Desarrollo de herramientas en VBA para el diseño y diagnóstico de plantas de desalación

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Desarrollo de herramientas en VBA para el diseño y diagnóstico de plantas de desalación. Autor: Jesús Enrique Morán Marín Tutores: Dra. Lourdes García Rodríguez Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial 2 3 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Desarrollo de herramientas en VBA para el diseño de plantas innovadoras. Autor: Jesús Enrique Morán Marín Tutores: Dra. Lourdes García Rodríguez, Catedrática de Universidad Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 4 5 Trabajo Fin de Máster: Desarrollo de herramientas en VBA para el diseño de plantas innovadoras. Autor: Jesús Enrique Morán Marín Tutores: Dra. Lourdes García Rodríguez, Catedrática de Universidad El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal 6 7 A mi familia, amigos y a Triana. 8 9 Agradecimientos Quiero dedicar estas líneas a todas y cada una de las personas que me rodean en mi día a día, desde mi familia hasta mis amigos y compañeros de cada una de las clases por las que he pasado, así como especialmente a tantos profesores y profesoras que durante años se han sucedido en la tarea de completar mi formación, desde el primero hasta el último, a todos ellos le doy las gracias. 16 17 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Comparación de las configuraciones propuestas [15]. .............................................................. 40 Tabla 2. Comparación termo-económica de las distintas configuraciones propuestas [17]. ..................... 41 Tabla 3. Comparación con la propuesta por Peñate y García-Rodríguez en Lanzarote IV [19]................ 47 Tabla 4. Membranas empleadas en las configuraciones propuestas [20]. ................................................ 50 Tabla 5. Variaciones y combinaciones bajo estudio [20]. ....................................................................... 50 Tabla 6. Comparación de propuestas de retrofit de Lanzarote IV [20]. ................................................... 52 Tabla 7. Características de las configuraciones propuestas con un producto [21].................................... 56 Tabla 8. Características de las configuraciones propuestas con dos productos [21]. ................................ 57 Tabla 9. Características de las configuraciones propuestas con tres productos [21]. ............................... 59 Tabla 10. Presión osmótica en función de SPP ...................................................................................... 61 Tabla 11. Composición del agua de las Islas Canarias. (Instituto Tecnológico de Canarias). .................. 72 Tabla 12. Casos de estudio para validar método de cálculo. ................................................................... 72 Tabla 13 Resultados de ROSA caso 1 y membrana SW30ZHR 440i. ..................................................... 73 Tabla 14. Característica membrana propuestas en BIBLIOGRAFIA para SW30HRLE 440i. ................. 74 Tabla 15. Resultados obtenidos tras primera iteración. .......................................................................... 74 Tabla 16. Resultado de cada una de las iteraciones, caso 1..................................................................... 74 Tabla 17. Diferencia entre xi e yi en cada iteración, caso 1. .................................................................... 75 Tabla 18. Resultado de cada una de las iteraciones, casos 1,2 y 3. ......................................................... 75 Tabla 19. Resultado de cada una de las iteraciones, casos 1, 2 y 3, SW30XLE-440i. .............................. 79 Tabla 20. Resultado de cada una de las iteraciones, casos 1,2 y 3, SW30ULE-440i................................ 82 Tabla 21. Datos obtenidos en industria. ................................................................................................. 92 Tabla 22. Valores de diseño en escenario 1, software de simulación. ................................................... 102 Tabla 23. Valores de ROSA, escenario software simulación. ............................................................... 102 Tabla 24. Valores del software de aplicación, escenario de uso. ........................................................... 103 Tabla 25. Comparación del caudal permeado....................................................................................... 103 Tabla 26. Comparación de la concentración en el caudal permeado. .................................................... 103 Tabla 27. Comparación resultados escenario 1, software simulación. ................................................... 104 Tabla 28. . Valores de diseño en escenario 2, software de simulación. ................................................. 105 Tabla 29. Solución ROSA, escenario 2 software de simulación. .......................................................... 106 Tabla 30. Solución aplicación, escenario 2 software de simulación. ..................................................... 107 Tabla 31. Comparación resultados escenario 2, software simulación. ................................................... 107 Tabla 32. Comparación dispositivos ERD. .......................................................................................... 108 18 19 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Salinidad en los océanos [2]. .................................................................................................. 23 Figura 2. Estado actual de la industria de la desalación [5]. ................................................................... 25 Figura 3. Publicaciones relativas a desalación por categorías [5]. ........................................................... 26 Figura 4: Influencia de concentración y temperatura en la presión osmótica. ......................................... 28 Figura 5. Diseño sistema R.O. [10]........................................................................................................ 29 Figura 6. Desglose de costes para producir agua en la planta de SADARA [12]. .................................... 33 Figura 7. Configuraciones obsoletas de configuraciones de plantas de ósmosis inversa [14] .................. 34 Figura 8. Configuración obsoleta de planta de desalación por ósmosis inversa [15]. .............................. 35 Figura 9. Configuración de los 4 primeros trenes de Lanzarote IV [16] . ............................................... 36 Figura 10. Configuración del quinto tren de Lanzarote IV [16]. ............................................................. 36 Figura 11. Retrofit N.1 [15]................................................................................................................... 38 Figura 12. Retrofit N.2 [15]. ................................................................................................................. 38 Figura 13. Retrofit N.3 [15]................................................................................................................... 39 Figura 14. Retrofit N.4 [15]................................................................................................................... 39 Figura 15. Configuraciones de retrofit propuestas [17]. ......................................................................... 41 Figura 16. Costes de cada fluido en cada una de las configuraciones propuestas [17]. ............................ 42 Figura 17. SEC y rendimiento exergético en las configuraciones propuestas [17]................................... 42 Figura 18. Coste del producto en cada una de las configuraciones propuestas [17]. ................................ 