Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Sistemas de Energía Térmica Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Autor: Álvaro Silván Zafra Tutora: Dra. Lourdes García Rodríguez Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iii Trabajo Fin de Máster Máster en Sistemas de Energía Térmica Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Autor: Álvaro Silván Zafra Tutora: Dra. Lourdes García Rodríguez Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 v Trabajo Fin de Máster: Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Autor: Álvaro Silván Zafra Tutora: Dra. 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: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal vii A mi madre y mi hermana A mis amigos A Eva ix Agradecimientos Quiero agradecer este trabajo, en primer lugar, a las dos personas más importantes en mi vida: mi madre y mi hermana. Por su apoyo incondicional cada día en todo aquello que considero importante para mí. También a mi abuela, Mari, que ha podido ver el final de esta aventura académica. A mis amigos, por sus ganas de que cumpla todos mis objetivos y celebrar cada uno de mis éxitos conmigo. A mi tutora, Lourdes, por tener siempre un hueco sea cuando sea para dedicarme tiempo. Y, por último, y no menos importante, a Eva, por ser ella sin más. Álvaro Silván Zafra Sevilla, 2018 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Características membrana SW30XHR440-i [3]. 12 Tabla 2. Características membranas SW30HRLE440-i [3]. 12 Tabla 3. Características membranas SW30XLE440-i [3]. 13 Tabla 4. Características membranas SW30ULE440-i [3]. 14 Tabla 5. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (50 bar). 22 Tabla 6. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (55 bar). 23 Tabla 7. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (60 bar). 23 Tabla 8. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (65 bar). 23 Tabla 9. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (50 bar). 24 Tabla 10. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (55 bar). 24 Tabla 11. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (60 bar). 24 Tabla 12. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (65 bar). 25 Tabla 13. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (50 bar). 25 Tabla 14. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (55 bar). 26 Tabla 15. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (60 bar). 26 Tabla 16. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (65 bar). 26 Tabla 17. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30ULE440-i (50 bar). 27 Tabla 18. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (55 bar). 27 Tabla 19. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (60 bar). 27 Tabla 20. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (65 bar). 27 Tabla 21. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (50 bar). 28 Tabla 22. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (55 bar). 29 Tabla 23. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (60 bar). 29 Tabla 24. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (65 bar). 29 Tabla 25. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30HRLE440-i (50 bar). 30 Tabla 26. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30HRLE440-i (55 bar). 30 Tabla 27. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30HRLE440-i (60 bar). 31 Tabla 28. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30HRLE440-i (65 bar). 31 Tabla 29. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XLE440-i (50 bar). 31 Tabla 30. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XLE440-i (55 bar). 32 Tabla 31. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XLE440-i (60 bar). 32 xvii Tabla 32. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XLE440-i (65 bar). 32 Tabla 33. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30ULE440-i (50 bar). 33 Tabla 34. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30ULE440-i (55 bar). 33 Tabla 35. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30ULE440-i (60 bar). 33 Tabla 36. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30ULE440-i (65 bar). 33 Tabla 37. Ecuaciones empleadas en el software. 41 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 50 bar) 52 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 55 bar) 52 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 60 bar) 52 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 65 bar) 52 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 50 bar) 53 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 55 bar) 53 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 60 bar) 53 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 65 bar) 53 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 50 bar) 54 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 55 bar) 54 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 60 bar) 54 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 65 bar) 54 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 50 bar) 55 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 55 bar) 55 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 60 bar) 55 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 65 bar) 55 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Esquema de balance de materia [1]. 4 Figura 2. Imagen de ROSA software (I). 11 Figura 3. Imagen de ROSA software (II). 12 Figura 4. Caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30XHR440- i). 13 Figura 5. Caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30HRLE440-i). 13 Figura 6. Caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición el agua (SW30XLE440- i). 14 Figura 7. Caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30ULE440- i). 14 Figura 8. Concentración de boro en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30XHR440-i). 15 Figura 9. Concentración de boro en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30HRLE440-i). 16 Figura 10. Concentración de boro en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30XLE440-i). 