, se examinaron las tendencias en la investigación sobre tecnologías específicas, incluyendo ósmosis inversa, destilación de múltiple efecto, destilación de múltiples etapas, electrodiálisis, tecnologías emergentes y otras tecnologías. El estudio cubrió el período de 1980 a 2018. E 23 Un porcentaje muy pequeño del total de plantas de desalinización. La tecnología de desalinización se clasificó en las siguientes seis categorías: 1) Ósmosis inversa; 2) Destilación térmica ;3) Electrodiálisis; 4) Ósmosis hacia adelante; 5) Destilación por membrana; y 6) Nanofiltración. Se determinó el volumen de salmuera para cada planta, esto permitió estimar la cantidad total de salmuera producida en cada país y en todo el mundo como se puede ver en la Figura 1. Figura 1.Distribución global de las instalaciones operativas de desalinización y capacidades (N1000m3 /día) por usuario del agua producida por sector. (Jones et al., 2019) En las últimas décadas se puede apreciar un considerable aumento en la investigación tecnológica frente a los aspectos económicos y ambientales (Figura 2). Por un lado, la investigación económica se ha centrado en temas como los costos de capital y operativos, la evaluación de la viabilidad económica y el impacto en la economía local. Por otro lado, la investigación ambiental ha examinado cuestiones como los impactos en el medio ambiente, la eficiencia energética, la huella de carbono y la gestión de residuos. También se están desarrollando nuevas tecnologías y procesos que buscan minimizar los impactos ambientales de la desalinización, como la recuperación de energía y la gestión de residuos. Figura 2. Número de publicaciones sobre desalinización por categorización (total, técnica, social, medio ambiente, energía y economía). (Jones et al., 2019) 24 24 En general, se espera que el aumento en la investigación en aspectos económicos y ambientales de la desalinización tenga un impacto significativo en la forma en que se implementa y se utiliza esta tecnología en el futuro. Esto incluye el desarrollo de políticas y regulaciones que aborden los impactos ambientales y económicos de la desalinización, así como la adopción de tecnologías y prácticas que reduzcan estos impactos. Esta escasez de agua comentada anteriormente debido al aumento de población es lo conocido como estés hídrico. Este problema se ve agravado por extracciones excesivas de aguas superficiales, políticas inadecuadas de gestión de recursos públicos, diversas formas de contaminación, urbanización, expansión urbana y crecimiento de la población, así como los efectos del cambio climático. El siguiente mapa, basado en datos del Think Tank estadounidense World Resources Institute, muestra las predicciones del estrés hídrico para 2040. Estas predicciones se derivan de la relación entre la extracción anual total de agua y la cantidad total de recursos renovables disponibles. Los números más altos indican una mayor competencia entre los usuarios y afectan a una gran parte de la población mundial: el oeste de los Estados Unidos, México, la costa oeste de América Latina, la región mediterránea, Oriente Medio, Asia occidental y el norte de China. Figura 3. Predicciones del estrés hídrico para 2040 (World Resources Institute, 2023). Por tanto, la desalinización se ha convertido en una tecnología importante para el suministro de agua en muchas partes del mundo, especialmente en regiones áridas o con problemas de escasez de agua. A medida que la tecnología ha mejorado y se ha vuelto más eficiente, el costo de producción de agua desalinizada también ha disminuido, lo que la hace más accesible para una variedad de usuarios, desde industrias hasta comunidades pequeñas. A pesar de esto, todavía existen desafíos importantes relacionados con la energía necesaria para la desalinización y la gestión de los residuos producidos por el proceso de desalinización. 