43 Figura 19 Influencia del rendimiento de alta presión [17]. ..................................................................... 43 Figura 20. Influencia de la salinidad y coste de la electricidad [17]. ....................................................... 44 Figura 21. Propuesta para los trenes 1-4 en Lanzarote IV según Peñate y García-Rodríguez [19]. .......... 47 Figura 22. Propuesta de configuración para el tren 5 en Lanzarote IV según Peñate y García-Rodríguez. [19]. ...................................................................................................................................................... 48 Figura 23. Configuración existente en los trenes 1-4 Lanzarote IV . ...................................................... 49 Figura 24. Disposición propuesta de Lanzarote IV [20]. ........................................................................ 49 Figura 25. Configuración propuesta de Lanzarote IX [20] ..................................................................... 50 Figura 26. Desglose de precios para las configuraciones propuestas 1/2 [20]. ........................................ 51 Figura 27. Desglose de precios para las configuraciones propuestas 2/2 [20]. ....................................... 51 Figura 28. Funcionamiento de FCV [21]. .............................................................................................. 53 Figura 29. Aumento de la concentración en el permeado del segundo paso [22]. .................................... 53 Figura 30.Evolución del caudal de permeado en el segundo paso [22]. .................................................. 54 Figura 31. Posible configuración con un producto final [21]. ................................................................. 55 Figura 32. Desglose de costes en función de las membranas y configuración adoptada [21]. .................. 56 Figura 33. Posible configuración con dos productos finales [21]. ........................................................... 57 Figura 34. Posible configuración con tres productos finales [21]. .......................................................... 58 Figura 35. Configuración Partial two pass [23]. ..................................................................................... 60 Figura 36. Configuración SPSP [23]...................................................................................................... 60 Figura 37. Configuración SSP [23]. ....................................................................................................... 60 Figura 38. Configuración inversa propuesta para SPP RO [23]. ............................................................. 61 Figura 39. Influencia en la presión osmótica y flujo en función de la posición del SP [23]. .................... 62 Figura 40. Comparación del consumo de la tecnología SPP en función de SSP [23]. .............................. 62 Figura 41. Desglose precios de distintas configuraciones [23]. .............................................................. 63 Figura 42. Estrategia de cálculo de LW. ................................................................................................. 66 Figura 43. Estrategia de cálculo de LS. .................................................................................................. 66 Figura 44. Aspecto de software de cálculo de permeabilidades. ............................................................. 70 Figura 45 Caudal de permeado para la membrana bajo los casos de estudio. .......................................... 73 Figura 46. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 1, SW30XHR-440i. ............................................... 76 Figura 47. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 2, SW30XHR-440i. ............................................... 76 20 Figura 48. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 3, SW30XHR-440i. ............................................... 77 Figura 49. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 1, SW30XHR-440i. .................................... 77 Figura 50. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 2, SW30XHR-440i. ................................... 78 Figura 51. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 3, SW30XHR-440i. ................................... 78 Figura 52. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 1, SW30XLE-440i. ................................................ 79 Figura 53. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 2, SW30XLE-440i. ............................................... 80 Figura 54. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 3, SW30XLE-440i. ............................................... 80 Figura 55. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 1, SW30XLE-440i. ................................... 81 Figura 56. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 2, SW30XLE-440i. ................................... 81 Figura 57. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 3, SW30XLE-440i. ................................... 82 Figura 58. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 1, SW30ULE -440i. ............................................... 83 Figura 59. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 2, SW30ULE -440i. .............................................. 83 Figura 60. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 3, SW30ULE -440i. .............................................. 84 Figura 61. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 1, SW30ULE -440i.................................... 84 Figura 62. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 2, SW30ULE -440i.................................... 85 Figura 63. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 3, SW30ULE -440i.................................... 85 Figura 64. Estrategia de cálculo de permeabilidad en software de uso industrial. ................................... 88 Figura 65. Estrategia de cálculo de permeabilidad en software de uso industrial. ................................... 89 Figura 66. Aspecto del software de uso industrial para cálculo de permeabilidades ................................ 90 Figura 67. Resultados de permeabilidad en cada iteración. .................................................................... 92 Figura 68. Valores de permeabilidad en elementos. ............................................................................... 93 Figura 69. Valores de concentración del permeado en elementos. .......................................................... 93 Figura 70. Estrategia de cálculo software de simulación. ....................................................................... 97 Figura 71. Aspecto del software de simulación. ..................................................................................... 99 Figura 72. Información a rellenar software simulación. ....................................................................... 100 Figura 73. Solución obtenida en software de simulación. ..................................................................... 101 Figura 74. Comparación de resultados, escenario 1. ............................................................................. 104 Figura 75. Representación caudal permeado escenario 2, software simulación. .................................... 108 Figura 76. Influencia en el consumo específico de la salinidad ............................................................ 109 Figura 77. Influencia en el consumo específico de la temperatura. ....................................................... 110 Figura 78. Influencia en el consumo específico de la presión de operación. ......................................... 