16 Figura 11. Concentración de boro en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30ULE440-i). 17 Figura 12. TDS en el caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30XHR440-i), 17 Figura 13. TDS en el caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30HRLE440-i). 18 Figura 14. TDS en el caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30XLE440-i). 18 Figura 15. TDS en el caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30ULE440-i). 19 Figura 16. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30XHR440-i). 24 Figura 17. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30HRLE440-i). 25 Figura 18. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30XLE440-i). 26 Figura 19. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30ULE440-i). 28 Figura 20. Resultados en función de la temperatura y la presión de alimentación (SW30XHR440-i). 30 Figura 21. Resultados en función de la temperatura y la presión de alimentación (SW30HRLE440-i). 31 Figura 22. Resultados en función de la temperatura y la presión de alimentación (SW30XLE440-i). 32 Figura 23. Resultados en función de la temperatura y la presión de alimentación (SW30ULE440-i). 34 Figura 24. Diagrama de flujo de software. 35 Figura 25. Algoritmo de obtención de parámetros de salida. 36 Figura 26. Interacción entre módulos de cálculos de procesado de la información. 37 Figura 27. Módulo Data_List. 38 Figura 28. Lista desplegable para selección de región. 39 Figura 29. Lista desplegable para selección de tipo de membrana. 39 Figura 30. Descripción módulo Data_List. 40 Figura 31. Descripción de Detailed_View_Equation 40 Figura 32. Descripción de Processing_Information. 43 Figura 33. Asociación caudal nominal y tpo de membrana. 43 Figura 34. Cálculos de TDS para Islas Canarias. 44 Figura 35. Cálculos de TDS para Océano Atlántico. 44 Figura 36. Cálculos de TDS para Mar del Caribe. 45 Figura 37. Cálculos de TDS para Mar Mediterráneo. 45 Figura 38. Cálculos de TDS para Océano Pacífico. 46 Figura 39. Cálculos de TDS para Golfo Pérsico. 46 Figura 40. Cálculos de TDS para Mar Rojo. 47 Figura 41. Descripción de Calc_Window. 47 Figura 42. Resumen de cálculos de Processing_Information por región. 48 Figura 43. Resumen de cálculos por tipo de membrana y posición de acceso por el software. 48 Figura 44. Descripción de Software. 49 Figura 45. Leyenda de datos. 49 Figura 46. Parámetros de entrada. 50 Figura 47. Parámetros de salida. 50 xxi Figura 48. Previsualización de pestaña de "Results". 51 Figura 49. Comparativa para membrana SWXHR440-i. 56 Figura 49. Comparativa para membrana SWHRLE440-i. 57 Figura 49. Comparativa para membrana SWXLE440-i. 57 Figura 49. Comparativa para membrana SWULE440-i. 58 Notación ROSA Reverse Osmosis System Analisys Q_Alimentacion Caudal de entrada al proceso de desalación Q_Permeado Caudal de agua tratada Q_Concentrado Caudal rechazado tras la aplicación del proceso de desalación C_Alimentacion Concentración de sales en el caudal de alimentación xxiii C_Permeado Concentración de sales en el caudal de agua tratada C_Concentrado Concentración de sales en el caudal de agua rechazada R Recovery o factor de conversión AFS Average Feed Salinity o porcentaje de salinidad promedio en el caudal de alimentación NDP Net Driving Pressure o Presión efectiva de operación P_alimentacion Presión en el caudal de alimentación P_os_alim Presión osmótica en el caudal de alimentación P_os_perm Presión osmótica en el caudal de agua tratada P_perm Presión en el caudal de agua tratada P_d Pérdida de presión a través de los elementos Q_p Caudal de agua en el producto (agua tratada) L_p Permeabilidad hidráulica al agua de la membrana A Área de la membrana ΔP Incremento de presión hidrostática en la membrana ΔΠ Incremento de presión osmótica en la membrana f_p Factor corrector asociado a la presión f_T Factor corrector asociado a la temperatura. f_t Factor corrector asociado al deterioro de las membranas Q_p0 Caudal de agua de producto en condiciones normalizadas Q_s Caudal de sales que circula a través de la membrana ΔC Incremento de concentraciones a lo largo de la membrana K_s Permeabilidad de la membrana a las sales 1 1 INTRODUCCIÓN n la actualidad, uno de los aspectos más importantes a abordar por el sector del tratamiento de aguas, especialmente la desalación, es proporcionar cobertura a la demanda de agua en lugares donde la escasez de recurso es notable. Para ello, dichos procesos proporcionan una fuente adicional que mejora la calidad en determinadas localizaciones. No obstante, dichas ubicaciones presentan unas características, en la mayoría de los casos, respecto a la composición del agua, bastante castigadas a la hora de aplicar dichos procedimientos. Esto se debe, principalmente, al alto consumo específico asociado a los procesos. Es por ello que disponer de una herramienta que permita de forma preliminar evaluar el impacto termodinámico de los proyectos asociados a las instalaciones de desalación de agua supone un valor añadido para aquellas empresas focalizadas en el diseño de dichas plantas de procesamiento. De forma adicional, a nivel académico, disponer de un simulador que permita modificar los parámetros principales que definen el proceso proporciona un mayor conocimiento sobre la interacción de cada una de las variables así como del efecto originado. De esta forma surge el presente proyecto, cuyo cometido es establecer un punto inicial para el desarrollo de un software que permite realizar un análisis previo de una planta de desalación a través de los parámetros globales de diseño. Se tomará como referencia para comparar los resultados obtenidos el software ROSA (Reverse Osmosis System Analisys), propiedad intelectual de la empresa DOW Water and Process solutions. Por tanto, en el presente proyecto, se llevarán a cabo las siguientes tareas:  Definición del objetivo y el alcance del proyecto.  Análisis y descripción de los conceptos básicos referentes al proceso de desalación por ósmosis inversa.  