25 2.1 Fundamentos de la Ósmosis Inversa La ósmosis es un fenómeno natural, es decir, espontáneo, en el que el disolvente (A) pasa a través de una membrana semipermeable desde una solución menos concentrada (idealmente pura, A*) a una solución más concentrada (A+B), hasta que se alcanza el equilibrio cuando la membrana es fija, como se muestra en la Figura 4. La presión osmótica de la solución (1) se conoce si la concentración de la solución (2) fuese cero (agua pura). La diferencia de altura entre los dos recipientes se conoce como heq. La diferencia de altura se debe a las diferencias en las presiones osmóticas de ambas soluciones, si no fuera agua pura. Figura 4. Evolución hacia el equilibrio osmótico Como su nombre indica, la ósmosis inversa es el proceso opuesto como se puede ver en la Figura 5. Se produce cuando se aplica una presión al lado de mayor concentración de manera que la fuerza motriz del proceso sea mayor de cero. Esta presión se conoce como NDP. Como resultado, el disolvente fluye a través de una membrana semipermeable en sentido no espontáneo, es decir, desde la solución más concentrada (1) a la menos. Figura 5.Flujo inverso provocado por una presión superior a la osmótica. 2.2 Principales configuraciones Las últimas avances en la tecnología de ósmosis inversa se han centrado en la creación de una variedad de configuraciones y membranas para aplicaciones cada vez más precisas, así como en la reducción de los problemas de ensuciamiento y postratamiento de concentrados. Una instalación de ósmosis inversa a escala industrial consta de un sistema de toma e impulsión, una unidad de pretratamiento y el proceso de ósmosis inversa. En su forma más básica, esta se compone de una bomba de alta presión que presuriza el flujo de la unidad de pretratamiento y del módulo con membranas. Como se mencionó anteriormente, la fuerza impulsora del flujo salino es el gradiente de sal de la membrana, mientras que la fuerza impulsora del permeado, NDP, es la presión neta aplicada menos la diferencia de presión osmótica. La alimentación pasa por múltiples módulos de membrana en serie. La presión disminuirá durante este proceso debido a la pérdida de presión relacionada con la circulación del flujo. Sin embargo, la alimentación se concentra a medida que circula por la serie de membranas mientras parte del disolvente pasa por la membrana, la diferencia de presión osmótica a ambos lados de la membrana aumenta. Desde la entrada a la membrana hasta su fin, la calidad del permeado disminuye significativamente como resultado de estos dos efectos. 32 32 Como se puede apreciar en el diagrama de la instalación (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.3) existen cuatro corrientes, dos de entrada y dos de salida. Por un lado, está la corriente de alta presión donde la corriente 1 es la entrada y la corriente 2 es la salida. Por otro lado, está la corriente de baja presión donde la corriente 3 es la entrada y la corriente 4 es la salida. A lo largo de ambas corrientes encontramos la instrumentación necesaria para medir las diferentes señales. ❖ La corriente 1 es la entrada principal de agua sin tratar al sistema de ósmosis inversa. El agua proviene del depósito TA-RO-01. Antes de ingresar al sistema, generalmente se realizan procesos previos de filtración y eliminación de sedimentos para proteger la membrana de ósmosis inversa. ❖ La corriente 2 es la corriente que, tras pasar a través de la membrana de ósmosis inversa, una porción del agua cruda se convierte en agua purificada o permeado. Esta corriente de salida es la primera de las dos corrientes de agua purificada que se obtienen. ❖ La corriente 3 es la segunda corriente de agua, conocida como corriente de concentrado o rechazo, que se utiliza para controlar la concentración y la presión en el sistema de ósmosis inversa. Esta corriente de entrada se combina con el agua sin tratar para formar la corriente de alimentación, que fluye hacia la membrana. ❖ La corriente 4 es la corriente que, después de que la corriente de alimentación pasa a través de la membrana de ósmosis inversa, se divide en dos corrientes de salida. Una de ellas es la corriente de permeado (agua purificada y de mayor calidad), que corresponde a la corriente 4. La otra corriente es la corriente de concentrado o rechazo, que contiene una mayor concentración de impurezas y contaminantes y se descarta del sistema. Además, en el diagrama se pueden observar la estratégica distribución de las válvulas