111 Figura 79. Influencia en el consumo específico de permeabilidad al agua. ........................................... 111 Figura 80. Influencia en el consumo específico de permeabilidad a las sales. ....................................... 112 Figura 81. Influencia en el consumo específico del número de elementos. ........................................... 113 21 Notación OMS ERD Sw SEC RO μ φ Π P R ρ T W S Mi b TFC M NDP PV qv,w LW A qv,P PF-BD PF A1 B1 CF-BD rv CBD CPF aCPF1 aCPF1 qs LS Organización Mundial de la Salud Energy Recovery Device Agua de mar Consumo específico de energía [kW m-3] Reverse Osmosis Potencial Químico Coeficiente osmótico Presión osmótica [bar] Presión estática [bar] Constante de los gases [J mol-1 K-1)] Densidad [kg/m³] Temperatura [K o ºC] Potencia [kW] o Densidad de potencia por unidad de área [W m-2] Concentración másica [kg/kg] Masa molar del componente i Molalidad [n kg-1] Compuestos de película delgada Molaridad [M] Net driving pressure Pressure Vessel Caudal permeado de agua [L h-1] Permeabilidad de la membrana al disolvente [L m-2 h-1 bar-1 ] Área [m2] Caudal permeado medio [L h-1] Presión media caudal alimentación [bar] Presión entrada caudal alimentación [bar] Constante ec. Pérdida de carga Constante ec. Pérdida de carga Concentración media caudal de alimentación [mg Nm-3] Recuperación Concentración salida caudal de alimentación [mg Nm-3] Polarización membrana Constante cálculo CPF Constante cálculo CPF Caudal másico de sales [mg h-1] Permeabilidad de la membrana al soluto [L m-2 h-1 ] 22 CP ε Pbrine qf PW,ERD PV SP SPSP FCV TDS xi yi n Qf Concentración caudal permeado [mg Nm-3] Eficiencia Presión de entrada del caudal salino [bar] Caudal alimentación agua de mar a ERD [m3 s-1] Consumo i-Save [W] Pressure Vessel Split Partial Split Partial Second Pass Flow Control Valve Total de sales disueltas Valores ROSA Valores calculados Número de pares de valores Caudal de alimentación [m3] 23 1 CONTEXTO ACTUAL Y OBJETIVO l aumento exponencial de la población en el último siglo, la mayor demanda de servicios, la mala distribución o la falta de infraestructura, son algunos de los motivos que explican la falta de acceso a determinados recursos naturales de primera necesidad por parte de la población mundial, dentro de estos recursos de primera necesidad se puede destacar el agua desalada, y es que un 40% de la población mundial sufre escasez de agua [1]. Además del uso directo por parte de la población, esta se utiliza de forma intensiva en la industrial, la agricultura o la ganadería. En la Tierra, el agua dulce corresponde a algo menos del 2% del agua total y además esta se encuentra gravemente concentrada en pequeñas zonas. El resto del agua se encuentra en los diversos océanos y mares que cubren la superficie terrestre, cabe destacar que los diez países más poblados del mundo cuentan con acceso a algún océano o mar, al igual que los diez países más industrializados, lo cual revela el potencial para estas economías que tendría un aprovechamiento eficiente de este recurso. El parámetro principal del agua de mar es la salinidad, esta no es uniforme ni constante en los distintos océanos que bañan cada uno de los continentes, lo cual tiene un efecto directo sobre el proceso de desalación, pese a ello las variaciones son muy pequeñas y la distribución prácticamente homogénea como se observa en la Figura 1, donde se representa la concentración en gramos de NaCl por kg de agua. Figura 1. Salinidad en los océanos [2]. E “Reflexiona y delibera antes de efectuar un movimiento” Sun-Tzu 24 Por lo extensamente distribuido que se encuentra este recurso, la desalación de agua de mar siempre ha sido una propuesta de estudio para aquellas regiones con escasez de agua dulce. Esta tecnología cobra especial importancia en pequeñas islas o archipiélagos como las Islas Canarias, donde gran parte del agua que se consume proviene de plantas desaladoras. Sin embargo, la desalación implica un gran consumo energético por lo que las técnicas de ahorro y eficiencia juegan un papel crucial en esta industria. La configuración y tecnologías empleadas en este tipo de plantas ha sido relativamente homogéneo hasta principios de este siglo, protagonizados por la necesidad de cumplir con los requisitos de partículas sólidas disueltas y en especial, por la obligatoriedad de cumplir la legislación relacionado con el Boro, parámetro del que se requería una baja concentración para poder cumplir con las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS). Otra de las características propias de las plantas construidas en el siglo anterior era el uso generalizado de las turbinas Pelton [3], con eficiencias típicas entra 70 y 80 %, mediante las cuales se reducía la potencia requerida en la bomba de alta presión. Sin embargo, en los últimos años nuevos estudios han llevado a la OMS ha rebajar las exigencias en cuanto a la concentración de Boro [4], a lo que se une un profundo desarrollo en el diseño de las membranas, lo cual ha revolucionado la forma de construir nuevas plantas, siendo ahora innecesario en la mayor parte del planeta que el permeado obtenido como producto tenga que ser introducido de nuevo en un segundo proceso de desalación para mejorar la calidad de este. Además, el desarrollo de nuevos equipos sustitutivos de las turbinas Pelton, conocidos como ERD (Energy Recovery Device), han logrado porcentajes de recuperación energética mucho mayores a las ya existentes, por todo ello, las nuevas plantas que se construyen hoy día poco tienen que ver con las que se construían solo unas décadas atrás. Este rápido proceso de evolución y cambio de tecnología no solo afecta a las nuevas plantas que se construyen, las plantas ya construidas tratan de reducir de forma constante su consumo energético, por lo que la modernización de estas plantas, lo cual se conoce como “Retrofit”, es una realidad que ha golpeado de lleno la industria de la desalación en los últimos años. El empuje de la sociedad moderna por reducir la dependencia de fuentes energéticas fósiles y la toma de conciencia en temas transversales como el ahorro o la eficiencia energética no es ajeno a esta industria. Y es en el enfoque de la eficiencia donde se centra este trabajo, dentro de la industria no existe actualmente ninguna tecnología de recuperación energética que predomine de forma absoluta, ni una configuración generalizada que aplicar a las nuevas plantas en construcción o a las ya construidas que abordan un proceso de retrofit, es decir, un proceso de modernización. Este proceso puede afrontarse desde dos perspectivas diferentes: • Reducir el consumo energético produciendo el mismo caudal de agua desalada. • Aumentar la cantidad de caudal producido con el mismo consumo energético. A priori, la primera solución parece más sencilla de abordar, al no requerir ingeniería civil ante la posible necesidad de aumentar el diámetro de las tuberías o instalaciones tanto dentro de la planta como fuera de ella. Sin embargo, el aumento de agua consumida por las grandes urbes o nuevas necesidades industriales requiere de una mayor capacidad de producción, por lo que se presenta un problema dual entre reducir el consumo de las plantas existente y proyectar nuevas instalaciones, o aumentar la capacidad nominal de producción de las plantas existentes. Este trabajo por tanto, se abordará desde la perspectiva del ahorro energético, donde se buscará de manera constante aquella configuración que reduzca el coste de caudal producido. 