Estudio comparativo de las principales membranas existentes en la actualidad a nivel comercial, así como una descripción de las especificaciones técnicas de cada una de ellas.  Definición del cálculo de la permeabilidad al agua de las distintas membranas como parámetro comparativo.  Descripción del software desarrollado y evaluación de resultados (desde un punto de vista termodinámico considerando la potencia de la bomba de alta presión como elemento comparativo). Se considerará un umbral aceptable siempre y cuando la diferencia sea igual o inferior al 10%.  Descripción de futuros pasos a realizar, así como posibles evolutivos en el desarrollo del software. 1.1. Objetivo del proyecto y alcance. El objetivo del proyecto se centra en el desarrollo de un software que permita la simulación de diferentes E Conceptos Básicos 8 Ecuación 13. Paso de sales. Se trata de un parámetro proporcionado por el fabricante de membranas que depende, principalmente, de los siguientes factores:  Tipo y concentración de constituyentes iónicos en la alimentación.  Presión de operación.  Factor de conversión. Al igual que en el caudal de agua producto, en una planta desaladora, se obtiene el paso de sales corrigiendo el paso de sales en condiciones normalizadas, siendo la expresión: Ecuación 14. Paso de sales corregido. Donde:  f_c: factor corrector asociado a la variación en las concentraciones en las que opera la planta. Rechazo de sales (SR) El rechazo de sales viene definido como el opuesto al paso de sales: Ecuación 15. Rechazo de sales. El rechazo de sales en un importante parámetro en la actuación de las membranas de desalación por ósmosis inversa, determinando la idoneidad de las mismas en función de sus aplicaciones. Efecto de la temperatura (TFC) La influencia de la temperatura es notoria en la definición del caudal de agua a través de la membrana. Para los cálculos en el proceso de ósmosis inversa, si aplicamos la siguiente ecuación obtenemos el factor corrector debido a la temperatura en la permeabilidad de la membrana: Ecuación 16. Cálculo del efecto de la temperatura. Siendo:  C: constante proporcionada por el fabricante que mide la resistencia al paso del agua, oscilando entre 2500 y 3000. 9 9 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación  t: temperatura en °C. Flujo permeado medio (APF) Es un parámetro fundamental del proceso de ósmosis inverso. Combina el caudal permeado por el número total de unidades instaladas en la planta, midiéndose en l/m²/h. Se obtiene a partir de la siguiente ecuación: Ecuación 17. Flujo permeado medio. Siendo  EN: número de elementos en el sistema.  MA: área de la membrana por elemento. Permeabilidad específica de la membrana (SF) La permeabilidad específica, o flujo específico, caracteriza el material de la membrana en términos del flujo de agua, dependiendo del gradiente de presión efectiva de operación aplicado: Ecuación 18. Permeabilidad específica de la membrana. La permeabilidad específica depende de la resistencia de la membrana al paso del agua. Factor de polarización de concentración (CPF) Cuando el caudal de agua fluye a través de la membrana, debido al rechazo de sales, se produce una capa en la superficie de la misma, donde la concentración de sales es mayor. El fenómeno descrito se conoce como concentración de polarización. El principal efecto de este fenómeno es la reducción del caudal de agua producto real y un aumento del rechazo de sales, no obstante, tiene más efectos asociados, que definimos a continuación:  Aumento de la presión osmótica en la superficie de la membrana y reducción de la presión efectiva de operación.  Reducción del flujo de agua a través de la membrana (Q_p).  Incremento del caudal de sales a través de la membrana (Q_s).  Incremento de la probabilidad que se sature la membrana, por lo que empequeñece el umbral en el que se origina el fenómeno scaling. Se define matemáticamente mediante la siguiente expresión: Conceptos Básicos 10 Ecuación 19. Factor de polarización de concentración. Donde:  C_s: concentración de sales en la superficie.  C_b: concentración en el extremo de la capa formada. Si incrementamos el caudal de alimentación, la turbulencia de la membrana incrementa, por lo que la concentración de polarización disminuirá, reduciendo su espesor. Esto nos permite expresar la CPF en función del caudal de alimentación y del caudal permeado, que a su vez, aumentará, dependiendo linealmente del caudal de alimentación: Ecuación 20. Factor de polarización de la concentración en función de los caudales. Donde:  K_p: es una constante que depende de la geometría de la membrana fundamentalmente. Dicha ecuación, puede ser expresada también en función del factor de conversión, sustituyendo en la ecuación anterior: Ecuación 21. Factor de polarización de concentración en función del factor de conversión. El valor recomendado de los fabricantes para la concentración de polarización se corresponde con el 18%, como podemos ver en la siguiente gráfica: Ecuación 22. Efecto de polarización de concentración [2]. 11 11 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación 3 TIPOS DE MEMBRANAS asándonos en el programa de simulación ROSA, hemos seleccionado los cuatro principales tipos de membranas que podemos encontrar en el mercado del fabricante “Dow”. A continuación se describirá en profundidad sus características, ventajas e inconvenientes, aunque están sujetos al área donde se analice la instalación de la planta desaladora. Estos tipos de membranas (y sus modelos) son:  Extra High Reaction: modelo SW30XHR440-i.  High Reaction Low Energy: modelo SW30HRLE440-i.  Extra Low Energy: modelo SW30XLE440-i.  Ultra Low Energy: modelo SW30ULE440-i. A continuación, profundizaremos en cada una de ellas de forma detallada. 3.1 Extra High Rejection El modelo empleado en este tipo de membranas es SWXHR440-i, que presenta un espaciador de 28 mm y un área de membrana de 440 m² para maximizar la productividad de su sistema a baja presión diferencial sin necesidad de paralización del proceso para limpieza asiduamente. Minimiza el consumo energético en la operación. Sus principales ventajas son:  Alta permeabilidad y alta productividad.  