mencionadas anteriormente en las diferentes corrientes. Así como, se puede observar la diferente instrumentación y dispositivos de los que dispone la instalación los cuales serán explicados detenidamente a continuación. ▪ Bombas Las bombas de alimentación permiten transportar el agua desde los tanques de alimentación hasta la entrada del equipo, de forma que el agua llegue con presión suficiente a la aspiración de la bomba de alta presión (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.4) y baja presión (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.5) del módulo de ósmosis inversa. Las bombas que incorpora la instalación son bombas de desplazamiento positivo, por lo que, a diferencia de las bombas centrífugas, el caudal depende fundamentalmente de la frecuencia de excitación y la dependencia de la presión del sistema es despreciable. Figura 14. Bomba de Alimentación 33 Figura 15. Bomba de Alta presión ▪ Módulo de membrana Un módulo de membrana es un componente esencial en los sistemas de ósmosis inversa. Su diseño permite el paso selectivo del agua, mientras retiene las sales y los contaminantes no deseados. El módulo se compone de una carcasa, membranas semipermeables, espaciadores, entradas y salidas de agua, y sellado adecuado para garantizar un funcionamiento eficiente y confiable del proceso como se puede observar en la Figura 16 . Se fabrica al enrollar membranas en forma de espiral, suelen medir entre 40 y 60 pulgadas de largo, y los diámetros más comunes son de 4 a 8 pulgadas. Durante la operación el agua entra a presión por un lado de la membrana, a medida que esta fluye de forma tangencial a través de esta, parte de esa presión pasa por la superficie hacia el colector de permeado, mientras que el agua, con alta concentración de sales, sale por el otro extremo de la membrana. Se alberga en un vaso de presión de acero inoxidable dúplex a 70 barg. Módulo de Ósmosis Inversa Fabricante Toray Modelo F4040 Tipo membrana Composite de película fina con revestimiento de poliamida Flux(L/m2/h) 30±5 Flux inverso especifico de NaCL(g/L) <0,5 Rango de operación de pH 2-11 Tabla 2. Características de la membrana 34 34 Figura 16. Membrana Toray F4040 3.1.2 Instrumentación Continuaremos con la instrumentación utilizada en la instalación (Tabla 3). Se describirán los diferentes dispositivos que se van a usar para medir, convertir y registrar las variables del proceso para luego poder trasmitirlas y evaluarlas. Tipo Cantidad TAG Precisión Manómetro 6 PG-RO-01 a PG-RO-06 Clase 1.6 Presostato 4 PS-RO-01 a PS-RO-02 ±0,5 % span. Transmisor de presión 6 PT-RO-01 a PT-RO-06 ±0,5 % span. Transmisor de caudal 3 FT-RO-01 a FT-RO-03 ±0,5 % span. Analizador conductividad 4 AT-RO-01 a AT-RO-04 ±0,5 % span. Tabla 3. Dispositivos de Instrumentación ▪ Manómetro Los manómetros (Figura 17) son instrumentos de medida de la presión de fluidos en circuitos cerrados. Son los encargados de comparar la presión atmosférica con la de dentro del circuito por donde circula el fluido. En el caso de nuestra instalación los manómetros pueden ayudar a identificar posibles problemas o fluctuaciones en la presión, lo que puede indicar obstrucciones en los filtros, problemas en las bombas o cualquier otro inconveniente que afecte la eficiencia del proceso de purificación. Tipo Burdon Clase precisión 1.6 Protección IP65 Dial DN63 Conexión Posterior ¼” BSP-M Material Inox. 316 Relleno Glicerina Tabla 4.Características del manómetro 35 ▪ Presostato El presostato desempeña un papel crucial en la protección del sistema y en la optimización de su rendimiento. Al controlar la presión, evita daños en los componentes sensibles, como la membrana de ósmosis inversa, al tiempo que garantiza un flujo constante y una producción eficiente de agua purificada. Es un dispositivo que se utiliza para cerrar o abrir un circuito eléctrico en función de la presión que ejerce un fluido sobre un pistón interno, que se mueve hasta que se unen dos contactos. Es un interruptor de presión que actúa dependiendo de la presión del agua. Los presostatos (Figura 188) están situados en la aspiración y descarga de las bombas para detener el equipo en caso de baja