25 Para ello, se evaluará la energía necesaria para producir un determinado caudal buscando la minimización de esta relación, lo que se denomina el consumo específico (SEC, Specific Energy Consumption). Este trabajo se centra en el proceso en el cual el agua de mar atraviesa la membrana semipermeable para producir un caudal con baja concentración de sales, obviando los procesos de pre-tratamiento y posttratamiento, ya que estos son semejantes para cualquier tipo de configuración propuesta. La situación actual de la industria de la desalación es de expectación y optimismo ante los grandes cambios experimentados en los últimos años, en la siguiente Figura se observan todas las plantas desaladoras existentes en 2019. Figura 2. Estado actual de la industria de la desalación [5]. Como se puede apreciar en la anterior imagen, la capacidad nominal de producción mundial de agua desalada es de 95,37 Mm3/día, estando concentrada el 48 % de dicha producción en la región de oriente próximo. Existen en total 15.906 plantas destinadas a la desalación [3]. En Europa occidental hay 2.337, donde la mayoría se concentran principalmente en la costa Mediterránea y los archipiélagos de este mar. Destacándose de forma notoria las Islas Canarias, la cual ha sido siempre una zona puntera en lo relativo a esta industria. También se aprecia como la mayoría de las plantas en suelo estadounidense están dedicadas a agua salobre de concentración muy inferior a la de agua de mar, y que como se verá más adelante, mucho menos costosa de explotar. Pese a la necesidad de reinventar la manera de consumir agua por las sociedades modernas y los grandes esfuerzos en investigación e innovación que se están realizando en torno a la tecnología de Osmosis Inversa, RO (Reverse Osmosis), esta no está exenta de problemas medioambientales como cualquier otra actividad humana. 32 33 3 CONFIGURACIONES ANTIGUAS l enfoque de este trabajo es el desarrollo de herramientas que puedan ayudar en el desarrollo de nuevas configuraciones, por lo que en primer lugar se realiza una búsqueda bibliográfica para tratar de vislumbrar hacia donde se dirige la industria de la desalación. En este trabajo, se obvia el pretratamiento y post-tratamiento del agua de alimentación o de los productos. Para justificar este enfoque, a continuación se va a analizar el consumo en operación de una planta real. La planta bajo este estudio no es otra que SADARA, situada en el Golfo Pérsico, la cual fue completada en Diciembre de 2016 y tiene una capacidad nominal de 178.560 m3/día, cuenta con una configuración de dos pasos y un valor de energía específica consumida, SEC, de 4,35 kWh/m3 a nivel global de planta y 3,1 en el sistema de RO, con un sistema instalado de ERI-PX y membranas DOW [12]. En la Figura 6 se muestra una descomposición de costes de operación de dicha planta: Figura 6. Desglose de costes para producir agua en la planta de SADARA [12]. De la observación directa de la estructura de costes de operación, se aprecia que aproximadamente el 70% del consumo energético tiene su raíz en el sistema de RO, en el cual es necesario producir las condiciones termodinámicas adecuadas para un flujo opuesto al espontaneo de permeado, desde el fluido más concentrado hacía uno de menor concentración. Del mix de consumo energético restante destaca, aunque a mucha distancia, el proceso de pretratamiento con un 12% del coste de operación. E 34 Con toda esta información se justifica que el presente documento se centre de forma exclusiva en tratar de reducir el consumo energético específico atacando el sistema de R.O., por lo que de aquí en adelante se omitirá en mayor o menor medida el resto de los procesos necesarios en una planta de desalación, en favor de una mayor profundización en la principal área de consumo de las plantas de la industria desaladora. A continuación, se relata la nomenclatura típica de este tipo de plantas. En la tecnología de desalación, el producto de una primera serie de membranas es a veces la alimentación de la siguiente membrana, a esta segunda membrana se le conoce como segundo paso. Otra posible configuración es que el rechazo de la primera serie de membranas sea la alimentación de la próxima membrana aguas abajo, en cuyo caso se habla de segunda etapa. El agua de mar tradicionalmente experimentaba dos pasos antes de obtenerse el producto final. Por otra parte, el concentrado o salmuera (brine), el cual posee una alta concentración es introducido en una segunda etapa [13] con el fin lograr un mayor caudal de permeado en esta segunda etapa. La existencia de un segundo paso provoca una menor concentración de soluto en el producto, sin embargo aumenta la cantidad de caudal rechazado y un mayor consumo energético, típicamente el motivo que justificaba la existencia de este segundo paso eran las estrictas restricciones sobre la concentración de Boro y en general el mejorar la calidad del permeado. Además, el rechazo del segundo paso, con concentraciones no muy elevadas, puede recircularse a la entrada del sistema con el propósito de disminuir la concentración de entrada en la primera membrana y conseguir así aumentar la eficiencia global del sistema. Otra justificación a la existencia de dos pasos hoy día puede ser el deseo de obtener diferentes fluidos con distinta calidad, ya que si todos los caudales de permeados se mezclan, el resultado es un nuevo caudal con una calidad media, La instalación de un divisor de caudal (Split Partial, SP) tiene el objetivo de obtener en la parte inicial de la primera membrana un permeado de mayor calidad que el que se obtiene en la cola de esta membrana o en el segundo paso en caso de que lo hubiere. Por lo que finalmente se obtiene un primer caudal de una excelente calidad y un segundo con una calidad que dista mucho del anterior, este caudal como se verá más adelante puede obtenerse como producto o recircularse. En la siguiente Figura se aprecia en primer lugar un segundo paso, en esta configuración se recupera la energía del caudal rechazado en el primer paso y se recircula el caudal rechazado del segundo. Se puede observar como el caudal rechazado es introducido en una segunda etapa mezclándose finalmente el permeado de ambos bastidores de membranas. Figura 7. Configuraciones obsoletas de configuraciones de plantas de ósmosis inversa [14] 35 Configuración estándar Los autores Baltasar Peñate y Lourdes García-Rodríguez plantearon en 2.010 una modernización determinada a la configuración obsoleta de una planta compuesta por 2 trenes de 5.000 m3/(día tren), esta instalación propuesta cuenta con un SEC de 3,27 kWh/m3 [15]. En la Figura 8 se muestra la configuración antigua. Figura 8. Configuración obsoleta de planta de desalación por ósmosis inversa [15]. Dicha configuración está formada por dos trenes iguales, con dos bombas de alta presión y dos turbinas Pelton, a posteriori se comentarán las propuestas de configuración aportada por los autores y las principales características de estas. 36 Configuración Lanzarote IV El archipiélago Canario tradicionalmente ha sido la punta de lanza del continente europeo donde probar e instalar las nuevas tecnologías y avances que experimentaba el sector de la desalación, el número de plantas instaladas asciende hasta las 319, distribuyéndose 278 en la provincia de Las Palmas y las 41 restantes en Santa Cruz de Tenerife. La capacidad estimada de todas estas plantas asciende hasta los 663.463 m3/día, es decir, una capacidad de producción anual de 242,16 hm3/año. Habiendo experimentado un incremente en comparación con la capacidad de producción de 187,5 hm3/año en el año 2.010 [16]. Dentro del panorama canario, se puede destacar la planta de Lanzarote IV en la Isla de Lanzarote por su producción de agua y documentación de la que se dispone. En 2.010 esta instalación contaba con 5 trenes, 4 de ellos iguales, los cuales pueden observarse en la Figura 9 y un quinto y distinto tren que se aprecia en la Figura 10. Figura 9. Configuración de los 4 primeros trenes de Lanzarote IV [16] 1 . Figura 10. Configuración del quinto tren de Lanzarote IV [16]. Ambos trenes emplean turbinas Pelton con porcentajes de recuperación de energía que varían entre el 70 y 90%. Además de existir una diferencia clara en la configuración empleada entre ambos trenes, cada uno de estos emplea un número distinto de tipos de membranas. En conjunto la instalación es capaz de producir 1.217.3 m3/h con una concentración de 259 ppm. 1 Existe una errata en la representación de la segunda etapa del segundo paso, la línea que representa la membrana debe de dibujarse en la otra diagonal a la representada. 