Bajo consumo energético. Se pueden emplear en:  Asia.  América.  Europa. En la siguiente tabla, podemos contemplar sus condiciones de operación: B Tipos de membranas 12 Tabla 1. Características membrana SW30XHR440-i [3]. High Rejection Low Energy El modelo empleado en este tipo de membranas es SWHRLE440-i que, al igual que el caso anterior, presenta un espaciador de 28 mm y un área total de membrana de 440 m². Conlleva un coste inferior a lo largo de su vida útil si opera a media y alta salinidad. Además, permite un sistema de desarrollo más preciso y predecible, lo que nos permite evaluar su comportamiento mediante simulación, acercándonos a la realidad dentro de los márgenes aceptados. Sus principales ventajas son:  Alto flujo, que reduce presión y consumo energético.  Alto rechazo de sales.  Alto rechazo de Boro, perjudicial para la salud. Se emplea principalmente en:  Asia  Europa  América A continuación, mostramos las condiciones de operación a través de la siguiente tabla: Tabla 2. Características membranas SW30HRLE440-i [3]. 13 13 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Extra Low Energy El modelo empleado en este tipo de membranas es SWXLE440-i. Que ofrece un consumo mínimo de energía operando en condiciones de temperatura y salinidad media. Es una opción ideal en aguas salobres de alta salinidad y permite reducir la frecuencia de limpieza en las membranas. Reduce costes y posibles fugas que puedan empobrecer la calidad del agua. Entre sus principales ventajas podemos encontrar:  Alto flujo, que reduce presión y consumo energético.  Alto rechazo de sales en aguas de baja salinidad.  Alto rechazo de Boro, perjudicial para la salud. Se emplea principalmente en:  Asia.  Europa.  América. La siguiente tabla nos muestra los rangos de las condiciones de operación: Tabla 3. Características membranas SW30XLE440-i [3]. Ultra Low Energy El modelo empleado en este tipo de membranas es SWULE440-i, idóneas para aguas cuya salinidad y cuya temperatura de alimentación es media, dando una avanzada combinación de alta productividad y alto rechazo con un bajo consumo. Impide fugas que puedan perjudicar a la calidad del agua. Sus principales ventajas son:  Alto flujo, que reduce presión y consumo energético.  Alto rechazo de sales en aguas de baja salinidad.  Alto rechazo de Boro, perjudicial para la salud. Se emplea principalmente en: Tipos de membranas 14  Asia.  Europa.  América. A continuación, podemos observar sus especificaciones técnicas: Tabla 4. Características membranas SW30ULE440-i [3]. 11 4 ANÁLISIS COMPARATIVO DE MEMBRANAS COMERCIALES na vez obtenida una visión general sobre cada membrana, vamos a proceder al análisis de distintos parámetros a distintas presiones en las distintas regiones, tomando fijo el caudal de alimentación de agua de mar en 8.11 m³/h, ya que se considera el caudal óptimo para una membrana situada en las Islas Canarias, lugar que también será tomado como referencia. Software ROSA El software de diseño de instalaciones de desalación “ROSA” (Reverse Osmosis System Analysis) es un programa de libre uso que emplea elementos DOW FILMTEC ™, considerados un referente a nivel internacional, con el fin de simular procesos de desalación de ósmosis inversa para distintas configuraciones y ofrecer una versión preliminar de los diseños de las plantas. Dicho software será el empleado para llevar a cabo el análisis comparativo que se describe en la presente sección, detallado a continuación: Figura 2. Imagen de ROSA software (I). U Análisis Comparativo de Membranas Comerciales 12 12 Figura 3. Imagen de ROSA software (II). Caudal permeado En las siguientes gráficas, podemos observar cómo evoluciona el caudal de permeado (m³/h) al aumentar la presión en función del tipo de membrana.  Extra High Reaction 13 13 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Figura 4. Caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30XHR440-i).  High Reaction Low Energy Figura 5. Caudal permeado en función de la presión de alimentación y la composición del agua (SW30HRLE440-i). En dicha gráfica, tal y como se ha comentado anteriormente a partir de sus características, se percibe la ausencia del punto de funcionamiento asociado al caudal permeado para la composición del Mar Caribe para la máxima presión (65 bar). Esto es originado a que a la hora de simularlo con el software ROSA, se produce un “warning” por exceder el flujo máximo, equivalente al caudal volumétrico permeado por unidad de área, permitido por el fabricante. Esto deriva en un riesgo considerable de ensuciamiento.  Extra Low Energy Cálculo de permeabilidad al agua e incremento de presión osmótica en la membrana 20 20 5 CÁLCULO DE PERMEABILIDAD AL AGUA E INCREMENTO DE PRESIÓN OSMÓTICA EN LA MEMBRANA n el presente capítulo se analizará uno de los parámetros fundamentales en la operación y mantenimiento de las plantas desaladoras, la permeabilidad al agua, definido con anterioridad como L_p. Su relevancia está vinculada al caudal de alimentación y al efecto fouling, que implica la obstrucción de la superficie de la membrana por la acumulación de iones en la misma, dando lugar a la concentración de polarización. Por lo que analizaremos la permeabilidad para los distintos tipos de membranas señalados con anterioridad a distintas presiones:  50 bar.  55 bar.  60 bar.  65 bar. Además, compararemos dichos valores a distintas temperaturas, tomando diferentes composiciones de agua salada en función de la región:  Golfo pérsico.  Caribe.  