presión de aspiración o por alta presión en la descarga. Tipo Ajustable por tornillo Histéresis fija a 25º 0.3 bar Precisión ±0,5 % span Contacto NC (sin presión) Máximo voltaje de contacto 48 Vac/dc Máxima corriente de contacto 0.5/0.2 A Conexión 1/8”-BSP-M Salida de Cable Cap tipo 3 Protección IP65 Tabla 5. Características del presostato Figura 18. Presostato Figura 17. Manómetros 36 36 ▪ Transmisor de presión Un transmisor de presión (Figura 19Figura 19) es un dispositivo utilizado para medir y transmitir la presión del agua en tiempo real a través de una señal eléctrica. Cuando se aplica presión al transmisor, este utiliza un sensor interno para medir la presión y luego convierte esta medida en una señal eléctrica, como una corriente de salida de 4-20 mA o una señal de voltaje. Esta señal eléctrica es utilizada para monitorear la presión en un panel de control. Estos transmisores no disponen de indicador local. Como medida de seguridad, el equipo dispone de manómetros analógicos con indicación local según el estándar de Gefico. Tipo Modelo A-10 Material partes mojadas Inox 316L Material de la caja Inox 316L Tipo de medida Presión relativa Conexión a proceso ½” BSP-M Señal de salida 4-20 mA Tensión de alimentación 8-30Vdc Salida de Cable Prensa M12 Protección IP65 Precisión ±0,5 % span. Tabla 6. Características del transmisor de presión Figura 19. Transmisor de presión ▪ Transmisor de caudal Transmisor de caudal (Figura 20Figura 20) un transmisor de caudal es un dispositivo utilizado para medir y transmitir la tasa de flujo del agua en tiempo real a través de una señal eléctrica. Este dispositivo proporciona información precisa sobre la cantidad de agua que circula a través del sistema. El transmisor de caudal se instala generalmente en la línea de alimentación de agua cruda o en la línea de salida de agua purificada. Está diseñado para resistir las condiciones y los fluidos corrosivos 37 asociados con el proceso de ósmosis inversa. Cuando el agua fluye a través del transmisor de caudal, este utiliza un sensor interno, para medir la velocidad o el volumen del flujo. Luego, convierte esta medida en una señal eléctrica, como una corriente de salida de 4-20 mA o una señal de voltaje, que puede ser utilizada para monitorear y controlar el flujo de agua. Tipo Electromagnético Alimentación 100-240 Vac/24Vac/24Vdc Señal de salida 4-20 mA Entrada cable M20 Conexión a proceso Brida EN1092-1. PN16 Protección IP66 Precisión ±0,5 % span. Tabla 7.Características del transmisor de caudal Figura 20.Transmisor de caudal ▪ Analizador de conductividad Existen dos tipos de sensores utilizados para medir la conductividad: de contacto e inductivos. Los usados para esta instalación son los inductivos debido a que se utilizan para medir la conductividad electrolítica, un parámetro analítico para determinar la pureza del agua. Un analizador de conductividad (Figura 21) es un dispositivo utilizado para medir la conductividad del 38 38 agua en tiempo real. La conductividad es una medida de la capacidad del agua para conducir la electricidad y se utiliza como indicador de la calidad del agua y del rendimiento del sistema de ósmosis inversa. El analizador de conductividad PT100 utiliza una sonda o electrodo de conductividad sumergido en el agua para medir la conductividad eléctrica. La sonda contiene dos electrodos, y al aplicar una corriente eléctrica a través del agua, se mide la resistencia al flujo de la corriente. Esta resistencia está directamente relacionada con la conductividad del agua. El PT100 se refiere a un termistor de platino que se utiliza en el analizador de conductividad para medir y compensar la temperatura del agua. La conductividad del agua varía con la temperatura, por lo que el PT100 ayuda a corregir la medición de conductividad en función de la temperatura actual. Por tanto, proporciona una lectura precisa de la conductividad del agua y puede mostrarla en unidades como microsiemens por centímetro (µS/cm) o milisiemens por centímetro (mS/cm). Esta información es esencial para controlar y ajustar el sistema de ósmosis inversa, ya que una conductividad alta puede indicar una menor eficiencia de remoción de sales y