37 4 MODERNIZACIÓN DE PLANTAS a gran cantidad de avances científicos y la evolución continua de la técnica ha provocado en los últimos años una revolución permanente en el sector de la desalación y no solo en el plano teórico, sino que la práctica totalidad de las instalaciones de desalación han experimentado procesos de modernización, conocido como Retrofit, en el que bien o se realizan pequeños cambios de equipos por equipos, o se afrontan auténticas revoluciones en la configuración de dichas instalaciones. Los cambios en estas instalaciones pueden radicar de diferentes motivaciones: • Desear bajar el consumo de la instalación manteniendo constante la capacidad de producción. • Conseguir un aumento en la producción con el mismo consumo energético. A continuación, se muestran configuraciones propuestas para las instalaciones explicadas en el punto 3, además de otras soluciones tecnológicas a estudiar que de una manera u otra han ofrecido nuevas oportunidades de mejora. Todo ello motivado por el deseo de lograr una perspectiva histórica de hacia donde se dirige la industria de la desalación, para la posterior elaboración de un software capaz de integrar los últimos avances experimentados y ofrecer una solución óptima en la fase de diseño. L 38 Retrofit configuración estándar Anteriormente en el punto 3.1 se comentó una de las configuraciones obsoletas, que era la configuración estándar hasta principios de siglo XXI. Como ya se ha comentado, la aparición de elementos sustitutivos de las turbinas Pelton con valores de recuperación energética mucho mayores protagoniza las propuestas de configuraciones alternativas, como se comenta a continuación. Alternativas a la configuración estándar Las siguientes configuraciones son propuestas para la modernización de la planta antigua comentada anteriormente en el punto 3.1 en la página 35 por los autores Baltasar Peñate y Lourdes García- Rodríguez [15], en función del objetivo que se persiga, se puede distinguir: • Si el objetivo es mantener constante la capacidad de la planta y reducir la energía consumida se propone las siguientes configuraciones: 1. Empleando la misma bomba de alta presión e instalando una cámara isobárica. Figura 11. Retrofit N.1 [15]. 2. Instalación de una comba de baja presión y añadiendo una cámara isobárica. Figura 12. Retrofit N.2 [15]. 39 • Si el objetivo es el de aumentar la capacidad alguna de las configuraciones propuestas son: 3. Instalación de una cámara isobárica. Figura 13. Retrofit N.3 [15]. 4. Instalación de una cámara isobárica que alimenta a un segundo tren. Figura 14. Retrofit N.4 [15]. Tras la realización de un estudio termo-económico por parte de los autores [15], se concluye que si el objetivo es reducir el consumo energético de la planta, la propuesta número 2 presenta mayores ventajas que la número 1. Mientras que si se busca aumentar la capacidad la configuración más rentable es la número 3. 40 Ambas configuraciones ganadoras tienen en común: • La instalación de sendas cámaras isobáricas. • La presencia de bombas de refuerzo (Booster Pump) . • La eliminación de sendas turbinas Pelton. A continuación, se muestra en la Tabla 1 un resumen de las diferencias entre la configuración estándar y las propuestas. Tabla 1. Comparación de las configuraciones propuestas [15]. Estándar Retrofit N. 1 Retrofit N. 2 Retrofit N. 3 Retrofit N. 4 Capacidad [m3/h] 10.000 10.000 10.000 14.400 15.386 Aumento de capacidad [%] -- 0,0% 0,0% 44,2% 53,8% Energía requerida [kW] 1.363,6 1.014,2 1.029,2 1,424,1 1.933,2 Ahorro de energía -- 25,6% 24,5% 0,0% 0,0% SEC [kWh/m3] 3,27 2,43 2,47 2,39 3,02 Coste de Retrofit [c€/m3] -- 54,2 53,1 56,7 66,0 41 Estudio termo-económico alternativas planteadas Empleando la misma filosofía antes propuesta para estudiar la repercusión termo-económica de las propuestas de retrofit planteadas, las distintas configuraciones planteadas se observan en la siguiente Figura a partir de la configuración estándar que se aprecia en el punto 3.1. Figura 15. Configuraciones de retrofit propuestas [17]. De las configuraciones propuestas, las dos primeras están enfocadas a la reducción del consumo energético mientras que las dos últimas al aumento de la capacidad de producción. Los datos termodinámicos de cada una de las configuraciones propuestas frente a la estándar se aprecian en la siguiente Tabla. Tabla 2. Comparación termo-económica de las distintas configuraciones propuestas [17]. Antigua Retrofit Nº1 Retrofit Nº2 Retrofit Nº3 Retrofit Nº4 Caudal de alimentación [m3/h] [[m3/h] 926 926 926 1.334 1.436 Caudal por HPP [m3/h] 2 x 463 2 x 416 463 300 463 Caudal permeado [m3/h] 416 416 416 600 640 Energía requerida [kW] 1.573 1.248 1.268 1.788 2.472 SEC planta [kWh/m3] 3,78 3,00 3,05 2,98 3,86 Energía ahorrada [%] -- 20,63 24,15 24,70 -2,18 48 Respecto al quinto tren, la propuesta de dichos autores es la que se observa en la siguiente Figura. Figura 22. Propuesta de configuración para el tren 5 en Lanzarote IV según Peñate y García-Rodríguez. [19]. 49 Reconfiguración de los trenes y tamaño del modulo. El tamaño óptimo de los trenes que forman la configuración existente en una planta depende también del número de tubos de presión o Pressure Vessel (P.V.), los cuales están típicamente formados por membranas de 8” de tamaño. Sin embargo, en los últimos años se han venido desarrollando de forma experimental membranas de 16” de diámetro por parte de los principales fabricantes. Algunos estudios computacionales [11] han venido a demostrar como un aumento en el diámetro de las membranas pueden suponer un ahorro de hasta un 12,4% en costes de capital, operación y mantenimiento. También se estima una reducción del consumo energético entre el 12-16 %, continuando con esta línea de investigación, en 2017 se realizó un estudio termo-económico con el fin de aportar más conocimiento sobre lo oportuno de esta revolución en el tubo de presión y el tamaño de las membranas [20]. La configuración esquemática existente en Lanzarote IV con información sobre las membranas empleadas se observa en la Figura 23. Figura 23. Configuración existente en los trenes 1-4 Lanzarote IV 2 . El autor del artículo en cuestión [20], recoge la configuración propuesta para Lanzarote IV siguiendo las recomendaciones del estudio comentado anteriormente en el documento estratégico para 2.020. Configuraciones propuestas para Lanzarote IV. La cual se observa a continuación: Figura 24. Disposición propuesta de Lanzarote IV [20]. 2 Existe una errata en la segunda membrana, esta no es la segunda etapa sino el segundo paso y la membrana es BWXLE. 50 Así mismo este autor propone una alternativa para Lanzarote IV. Figura 25. Configuración propuesta de Lanzarote IX [20] Finalmente, el autor del estudio [20] recoge las propiedades de las membranas empleadas o propuestas en los dos casos anteriores como se aprecia en la siguiente Tabla: Tabla 4. Membranas empleadas en las configuraciones propuestas [20]. Donde cabe señalar AE-1600 y AG-1600, que son las membranas de 16” de diámetro objeto principal de estudio por parte de estos autores. A continuación, se establece una numeración para identificar cada una de las variaciones y combinaciones de tipos de módulos y configuraciones de trenes que se presentan bajo estudio. Tabla 5. Variaciones y combinaciones bajo estudio [20]. 