Islas Canarias Dichos valores nos proporcionarán un valor medio de la permeabilidad al agua para cada membrana, que nos permitirán conocer el incremento de presión osmótica en la misma al aplicar un caudal de agua salada. Ecuaciones Para poder realizar dichos cálculos, emplearemos, fundamentalmente, la ecuación del caudal de agua producto, sin tener en cuenta las variaciones originadas debido a la modificación de las condiciones nominales de operación: Ecuación 23. Caudal permeado en función de la permeabilidad. El incremento de presión en la membrana, ΔP, queda definido mediante: E 21 21 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Ecuación 24. Incremento de presión a través de la membrana. Donde:  P_F-BD: es la presión promedio entre la de entrada de la alimentación y la salida al pasar el caudal de agua salada por los módulos de membrana.  ΔP_lost: es la pérdida de presión que se produce en los espacios existentes entre las láminas de membranas por la circulación de la alimentación. En el caso que nos concierne, a la salida de la membrana, consideraremos el ambiente y puesto que, empleamos presiones manométricas, el valor de P_perm será cero. No obstante, en una planta real, podemos encontrar válvulas que actúen aplicando presión a la salida para satisfacer la demanda necesaria, tanto en caudal como en condiciones termodinámicas. Dicha presión es conocida como “back pressure”. A su vez, el diferencial de presión osmótica se representa mediante la siguiente ecuación: Ecuación 25. Incremento de presión osmótica a través de la membrana. Donde:  Π_F-BD: es el promedio de la presión osmótica entre la entrada y la salida de la membrana.  Π_perm: es la presión osmótica del caudal permeado, que se puede considerar nula para membranas convencionales. A partir de ROSA, considerando un factor de fouling (flow factor) constante de 0.85, y aplicando la simplificación de las siguientes ecuaciones: Ecuación 26. Cálculo de la permeabilidad. Donde:  Qp es el caudal de producto resultante tras el plazo del flujo por las membranas  Qperm es el caudal de agua tratada.  A es el área de la membrana.  NDP es la fuerza motriz del proceso  ρ_perm: se obtiene a partir de la concentración de sales del permeado: Cálculo de permeabilidad al agua e incremento de presión osmótica en la membrana 22 22 Ecuación 27. Cálculo de la densidad del permeado. Donde:  a_1 = 9.999*10^2  a_2 = 2.034*10^-2  a_3 = -6.162*10^-3  a_4 = 2.261*10^-5  a_5 = -4.657*10^-8  b_1 = 8.020*10^2  b_2 = -2.001  b_3 = 1.677*10^-2  b_4 = -3.060*10^-3  b_5 = -1.613*10^-5 Obtendremos un valor promedio para la permeabilidad en cada membrana. Resultados A continuación se muestran los resultados, numéricos y gráficos, obtenidos, teniendo en cuenta que hemos tomado fijos:  Factor de Fouling = 0.85.  Q_alim = 8 m³/h.  ρ_perm = 1027 kg/m³ (Se considera constante la densidad Se obtiene por tanto:  Para la membrana SW30XHR440-i: Tabla 5. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (50 bar). SWXHR440-i (50 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.39 16.00 40.90 17.16 107.42 0.55 Canary Island 0.6 20.00 40.90 22.68 73.65 0.65 Caribbean 0.71 26.00 40.90 22.44 87.59 0.77 23 23 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Tabla 6. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (55 bar). SWXHR440-i (55 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.49 16.0 40.9 21.92 88.07 0.55 Canary Island 0.71 20.0 40.9 27.46 64.04 0.63 Caribbean 0.84 26.0 40.9 27.17 76.67 0.75 Tabla 7. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (60 bar). SWXHR440-i (60 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.58 16.0 40.9 26.69 75.71 0.53 Canary Island 0.82 20.0 40.9 32.24 57.35 0.62 Caribbean 0.96 26.0 40.9 31.91 69.10 0.73 Tabla 8. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XHR440-i (65 bar). SWXHR440-i (65 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.67 16.0 40.9 31.47 67.16 0.54 Canary Island 0.92 20.0 40.9 37.03 52.46 0.63 Caribbean 1.07 26.0 40.9 36.66 63.60 0.73 Se obtiene una permeabilidad al agua media de 0.65. Cálculo de permeabilidad al agua e incremento de presión osmótica en la membrana 24 24 Figura 16. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30XHR440-i).  Para la membrana SW30HRLE440-i: Tabla 9. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (50 bar). SWXHR440-i (50 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.47 16.0 40.9 16.97 122.46 0.70 Canary Island 0.74 20.0 40.9 22.43 85.40 0.83 Caribbean 0.85 26.0 40.9 22.16 103.18 0.96 Tabla 10. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (55 bar). SWXHR440-i (55 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.59 16.0 40.9 21.68 101.49 0.68 Canary Island 0.87 20.0 40.9 27.16 74.99 0.80 Caribbean 1.00 26.0 40.9 26.83 91.28 0.94 Tabla 11. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (60 bar). SWXHR440-i (60 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.7 16.0 40.9 26.4 87.99 0.67 Canary Island 0.99 20.0 40.9 31.89 67.78 0.78 Caribbean 1.14 26.0 40.9 31.52 83.10 0.91 25 25 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Tabla 12. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30HRLE440-i (65 bar). SWXHR440-i (65 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0.81 16.0 40.9 31.13 78.70 0.65 Canary Island 1.1 20.0 40.9 36.63 62.54 0.75 Caribbean 1.27 26.0 40.9 36.22 77.21 0.88 Obteniéndose una permeabilidad media de 0.77. Figura 17. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30HRLE440-i).  Para la membrana SW30XLE440-i: Tabla 13. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (50 bar). SWXHR440-i (50 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0,56 16.0 40.9 16,78 125,92 0,84 Canary Island 0,86 20.0 40.9 22,17 88,91 0,97 Caribbean 0,99 26.0 40.9 21,87 108,80 1,14 Cálculo de permeabilidad al agua e incremento de presión osmótica en la membrana 26 26 Tabla 14. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (55 bar). SWXHR440-i (55 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0,69 16.0 40.9 21,43 104,97 0,81 Canary Island 1,01 20.0 40.9 26,84 78,70 0,95 Caribbean 1,16 26.0 40.9 26,49 97,12 1,10 Tabla 15. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (60 bar). SWXHR440-i (60 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0,82 16.0 40.9 26,1 91,66 0,79 Canary Island 1,15 20.0 40.9 31,53 71,69 0,92 Caribbean 1,31 26.0 40.9 31,12 89,14 1,06 Tabla 16. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (65 bar). SWXHR440-i (65 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0,94 16.0 40.9 30,78 82,54 0,77 Canary Island 1,28 20.0 40.9 36,22 66,64 0,89 Caribbean 1,45 26.0 40.9 35,77 83,44 1,02 Obteniendo una permeabilidad media de 0.94. Figura 18. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30XLE440-i). 27 27 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación  Para la membrana SW30ULE440-i: Tabla 17. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30ULE440-i (50 bar). SWXHR440-i (50 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0,66 16.0 40.9 16,6 198,66 1,00 Canary Island 1,01 20.0 40.9 21,91 141,15 1,16 Caribbean 1,14 26.0 40.9 21,59 175,35 1,33 Tabla 18. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (55 bar). SWXHR440-i (55 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0,81 16.0 40.9 21,19 165,67 0,96 Canary Island 1,18 20.0 40.9 26,51 126,08 1,12 Caribbean 1,33 26.0 40.9 26,13 157,97 1,28 Tabla 19. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (60 bar). SWXHR440-i (60 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 0,96 16.0 40.9 25,79 145,71 0,94 Canary Island 1,34 20.0 40.9 31,13 115,82 1,08 Caribbean 1,5 26.0 40.9 30,70 146,18 1,23 Tabla 20. Cálculo de permeabilidad para la membrana SW30XLE440-i (65 bar). SWXHR440-i (65 bar) Point q_permeate (m³/h) Temperature (˚C) Surface (m²) NDP (bar) TDS (mg/l) L (m/h·bar) Persian Gulf 1,09 16.0 40.9 30,41 132,14 0,90 Canary Island 1,48 20.0 40.9 35,76 108,46 1,04 Caribbean 1,66 26.0 40.9 35,38 137,89 1,18 Obteniendo una permeabilidad media de 1.10. Cálculo de permeabilidad al agua e incremento de presión osmótica en la membrana 28 28 Figura 19. Permeabilidad en función de la temperatura (SW30ULE440-i). La influencia de la composición del agua y de la presión de alimentación modifica la permeabilidad al paso del agua a lo largo de la membrana de forma notable, reduciéndose cuanto mayor sea la presión y sin mantener una clara relación entre la TDS y el valor de la misma, ya que se ve influenciada, además por la temperatura, que determinar en un porcentaje considerable el valor de la misma, aumentando cuanto mayor sea la temperatura del agua de alimentación. Cálculo de Δπ A partir de los datos anteriores, calculamos el incremento de presión osmótica, obteniendo los siguientes resultados para cada membrana y manteniendo las mismas variables constantes que en el apartado anterior.  Para la membrana SW30XHR440-i: Tabla 21. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (50 bar). SWXHR440-i (50 bar) Point q_permeate (m³/h) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) ΔP (bar) L ∆Π (bar) Persian Gulf 0,39 50,00 0,61 49,70 0,57 49,68 Canary Island 0,6 50,00 0,58 49,71 0,66 49,69 Caribbean 0,71 50,00 0,56 49,72 0,80 49,70 29 29 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Tabla 22. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (55 bar). SWXHR440-i (55 bar) Point q_permeate (m³/h) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) ΔP (bar) L ∆Π (bar) Persian Gulf 0,49 55,00 0,60 54,70 0,56 54,68 Canary Island 0,71 55,00 0,58 54,71 0,65 54,68 Caribbean 0,84 55,00 0,56 54,72 0,78 54,69 Tabla 23. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (60 bar). SWXHR440-i (60 bar) Point q_permeate (m³/h) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) ΔP (bar) L ∆Π (bar) Persian Gulf 0,58 60,00 0,60 59,70 0,55 59,67 Canary Island 0,82 60,00 0,58 59,71 0,64 59,68 Caribbean 0,96 60,00 0,56 59,72 0,76 59,69 Tabla 24. Cálculo de incremento de presión osmótica en la membrana SW30XHR440-i (65 bar). SWXHR440-i (65 bar) Point q_permeate (m³/h) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) ΔP (bar) L ∆Π (bar) Persian Gulf 0,67 65,00 0,60 64,70 0,54 64,67 Canary Island 0,92 65,00 0,58 64,71 0,62 64,67 Caribbean 1,07 65,00 0,56 64,72 0,73 64,68 Descripción del Software 36 36 La siguiente figura muestra el algoritmo implementado, atendiendo a los módulos desarrollados, que serán descritos con posterioridad: Figura 25. Algoritmo de obtención de parámetros de salida. En el algoritmo adjuntado en Figura 25, se muestra la relación existente y vinculante ente los parámetros de entrada, modificables por el usuario y los resultados obtenidos, desde el punto de vista del proceso de desalación. No obstante, parte de esos parámetros de salida, son calculados mediante procesos previos y paralelos, ya que se ven condicionados por las características de las membranas y de la composición del agua, y han sido calculados de forma fija en función de la presión. La siguiente figura muestra la interacción entre los módulos de cálculo previo y el propio software, así como el análisis posterior, objetivo del presente proyecto para tratar en detalle el análisis termoeconómico de las aplicaciones biotecnológicas en el proceso de desalación como método de tratamiento de agua. 37 37 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Figura 26. Interacción entre módulos de cálculos de procesado de la información. Módulos del software A continuación, serán detallados cada uno de los módulos existentes. Data_List Data_List incluye el listado con las posibilidades de selección que el usuario es capaz de elegir como punto de partida atendiendo a dos parámetros principales:  Región, que define la composición del agua integrada en cada una de las zonas marítimas y oceánicas más relevantes en el mundo con una considerable actividad en el sector, como son: o Océano Atlántico. o Islas Canarias. o Mar del Caribe. o Mar Mediterráneo. o Océano Pacífico. o Golfo Pérsico. o Mar Rojo.  