una posible necesidad de mantenimiento o limpieza de los componentes del sistema. Tipo Inductiva Variable medidas Conductividad y temperatura Protección IP66 Comunicaciones 4-20 mA Alimentación 100-240 Vac/24Vac/24Vdc Entrada de cable M20 Protección IP65 Tabla 8. Características Analizador de conductividad 39 Figura 21. Analizador de conductividad (PT100) 3.2 Gestión de datos En este apartado se desarrolla el conexionado de los diferentes dispositivos de instrumentación que se han usado para medir las señales de la instalación con el registrador de datos por el que se han obtenido los resultados. Para la gestión de los datos se ha utilizado el registrador de datos MultiCon CMC-99/141 (Figura 22). Este registrador de datos es una unidad multicanal sofisticada que permite la medición simultánea, visualización y control de numerosos canales. Este dispositivo puede funcionar de forma autónoma o en cooperación con dispositivos de medición externos y actuadores. 40 40 Figura 22.Registrador de datos MultiCon CMC-99/141. El MultiCon CMC-99/141 cuenta con una pantalla a color y una interfaz de usuario intuitiva que facilita la configuración y visualización de los datos. Puede mostrar gráficos, tendencias históricas y valores en tiempo real, lo que permite un monitoreo detallado de las variables del proceso. Este registrador de datos ofrece múltiples canales de entrada para conectar sensores y transmisores de diferentes tipos, lo que permite una amplia gama de aplicaciones. Puede adquirir datos a través de señales analógicas, digitales y de comunicación, como RS-485, Ethernet o Modbus. Además de la adquisición y visualización de datos, el MultiCon CMC-99/141 también tiene capacidades de registro y almacenamiento de datos a largo plazo. Puede almacenar datos en una memoria interna o en una tarjeta SD opcional, lo que permite el análisis posterior y el seguimiento del rendimiento del proceso a lo largo del tiempo. El MultiCon CMC-99/141 ofrece opciones de comunicación flexibles, lo que facilita su integración con otros sistemas y redes de control. Puede conectarse a sistemas SCADA o PLC, y también admite la comunicación con dispositivos remotos a través de Ethernet, RS-485 y otros protocolos de comunicación. 41 Figura 23.Descripción de las terminales Dependiendo de las necesidades, se pueden añadir más o menos módulos (Figura 23). En nuestro caso tenemos un módulo de comunicación (interfaces seriales, USB y Ethernet adicionales instaladas en la ranura D). Además de otros tres módulos (instalados en un lugar designado como Ranura A, Ranura B, Ranura C). A continuación, se muestra la configuración de los módulos instalados (Figura 24, Figura 25, Figura 26): Ranura A Ranura B Ranura C Figura 24.Módulo UN5 (5 entradas universales) Figura 25.Módulo I24 (24 entradas de corriente) Figura 26. Módulo UN5 (5 entradas universales) Por un lado, a la ranura B (Figura 27Figura 27) se le han conectado los sensores de caudal (FT1, FT2, FT3), presión (PT1 , PT2, PT3, PT4, PT5, PT6) y salinidad (AT1, AT2, AT3 ,AT4) . Por otro lado, a la ranura C (Figura 28) se le han conectado los sensores de temperatura (THCout, TLCout). En cuanto a la ranura A, no ha sido utilizada para este experimento. 48 48 Por un lado, observando las Figura 31 y Figura 32 se podría decir que la temperatura y el caudal son valores que se mantienen prácticamente constantes a lo largo del ensayo. Por otro lado, en la Figura 34 se puede observar cómo el caudal transferido está condicionado a la fuerza motriz del proceso. En cuanto a la permeabilidad, en la Figura 35 se puede observar como en los últimos 10 minutos aproximadamente se estabiliza en un valor próximo a 6. 4.1.2 Ensayo 2 Fecha Duración 08-11-2022 34 minutos Figura 36.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 2. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. Figura 37. Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 2 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 49 Figura 38. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 2 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_HC_IN_1 Y P_HC_IN_2, entrada y salida de la bomba respectivamente. P_HC_OUT, tras la válvula de regulación de presión. Para la corriente de alta presión; P_LC_IN_1 Y P_LC_IN_2, entrada y salida de la bomba respectivamente. P_LC_OUT, tras la válvula de regulación de presión. Figura 39.