51 Tras realizar un estudio termo-económico se obtienen los costes de cada una de las configuraciones antes propuestas, en dicho estudio el coste de producción queda desmenuzado en: • ZM : Coste de reemplazo de membranas. • ZOM : Coste de la inversión de capital. • Cenergy : Coste de la energía. • Ccontingency : Coste de contingencia. • CD : Coste de la exergía destruida. Dicho desglose se observa en la Figura 26 y Figura 27. Figura 26. Desglose de precios para las configuraciones propuestas 1/2 [20]. Figura 27. Desglose de precios para las configuraciones propuestas 2/2 [20]. 3 Se observa como los menores costes se consiguen para las configuraciones de la serie A1, la cual estaba compuesta por 1 paso con módulos SW30XLE-400i. 3 En la Figura 27 existe una errata por parte del autor, en la mitad de la derecha la serie es A3 como primer número identificativo. 52 En cuanto a las membranas de 16”, se aprecia como en la serie 3, la cual está formada por dos pasos, siendo el segundo tipo de diseño híbrido tienen unos costes de operación ligeramente superiores. Se observa como la influencia del coste de las membranas es inferior a las otras configuraciones estudiadas, por el contrario se requiere una mayor cantidad de consumo energético. Se puede concluir como para una serie de membranas, los distinto tipos de configuraciones apenas suponen una diferencia de 3 c€/m3, existiendo la mayor diferencia entre B5 y B6 para la segunda serie y ente B2 y B7 para la serie 3. La mejor configuración para la segunda serie es A2B5 y para la serie 3 A3B1. A continuación, se muestra en la Tabla 6 una comparativa de las configuraciones más destacadas de cada una de las series descritas. Tabla 6. Comparación de propuestas de retrofit de Lanzarote IV [20]. Configuración existente 1 paso, 8 in PV SW30- HR380 2 pasos, 16 in AE16000 - AG1600 1º paso 16 in PV, AE1600 2ºpaso 8 in PV, BW30-LE440 Y XLE440 Capacidad 5 x 5.000 m3/día 1 x 20.000 m3/día 1 x 5.000 m3/día 5 X 5.000 m3/día 1 X 25.000 m3/día Caudal de permeado [m3/h] 1.224 SEC planta [kWh/m3] 4,15 2,84 3,60 3,79 Concentración de Boro[mg/L] 0,54 0,87 0,22 0,24 Tren 1-4 5 1 x 20.000 1 x 5.000 -- -- SEC tren [kWh/m3] 3,57 3,53 2,30 2,31 3,10 3,27 53 Optimización de la localización del Split-Partial en el segundo paso El uso del Split Partial en el segundo paso (Split Partial Second Pass, SPSP) se utiliza con el fin de mejorar la calidad del producto, es decir, el permeado de la parte frontal de PV se separa del permeado de la cola, siendo este último de peor calidad. Existe un amplio abanico de posibilidades sobre el qué hacer con el fluido de permeado de mayor concentración. Ya que mezclarlo con el permeado de la parte trasera del tubo de presión implica un fluido de una concentración intermedia, cuando se podría tener uno de excelente calidad y otra de menor calidad. En el caso de que se decida obtener dos fluidos distintos, la cantidad extraída por cada uno de estos dos caudales de productos, puede regularse de forma activa con válvulas de control de flujo FCVs (Flow Control Valve) como se aprecia en la Figura 28. Figura 28. Funcionamiento de FCV [21]. La realización de un estudio sobre las posibles configuraciones y las características arrojó claridad sobre las múltiples configuraciones posibles con hasta 3 caudales distinto de permeados [21]. La justificación de este estudio y la influencia sobre el sistema global de colocar un divisor de corriente en el segundo paso se aprecia en la Figura 29, donde el rápido crecimiento de la concentración salina en el caudal de permeado que atraviesa la membrana queda de manifiesto. Figura 29. Aumento de la concentración en el permeado del segundo paso [22]. También se puede observar el descenso en el caudal de permeado conforme el fluido recorre la membrana como se aprecia en la siguiente Figura. 54 Figura 30. Evolución del caudal de permeado en el segundo paso [22]. Las dos últimas imágenes mostradas justifican la división del caudal permeado en el segundo paso, motivado por la gran diferencia de salinidad entre ambos caudales de productos. Lo que implicaría si no se separan el desperdicio de un pequeño caudal de altísima calidad. En la Figura 31 se aprecia una solución obtenida con un único caudal de producto tras un proceso de simplificación y minimización de consumo energético. 55 Figura 31. Posible configuración con un producto final [21]. En la anterior Figura, las tres configuraciones son alimentadas por un agua de mar de 35.000 ppm de concentración a 20 ºC, donde se obtiene un caudal de 120 m3/h con una concentración que varía entre 0,05 y 0,2 kg/m3. Las características de cada una de estas configuraciones ante las distintas exigencias de calidad en el producto se aprecian en la Tabla 7. 56 Tabla 7. Características de las configuraciones propuestas con un producto [21]. TDS en producto [kg/m3] 0,05 0,10 0,20 Tipo configuración Normal SPSP Normal SPSP Normal SPSP Layout a b a b a c Alimentación [m3/h] 240,7 234,9 234,7 232,7 232,2 232,1 Recuperación del sistema [%] 49,9 51,1 51,1 51,6 51,7 51,7 Presión en 1º paso [MPa] 6,59 6,90 6,90 6,90 6,90 6,87 Presión en paso 2 º[MPa] 1,14 1,18 1,10 1,24 1,16 1,41 Presión en 3º paso [MPa] 1,63 1,36 1,50 1,61 1,47 1,94 SEC [kWh/m3] 3,47 3,47 3,46 3,34 3,30 3,16 Notas: 1. La configuración “C” obtiene el menor valor de consumo de energía por m3 de caudal producido, además no requiere una mayor cantidad de agua de mar, lo que supondría elevar el coste en pre-tratamiento. Por el contrario, se obtiene una calidad de producto que puede quedar lejos de cumplir las legislaciones mas restrictivas. En la siguiente Figura se aprecia un desglose de costes para las concentraciones de 0,05 o 0,20 kg/m3 propuestas anteriormente. Figura 32. Desglose de costes en función de las membranas y configuración adoptada [21]. 57 Si el diseño buscado obtiene dos productos diferentes que no se mezclan como en el caso anterior, en la Figura 33 se aprecia una configuración estándar frente a otra con un Split Partial. Figura 33. Posible configuración con dos productos finales [21]. Las características del agua de mar de alimentación son las mismas que en el caso anterior, los criterios de calidad en el primer y segundo producto son 0,50 kg/m3 y 0,05 kg/m3 respectivamente. Tabla 8. Características de las configuraciones propuestas con dos productos [21]. Caudal en producto 1 [m3/h] 60 200 TDS en producto 1 [kg/m3] 0,1 0,1 Caudal en producto 2 [m3/h] 120 80 TDS en producto 2 [kg/m3] 0,5 0,5 Tipo configuración Normal SPSP Normal SPSP Layout a b a b Alimentación [ m3/h] 347,7 346,4 542,0 540,1 Recuperación del sistema [%] 51,8 52,0 51,7 51,9 Presión en 1º paso [MPa] 6,90 6,89 6,90 6,90 Presión en paso 2º [MPa] 1,03 1,19 1,17 1,27 Presión en 3º paso [MPa] 1,37 1,52 1,70 1,82 SEC [kWh/m3] 3,11 3,04 3,30 3,22 64 65 5 MÉTODO DE CÁLCULO DE PERMEABILIDADES l desarrollo de configuraciones alternativas e innovación en nuevos dispositivos requiere de la necesidad de mejorar las posibilidades de simulación de plantas, con el objetivo de predecir aquellas configuraciones que de verdad propongan valor añadido en el proceso productivo, bien sea a raíz de aumentar la producción o de reducir el consumo, y como ha quedado ya demostrado, para ello es necesario disponer de una caracterización completa de las membranas utilizadas. Para el estudio de membranas, se parte del modelo de comportamiento de los módulos de membrana explicado íntegramente por Arturo Buenaventura en la tesis bajo el título “Technological challenges of seawater desalination: analysis of future opportunities” [24]. Partiendo de los