Tipo de membrana, atendiendo a la capacidad de filtración de la misma y su porosidad, como ya ha sido Descripción del Software 38 38 descrita en apartados anteriores, que modifica las características del flujo rechazado, concentrado y permeado, estando disponible en la versión preliminar del software: o SW30XHR440-i. o SW30HRLE440-i. o SW30XLE440-i. o SW30ULE440-i. Dicho módulo es de origen auxiliar, únicamente proporcionará el formato correspondiente a la lista desplegable de la ventana principal del software, y no debe ser modificado por el usuario, a excepción de que se incluyen opciones adicionales, ya sean membranas de mejor tecnología y/o otras regiones con diferente composición de agua. Las siguientes imágenes muestran la configuración del propio módulo y su repercusión en el software: Figura 27. Módulo Data_List. 39 39 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Figura 28. Lista desplegable para selección de región. Figura 29. Lista desplegable para selección de tipo de membrana. Cabe destacar que en la esquina superior izquierda de cada una de las hojas del Excel que forman el software, el usuario contará con un comentario que incluye una breve descripción del módulo en el que se sitúe. Descripción del Software 40 40 Figura 30. Descripción módulo Data_List. Detailed_View_Equations En este módulo, se esclarecen las ecuaciones empleadas con posterioridad con el fin de similar el proceso de desalación en función de la temperatura, la presión de alimentación y la composición del agua desde el punto de vista termodinámico, para resolver el balance másico y de concentraciones en el interior de la membrana. Figura 31. Descripción de Detailed_View_Equation La siguiente tabla muestra las ecuaciones establecidas en dicho módulo: 41 41 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Tabla 37. Ecuaciones empleadas en el software. Parámetro Ecuación Unidad Balance de masa - Balance de concentraciones - Concentración de Rechazo (Cr) mg/l Recovery (R) - Presión Osmótica bar Incremento de Presión (ΔP) bar Molalidad mol/kg Coeficiente Osmótico del disolvente - Fuerza Iónica - Molalidad correspondiente a electrolito1-1 - Coeficiente Empírico (S) - Descripción del Software 42 42 Densidad (ρ) kg/m³ Coeficiente Empírico (A) - Coeficiente Empírico (B) - Coeficiente Empírico (C) - Número de membranas (N) - Flujo Específico (J) m³/(m²*día) Factor Corrector Temp (fT) - Factor Corrector Presión (fp) - Presión media bar Caudal nominal corregido (Qd) m³/s Processing_Information En el presente modulo, se calculan las concentraciones totale disueltas para cada composición del agua en función de la temperatura y de la presión de alimentación, lo que supondrá una variación fundamental en los resultados finales obtenidos. 43 43 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Figura 32. Descripción de Processing_Information. Para ello, partiendo de la molalidad de cada uno de los elementos calculada a partir de la masa molar y la valencia de cada uno de los elementos disueltos en el agua, así como las sales totales disueltas en el agua de alimentación, equivalente a la suma total de cada uno de los elementos, se obtiene la concentración de sales disueltas en el rechazo y en el permeado, de acuerdo con el caudal de alimentación, el factor de reconversión y el porcentaje de paso de sales de la membrana, tal y como se define en el módulo de detailed_view_equations, donde se esclarecen las ecuaciones empleadas. A partir de los parámetros adimensionales calculados, de la salinidad y del caudal nominal de cada membrana, que varía en función de la tipología seleccionada, se calculan las variables mencionadas. Las siguientes figuras muestran la correlación entre el caudal nominal y el tipo de membrana y los cálculos realizados para cada una de las regiones, respectivamente: Figura 33. Asociación caudal nominal y tpo de membrana. Descripción del Software 44 44 Figura 34. Cálculos de TDS para Islas Canarias. Figura 35. Cálculos de TDS para Océano Atlántico. 45 45 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Figura 36. Cálculos de TDS para Mar del Caribe. Figura 37. Cálculos de TDS para Mar Mediterráneo. Descripción del Software 52 52 Tabla 38. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 50 bar) SWXHR440-i (50 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 50 1,10 15,30 Canary Island 8 20 997,37 50 0,90 15,24 Caribbean 8 26 995,69 50 0,73 15,21 Tabla 39. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 55 bar) SWXHR440-i (55 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 55 1,10 16,79 Canary Island 8 20 997,37 55 0,92 16,74 Caribbean 8 26 995,69 55 0,74 16,71 Tabla 40. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 60 bar) SWXHR440-i (60 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 60 1,13 18,29 Canary Island 8 20 997,37 60 0,94 18,24 Caribbean 8 26 995,69 60 0,76 18,20 Tabla 41. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXHR440-i (Presión de alimentación = 65 bar) SWXHR440-i (65 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 65 1,15 19,79 Canary Island 8 20 997,37 65 0,96 19,74 Caribbean 8 26 995,69 65 0,79 19,70 53 53 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Tabla 42. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 50 bar) SWHRLE440-i (50 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 50 0,89 15,36 Canary Island 8 20 997,37 50 0,72 15,30 Caribbean 8 26 995,69 50 0,60 15,25 Tabla 43. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 55 bar) SWHRLE440-i (55 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 55 0,90 16,85 Canary Island 8 20 997,37 55 0,74 16,80 Caribbean 8 26 995,69 55 0,62 16,74 Tabla 44. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 60 bar) SWHRLE440-i (60 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 60 0,93 18,35 Canary Island 8 20 997,37 60 0,77 18,30 Caribbean 8 26 995,69 60 0,62 18,24 Tabla 45. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWHRLE440-i (Presión de alimentación = 65 bar) SWHRLE440-i (65 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 65 0,94 19,85 Canary Island 8 20 997,37 65 0,78 19,79 Caribbean 8 26 995,69 65 0,64 19,74 Descripción del Software 54 54 Tabla 46. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 50 bar) SWXLE440-i (50 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 50 0,74 15,25 Canary Island 8 20 997,37 50 0,61 15,21 Caribbean 8 26 995,69 50 0,51 15,18 Tabla 47. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 55 bar) SWXLE440-i (55 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 55 0,76 16,75 Canary Island 8 20 997,37 55 0,63 16,71 Caribbean 8 26 995,69 55 0,52 16,68 Tabla 48. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 60 bar) SWXLE440-i (60 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 60 0,78 18,25 Canary Island 8 20 997,37 60 0,64 18,21 Caribbean 8 26 995,69 60 0,54 18,18 Tabla 49. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWXLE440-i (Presión de alimentación = 65 bar) SWXLE440-i (65 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 65 0,80 19,75 Canary Island 8 20 997,37 65 0,66 19,70 Caribbean 8 26 995,69 65 0,56 19,67 55 55 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Tabla 50. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 50 bar) SWULE440-i (50 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 50 0,62 15,21 Canary Island 8 20 997,37 50 0,52 15,18 Caribbean 8 26 995,69 50 0,43 15,16 Tabla 51. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 55 bar) SWULE440-i (55 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 55 0,64 16,71 Canary Island 8 20 997,37 55 0,53 16,68 Caribbean 8 26 995,69 55 0,44 16,65 Tabla 52. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 60 bar) SWULE440-i (60 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 60 0,66 18,21 Canary Island 8 20 997,37 60 0,54 18,18 Caribbean 8 26 995,69 60 0,46 18,15 Tabla 53. Cálculo de Bomba de Alta presión para SWULE440-i (Presión de alimentación = 65 bar) SWULE440-i (65 bar) Point q_feed (m³/h) Temperature (˚C) Density (kg/m³) P_feed (bar) ΔP_loss (bar) P_Bomba kW (Software) Persian Gulf 8 16 998,38 65 0,69 19,71 Canary Island 8 20 997,37 65 0,56 19,67 Caribbean 8 26 995,69 65 0,48 19,65 Tal y como se muestran en dichos resultados, se percibe una disminución de la potencia requerida por la bomba de alta presión en base a las características de la membrana. Es decir, para XHR, la potencia requerida ante una presión de alimentación constante, es mayor que para una membrana ULE. Esto se debe, en parte, a la variación de la permeabilidad al paso del agua. De forma similar, y en base a la permeabilidad de igual modo, es notable una variación de potencia vinculada a la composición de algua. Cuato menor sea el contenido en sales menor será la necesidad de potencia requerida. Descripción del Software 56 56 A continuación, se llevará a cabo una comparativa con los resultados proporcionados por el software ROSA. Comparación del modelo con el software ROSA En base a los resultados proporcionados, de forma gráfica para cada membrana y por presión de alimentación la comparativa de dichos resultados se muestra a continuación: Figura 49. Comparativa para membrana SWXHR440-i. 57 57 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación Figura 50. Comparativa para membrana SWHRLE440-i. Figura 51. Comparativa para membrana SWXLE440-i. Descripción del Software 58 58 Figura 52. Comparativa para membrana SWULE440-i. La desviación total obtenida entre ambas metodologías equivale a una variación porcentual de 7,91%. Al ser inferior al 10% establecido como umbral de aceptación, se consideran válidos los resultados obtenidos. 59 59 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación 7 CONCLUSIONES Y FUTUROS PASOS Tal y como se ha descrito durante el desarrollo del proyecto, dicho software proporciona las siguientes ventajas:  Permite conocer de forma detallada la interacción de las distintas variables que definen cada uno de los procesos termodinámicos de la desalación.  Proporciona una visión preliminar del efecto originado por cada una de las membranas a nivel comercial, habiéndose seleccionado en este caso las de Dow Solutions.  Al ser de desarrollo sencillo, permite su ampliación de forma indefinida, integrando nuevas composiciones así como diferentes membranas pertenecientes a otros fabricantes.  Al estar basado en Office, no requiere instalar ningún sistema adicional, por lo que es fácil y ágil a la hora de comenzar a utilizarse.  Se ha desarrollado de forma intuitiva, con el objetivo de cada una de las pestañas siga una evolución lógica de flujo de trabado. En base a dichas ventajas, la desviación generada respecto al software ROSA es de tan sólo un 7,91%, considerándose múltiples afectos en el rendimiento de la bomba. Respecto a los futuros pasos, la integración de la tecnología en la industria y en el sector energético abre una ventana bastante ambiciosa para unir ambos campos de conocimiento. Uno de los primeros pasos a seguir sería, desde este punto de vista, trasladar el software a un entorno web de acceso global que leyera la información necesaria desde un servidor con el objetivo de centralizar el flujo de datos. Una vez llevada a cabo esa tarea, dicho software podría constituir un producto mínimo viable enfocado a la determinación de setpoints dentro de una planta de desalación que, conectado con un SCADA, indique a los operadores la diferencia entre el caso ideal y el caso real. Adicionalmente, tras aplicar dichos pasos, podrían incluirse modelos predictivos que optimizasen tanto el diseño como el funcionamiento de la planta desde el punto de vista económico mediante técnicas de inteligencia artificial que pudieran predecir ciertos comportamientos a partir de datos históricos de operación. Referencias 60 60 REFERENCIAS [1] F. R. Ruiz, Desalación de agua de mar en planta termosolar de cilindroparabólico de 50 MW, Sevilla: Universidad de Sevilla. [2] Q. Nova, «Scielo,» 2009. [En línea]. Available: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422009000200037. [Último acceso: 16 Abril 2017]. [3] D. Solutions. [En línea]. Available: http://www.dow.com/en-us/water-and-process-solutions. [4] Autor, «Este es el ejemplo de una cita,» Tesis Doctoral, vol. 2, nº 13, 2012. [5] O. Autor, «Otra cita distinta,» revista, p. 12, 2001. 61 61 Desarrollo de software de simulación de procesos de desalación