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 2. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 50 50 Figura 40.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 2. El valor promedio de la permeabilidad es 6. 4.1.3 Ensayo 3 Fecha Duración 11-01-2023 39:00 minutos Figura 41.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 3. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT.. 51 Figura 42.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 3 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. Figura 43 .Evolución de la presión a lo largo del ensayo 3 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 52 52 Figura 44.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 3. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. Figura 45. Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 3. El valor promedio de la permeabilidad es 5,6. 53 4.1.4 Ensayo 4 Fecha Duración 11-01-2023 37:30 minutos Figura 46.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 4. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. Figura 47. Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 4 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 54 54 Figura 48. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 4 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Figura 49.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 4. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 55 Figura 50.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 4. El valor promedio de la permeabilidad es 5,9. 4.1.5 Ensayo 5 Fecha Duración 11-11-2022 30 minutos Figura 51.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 5. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 56 56 Figura 52.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 5 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. Figura 53. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 5 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 57 Figura 54.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 5. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. Figura 55.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 5. El valor promedio de la permeabilidad es 6,1. 64 64 Figura 68. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 8 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Figura 69.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 8. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 65 Figura 70.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 8. El valor promedio de la permeabilidad es 6,4. 4.1.9 Ensayo 9 Fecha Duración 14-02-2023 39 minutos Figura 71.Evolución del caudal a lo largo del ensayo 9. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. 66 66 Figura 72.Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 9 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. Figura 73. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 9. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. 67 Figura 74.Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 9. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. Figura 75.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 9. El valor promedio de la permeabilidad es 6,4. 68 68 4.1.10 Ensayo 10 Fecha Duración 14-02-2023 39 minutos Figura 76. Evolución del caudal a lo largo del ensayo 10. La corriente de alta presión a la entrada y salida medida como Q_HC_IN y Q_HC_OUT (Calculada). La corriente de baja presión a la entrada y salida medida como Q_LC_IN y Q_LC_OUT. Figura 77. Evolución de la temperatura a lo largo del ensayo 10 en los siguientes puntos. Para la corriente de alta presión; T_HC, temperatura de salida de dicha corriente. Para la corriente de baja presión; T_LC, temperatura de salida de dicha corriente. 