conceptos teóricos anteriores, se propone un método original de cálculo iterativo, cuya filosofía es buscar los valores de permeabilidad que minimicen la diferencia porcentual entre los valores aportados, ya sean estos obtenidos en bibliografías, simulados con otro software u obtenidos experimentalmente, frente a los valores calculados. Para comprobar en nivel de semejanza entre ambos métodos se estudiará la diferencia entre los valores aportados de forma externa “xi” y los valores calculados “yi”. Así como la diferencia porcentual r entre las variables de estudio. Las ecuaciones de diferencia porcentuales empleada en ambos casos se observa a continuación: 𝑟 =𝑥𝑖−𝑦𝑖 𝑥𝑖 (20) En la primera iteración, será necesario introducir valores de permeabilidad iniciales para que pueda realizarse de forma correcta la primera iteración, en caso de no disponer de tales datos, puede recurrirse a introducir valores típicos de permeabilidad y esperar que en los posteriores procesos de optimización se encuentren aquellos que mejor definen la membrana en cuestión. Una vez se han obtenido la primera parejas de valores, se va a proceder a realizar un estudio estadístico con el propósito de obtener valores de permeabilidad al agua y a las sales que minimiza la diferencia entre “xi” e “yi“, para lo cual se emplea el software SOLVER, haciendo uso del método de resolución “GRG no lineal” [24]. Este método se aplicará en primer lugar para la permeabilidad al agua, dejando constante la permeabilidad a las sales, debido a la dependencia mutua de estas variables. Una vez se localiza el óptimo para una de estas variables se procede de forma análoga con la segunda de estas. Para el cálculo de permeabilidades, se busca minimizar la diferencia entre el caudal permeado “xi” e “yi”. En este caso, debido a la predominancia de los elementos en cabeza, donde el caudal de permeado es mucho más intenso, se estudia la diferencia en los 5 primeros elementos, experimentalmente se observa que este criterio es el que mejores resultados aporta y por tanto, este criterio es el que se adopta. E 66 Con respecto a la permeabilidad a las sales, se trata de reducir la diferencia porcentual entre la concentración de permeado. Donde como se ha comentado anteriormente, el valor de r (%) será el objetivo para minimizar, obteniendo así los valores más parecidos posibles entre “xi” e “yi”. En las siguientes Figuras se resume de forma gráfica las estrategias para lograr los valores de permeabilidad que mejor definen a la membrana. Figura 42. Estrategia de cálculo de LW. Figura 43. Estrategia de cálculo de LS. Como puede intuirse, este proceso es cíclico, ya que la mejora en uno de los valores tiene una incidencia directa en el cálculo de la otra variable, por lo que ahora es posible obtener un valor de esta segunda variable mucho más favorable que en el primer ciclo de optimización. 67 La sensatez de los valores obtenidos y la capacidad de reproducción de los datos externos a partir de los valores de permeabilidad calculado ponen de manifiesto el correcto funcionamiento de los métodos de cálculos implementados y criterios adoptados. Motivo por el que se decide crear un software propio que se base en estos cálculos. Tal y como se explica en el siguiente punto. 68 69 6 HERRAMIENTA PARA CÁLCULO DE PERMEABILIDADES ese a la gran cantidad de softwares que se emplean hoy día para el diseño o cálculo de procesos de R.O., el objetivo último de este trabajo es el desarrollo de un software propio. Para el contraste de este se empleará el software ROSA, uno de los softwares más extendidos y usados en la industria de la desalación y que pese al paso del tiempo, continúa siendo una de las herramientas más empleados. Por ello, se ha realizado el desarrollo de un software propio en Visual Basic que ofrece los valores de permeabilidad al agua y sales a partir de los datos obtenidos en bibliografía, ofrecidos por otro software o datos experimentales obtenidos en un laboratorio. Guía de uso del software para cálculo de permeabilidades Los Datos requeridos en el software son: • Caudal de alimentación. • Presión de alimentación. • Temperatura de alimentación. • Caudal de permeado en cada uno de los elementos. • Concentración del caudal de permeado en cada uno de los elementos. • Presión del caudal de permeado. • Características físicas de la membrana. • Coeficiente de ensuciamiento. P “La simplicidad es la máxima sofisticación” Leonardo da Vinci 70 Mientras que los datos de salida son la permeabilidad al agua y a las sales de la membrana. Así como la generación automática de gráficas que comparan los datos de caudal permeado y concentración de este caudal aportados con los calculados a partir de los valores de permeabilidad calculados. El software desarrollado visto desde una hoja EXCEL tiene el aspecto que se observa en la Figura 44: Figura 44. Aspecto de software de cálculo de permeabilidades. Como se aprecia en la Figura 44, a la herramienta desarrollada se le puede alimentar con datos de hasta 5 ensayos distintos, obviamente todos ellos empleando la misma membrana, el propósito de esto es que se puedan obtener datos de la membrana en distintas condiciones de funcionamiento, así los valores de permeabilidades ofrecidos serán aquellos que mejor se ajustan a todas las condiciones bajo estudio. Se recomienda la introducción de datos en distintas condiciones para obtener de esta manera una información más contrastada. Las casillas en color verde son aquellas que son obligatorio rellenar, aunque no es necesario que sean siempre 10 módulos de membrana en serie, en este aspecto no existen restricciones y el proceso de optimización se realizará independientemente del número de elementos existentes. Para el correcto desarrollo del proceso es necesario introducir un valor de permeabilidad al agua y a las sales en las casillas naranjas, en el caso de que se desconozcan estos valores se pueden introducir de forma azarosa, teniendo siempre en cuenta el orden de magnitud de dichas variables. Una vez alimentado de forma correcta el software, ya se puede comenzar con el proceso de iteración. 71 Es posible empezar ajustando cualquiera de los dos valores pulsando el botón de “Ajustar LW” o “Ajustar LS”. Tras esto, aparece una ventana auxiliar que informa sobre si se ha encontrado una solución al problema, y se ofrece al usuario la posibilidad de mantener el antiguo valor de esta variable o sustituirlo por el nuevo, típicamente se sustituirá. También se ofrece al usuario la posibilidad de generar informe de sensibilidad y otras opciones en caso de que se requiera más información. Cuando se ha obtenido un valor para una de las dos permeabilidades, se actúa de forma análoga con la restante. Una vez ajustada las dos, las condiciones iniciales del problema han cambiado, por lo que el proceso se repite de forma cíclica hasta que las soluciones ofrecidas por el software no disten de las existentes en el ciclo anterior. Una vez finalizado el proceso, se han obtenido los valores de permeabilidad al agua y sales que minimizan la diferencia entre los valores aportados y los calculados, de acuerdo con las ecuaciones de transporte. Finalmente, en la parte de la derecha se localizan numerosas gráficas que comparan los datos aportados y calculados, lo cual ofrece información al usuario sobre las posibles discrepancias existentes. 