69 Figura 78. Evolución de la presión a lo largo del ensayo 10. Para la corriente de alta presión; P_AlimHPP_HC, alimentación de la bomba HPP. P_IN_HC y P_OUT_HC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Para la corriente de baja presión; P_AlimHPP_LC, alimentación de la bomba LPP. P_IN_LC y P_OUT_LC, entrada y salida de la membrana respectivamente. Figura 79. Evolución de la diferencia de presiones frente al caudal transferido a lo largo del ensayo 10. Para la fuerza motriz del proceso, NDP y para el caudal transferido, qv. 70 70 Figura 80.Evolución de la permeabilidad a lo largo del ensayo 10. El valor promedio de la permeabilidad es 6,4. 4.2 Análisis de resultados En este apartado se analizarán los resultados obtenidos en los diferentes ensayos mediante una tabla en la que se recoge la media de los diferentes valores de temperatura, diferencia de presiones, caudal transferido y permeabilidad en los últimos 10 minutos de cada ensayo, en los cuales estos se comienzan a estabilizar. Como se muestra en el apartado de campaña experimental el valor de Lw se podía obtener a través de la ecuación del caudal transferido utilizando los datos de los sensores de la instalación para determinar la fuerza motriz del proceso y conocer el caudal transferido, quedando de la siguiente forma: 𝐿𝑤=𝑞𝑉 𝑓·(𝑃𝐻𝐶−𝑃𝐿𝐶) (5) Además, como ya se dijo anteriormente se supone que el ensuciamiento es prácticamente nulo, f=1. Para calcular el error se usará la siguiente ecuación: ∆𝐿𝑤 𝐿𝑤=∆𝑞𝑉 𝑞𝑉+∆(𝑃𝐻𝐶−𝑃𝐿𝐶) (𝑃𝐻𝐶−𝑃𝐿𝐶) (6) A continuación, en la Tabla 10 se puede ver un resumen de los resultados obtenidos en los diferentes ensayos. 71 ENSAYOS T (ºC) Duración total del ensayo (mints) (𝑃𝐻𝐶 − 𝑃𝐿𝐶)                (bar) 𝑞𝑉    (m3/h) 𝐿𝑊     ± ∆𝐿𝑤 (kg/(h·m2·bar)) Ensayo 1 20 34:30 21,3 0,38 6,0 ± 0,5 Ensayo 2 16,6 24:00 22,1 0,39 6,0 ± 0,3 Ensayo 3 16,3 39:00 22,7 0,38 5,6 ± 0,6 Ensayo 4 20 30:00 21,7 0,38 5,9 ± 0,4 Ensayo 5 21,5 30:00 23,2 0,42 6,1 ± 0,2 Ensayo 6 20,5 28:30 23,1 0,50 7,2 ± 1,3 Ensayo 7 20 34:30 21,3 0,38 6,0 ± 0,5 Ensayo 8 17,2 39:00 22,0 0,43 6,4 ± 0,2 Ensayo 9 17 39:00 22,1 0,43 6,4 ± 0,2 Ensayo 10 17,2 39:00 22,0 0,42 6,4 ± 0,2 Tabla 10. Comparativa de los resultados obtenidos en los ensayos Figura 81.Evolución de la temperatura frente a la permeabilidad en los diferentes ensayos. Por tanto, tras analizar los ensayos se ha hecho una estimación media de todos los valores menos el del ensayo 6 ya que es el que se salía un poco de rango. Se puede decir que el valor propuesto de permeabilidad al agua de la membrana FO4040 es 6,1. Además, se puede observar como la suposición de f=1 es adecuada, ya que a lo largo de los ensayos no se ve afectado el caudal transferido por el ensuciamiento. En cuanto a la temperatura se puede decir que no es un factor para tener en cuenta, ya que no interfiere de forma significativa en los resultados de los ensayos. 72 72 5 CONCLUSIONES N este proyecto, se ha evaluado experimentalmente la membrana FO4040 del fabricante TORAY. Utilizando un banco de ensayos adquirido gracias al proyecto SOLMIDEFF. La relevancia del ensayo radica en permitir, dentro del grupo de investigación del proyecto SOLMIDEFF, avanzar en el diseño preliminar de un sistema de desalación de agua de mar de alta eficiencia gracias a la configuración expuesta en el apartado de configuraciones principales del capítulo 2. Se han realizado 10 ensayos concluyentes para la determinación experimental de la permeabilidad al agua de la citada membrana, resultando un valor de 6,1 y un error de ± 0,4. Cabe destacar que los ensayos con la instalación existente no han presentado ningún problema de operación a lo largo de la campaña experimental realizada, sin embargo, se han identificado potenciales mejoras. En base a la experiencia adquirida con el banco de ensayos existentes, se propone para ensayos futuros con otras membranas las siguientes recomendaciones: Adquirir un trasmisor de caudal para medir la presión de alta a la salida y cambiar los manómetros existentes por unos de mayor precisión. Finalmente, respecto a trabajos futuros, observando los resultados obtenidos se aprecian una serie de limitaciones en el análisis realizado. Para ello se proponen diferentes recomendaciones de estudios futuros. - Ensayos análogos con tiempo de operación superior, para ello sería necesario realizar una inversión en unos tanques de mayores dimensiones, ya que esto permitirá realizar ensayos con una duración superior a los 40 mints. - Ensayos con diferencia de temperatura más extremas, para observar con mayor claridad la influencia de la temperatura. Quizás los meses de Julio (Tmax ) y Enero (Tmin). - Ensayos con diferentes condiciones de operación, para así mejorar la validez de los resultados obtenidos. - Ensayos con diferentes membranas, para determinar cómo afectan al rendimiento general del sistema. Esto puede incluir estudios de comparación de selectividad, permeabilidad, resistencia a la fouling y durabilidad de las membranas. E 73 6 ANEXO Este anexo está formado por un pequeño manual del correcto uso de la instalación que se ha utilizado para el desarrollo de este proyecto. Por tanto, a la hora de poner en marcha la instalación hay que seguir los siguientes pasos: 1. Comprobar que todas las válvulas de la instalación están abiertas (BR-RO-01, BR-RO-02, BR-RO-03 y BRRO-04). 2. Verificar que las válvulas reguladoras de presión (válvulas de aguja NE-RO-01 y NE-RO-02) están completamente abiertas. 3. Asegurarse de que las válvulas de descarga de los depósitos de alimentación (TA-RO-01 y TA-RO-02) están abiertas y que las válvulas de descarga de los depósitos de retorno están cerradas (TA-RO-03 y TA-RO-04). 4. Si Comprobar que la dirección de las válvulas de 3 vías es la deseada. Por defecto, se debe realizar un lavado del prototipo en cada arranque, por lo que las válvulas de 3 vías deben estar dirigidas al circuito de lavado. Una vez realizado el lavado, la alimentación debe de realizarse desde los depósitos de alimentación (TA-RO-01 y TA-RO-02) y el retorno debe llevarse a los depósitos de retorno (TA-RO-03 y TA-RO-04). 5. Revisar el nivel de agua de los depósitos (TA-RO-01 y TA-RO-02). 6. Comprobar, en la medida de lo posible, que el circuito está purgado. La instalación incorpora dos tubos transparentes, donde se puede observar si hay burbujas de aire o no en el circuito. 7. Girar el interruptor principal en el panel de control de la instalación. El indicador de tensión se iluminará (blanco). 8. Pulsar el botón Reset para restablecer las alarmas. Las alarmas por alta presión deben desaparecer, mientras que las alarmas por baja presión deben persistir (rojo). 9. Presionar los interruptores de encendido de las bombas de circulación (PC-RO-01 y PC-RO-02). 10. Volver a presionar el botón Reset. Esta vez, deben desaparecer todas las alarmas. 11. Observar los tubos transparentes de alimentación de las bombas de alta presión (PP-RO-01 y PP-RO-02) para verificar que no hay burbujas de aire en el circuito. 12. Comprobar que el caudal de circulación en ambos lados es, al menos, 0.8m3/h (Fijarse FT-RO-01, FT-RO- 02 y FT-RO-03). De no ser así, puede ocurrir que los filtros de discos estén obstruidos (FZ-RO-01y FZ-RO-02) o que haya aire en el circuito. 13. Antes de arrancar las bombas de alta presión, revisar el nivel de aceite de estas. 14. Una vez se haya realizado (si procede) el lavado del prototipo, presionar los interruptores de encendido de las bombas de alta presión (PP-RO-01 y PP-RO-02). Ambos displays de las botoneras de los variadores de frecuencia deben encenderse. 15. Las bombas de alta presión se arrancar a través de los variadores de frecuencia. Primero se debe pulsar el botón ESC en cada una de las botoneras, apareciendo así la información general de los variadores de frecuencia. Para arrancar las bombas, pulsar el botón verde de la botonera, la frecuencia se irá subiendo poco a poco hasta estabilizarse en 30 Hz. 16. Aumentar poco a poco la frecuencia hasta alcanzar el valor deseado de caudal. No debe superarse los 40 Hz. 17. Cerrar gradualmente las válvulas reguladoras de presión simultáneamente (válvulas de aguja NE-RO-01 y NE-RO-02) para aumentar la presión del sistema hasta alcanzar el valor deseado. En ningún caso se superarán los 25 bar en el lado de alta presión o los 2.5 bar en el lado de baja presión (observar PG-RO-02 y PG-RO-05). 18. Una vez se haya procedido al arranque de la planta y las condiciones de trabajo sean estables, observar el funcionamiento de la instalación a través del sistema de adquisición de datos y prestar atención al nivel de agua de los depósitos.