72 Ejemplo de aplicación A continuación, se realiza una comparación para una membrana de cada una de las principales familias del mercado de un fabricante entre el modelo propuesto y la solución aportada por ROSA. Así, los elementos de membranas bajo estudio son: • SW30XHR-440i. • SW30XLE-440i. • SW30ULE-440i. La comparación se realiza para un agua de mar de las Islas Canarias, con un TDS de 37.128,32 mg/L y un pH de 7,5. En la siguiente Tabla se puedes apreciar todos los iones que conforman la concentración salina de dicha agua de mar. Tabla 11. Composición del agua de las Islas Canarias. (Instituto Tecnológico de Canarias). NH4 0,08 mg/L HCO3 158,60 mg/L K 438,00 mg/L NO3 6,10 mg/L Na 11.080,01 mg/L Cl 20.926,31 mg/L Mg 1.486,00 mg/L F 1,71 mg/L Ca 558,00 mg/L SO4 2.400,00 mg/L Sr 0,12 mg/L SiO2 34,00 mg/L CO3 5,53 mg/L H3BO3 30,31 mg/L El estudio se realiza con una corriente de alimentación a 20ºC, una superficie activa de 40,9 m2 y un factor de flujo típico de 0,85. Se escoge una configuración formada por un único tubo de presión, compuesto por 7 elementos de la misma membrana, con distintos valores de caudal de alimentación y una tasa de recuperación del 45%. Se realiza en primer lugar un estudio de la membrana SW30XHR 440i en 3 situaciones distintas, como se muestra en la Tabla 12. Tabla 12. Casos de estudio para validar método de cálculo. Caso Qf [m3/h] r [%] 1 6 45 2 8 45 3 10 45 73 Mediante ROSA, se obtiene el caudal permeado para la membrana SW30XHR-440i en las tres condiciones de caudal comentadas con anterioridad, como se observa en la Figura 45. Figura 45 Caudal de permeado para la membrana bajo los casos de estudio. A continuación, basándose en las ecuaciones de transferencia de masa explicadas en el punto 2. Conceptos previos, se tratará de obtener unos valores de permeabilidad al agua y sales que minimice la diferencia entre los valores aportados por el programa ROSA (xi) y los calculados mediante el método de cálculo propuesto (yi). El algoritmo implementado trata de minimizar la diferencia entre los valores aportados por ROSA y los valores calculados. Tratando de reducir la diferencia para cada elemento entre los caudales de agua permeada y la concentración de estos. Los resultados obtenidos por ROSA para el primero de los casos se muestran en la siguiente Tabla: Tabla 13 Resultados de ROSA caso 1 y membrana SW30ZHR 440i. Elemento Conversión Caudal de Permeado [m³/h] STD Permeado [mg/L] Caudal de Alimentación [m³/h] STD Alimentación [mg/L] Presión de Alimentación [bar] 1 0,13 0,77 85,95 6,00 37.124,78 52,28 2 0,12 0,61 120,16 5,23 42.546,31 52,13 3 0,10 0,46 172,33 4,63 48.124,31 52,00 4 0,08 0,34 252,18 4,16 53.446,93 51,89 5 0,06 0,24 373,32 3,83 58.140,01 51,80 6 0,05 0,17 553,42 3,59 61.994,08 51,71 7 0,04 0,12 788,29 3,42 64.990,96 51,63 Obteniéndose un caudal total de permeado de 2,71 m3/h. 80 Figura 53. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 2, SW30XLE-440i. Figura 54. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 3, SW30XLE-440i. 81 Figura 55. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 1, SW30XLE-440i. Figura 56. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 2, SW30XLE-440i. 82 Figura 57. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 3, SW30XLE-440i. Por último, se realiza el mismo estudio para la membrana SW30ULE-440i. Tabla 20. Resultado de cada una de las iteraciones, casos 1,2 y 3, SW30ULE-440i. LW [L/(m2 h bar)] Ls [L/(m2 h)] 1º iteración 1,7600 0,0760 2º iteración 1,4970 0,0811 3º iteración 1,4992 0,0811 Como en los casos anteriores, se muestran las Figuras que justifican la validez de los valores calculados. 83 Figura 58. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 1, SW30ULE -440i. Figura 59. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 2, SW30ULE -440i. 84 Figura 60. Valores de caudal permeado xi e yi, caso 3, SW30ULE -440i. Figura 61. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 1, SW30ULE -440i. 85 Figura 62. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 2, SW30ULE -440i. Figura 63. Valores de concentración permeado xi e yi, caso 3, SW30ULE -440i. 86 87 7 HERRAMIENTA DE USO INDUSTRIAL PARA CÁLCULO DE PERMEABILIDADES a herramienta mostrada anteriormente trata de asimilar elemento a elemento cada uno de los parámetros de estudio. Con el objeto de obtener valores de permeabilidad que minimicen las diferencias entre los valores teóricos y experimentales. El gran problema del software desarrollado en el punto anterior es la obtención de datos, si estos se obtienen de otro software no existe problema, pero si se tratan de obtener de un caso real puede resultar imposible obtener los datos de permeabilidad y concentración de dicho caudal en cada una de las membranas si no es en un laboratorio especializado. Es por ello por lo que se desarrolla un segundo software, con la misma misión que el primero pero afrontando el proceso de cálculo con una filosofía totalmente distinta. El método de cálculo propuesto solo necesita como datos de entrada aquella información que puede recopilarse aguas arriba y aguas debajo de la membrana, siendo esta: • Caudal de alimentación. • Presión de alimentación. • Concentración de alimentación. • Caudal de permeado. • Concentración de permeado. • Datos físicos de la membrana. L “La simplicidad es la máxima sofisticación” Leonardo da Vinci 88 Método de cálculo del software de uso industrial para cálculo de permeabilidades En el caso más probable en el cual únicamente se conocen los datos de entrada y salida, solo se puede aspirar a que el caudal total permeado sea el mismo, sin entrar a valorar si este se produce con más intensidad en los elementos de la cabeza o de forma más homogénea, cosa que si se consigue con el software estándar de cálculo de permeabilidades. Los valores de caudal permeado se recalcularán en cada iteración y para cada uno de los ciclos se evalúa el valor de permeabilidad que minimiza la diferencia del caudal total permeado con el caso real que se trata de caracterizar. Este es la principal diferencia con la aplicación anterior, en la cual se trataba de minimizar la diferencia entre cada uno de los elementos, con el objeto de representar mejor el caso bajo estudio, ahora, con los datos aportados exclusivamente de entrada y salida, lo máximo a lo que se puede aspirar es a minimizar la diferencia total de caudal permeado y la concentración de este. Una vez ejecutado un ciclo, se obtiene un valor de permeabilidad al agua que mejor resultado ofrece y se recalcula el caudal permeado para este nuevo valor de permeabilidad, tras esto, el usuario del software se encuentra de nuevo en el punto de partida por lo que puede realizar un nuevo ciclo. El proceso finaliza una vez se estabiliza el valor de permeabilidad al agua ofrecido para un valor de permeabilidad a las sales calculado. La estrategia para seguir de este software se observa en la Figura 64. Figura 64. Estrategia de cálculo de permeabilidad en software de uso industrial. 89 Mientras que la estrategia para el cálculo de la concentración sigue siendo la misma. Figura 65. Estrategia de cálculo de permeabilidad en software de uso industrial. 96 Con todos los conceptos teóricos explicados hasta ahora, es conocido que las dos últimas presiones antes comentadas suponen un hándicap al proceso de ósmosis inversa, ya que la presión del caudal permeado disminuye el valor de NDP, mientras que una elevada presión del concentrado a la salida del sistema de recuperación de energía afecta al funcionamiento de este. Finalmente, si los datos introducidos son congruentes y dentro de rango, se ofrece una solución detallada de cada elemento involucrado, así como el consumo energético de cualquier cuerpo de presión y el consumo específico global. En resumen, esta aplicación ofrece al usuario una gran versatilidad a la hora de simular qué está ocurriendo en una configuración dada, la flexibilidad a la hora de seleccionar la membrana en cada elemento aportando como información los valores de permeabilidad es la principal innovación de este software frente a los simuladores de plantas que existen en el mercado. Además, pueden alargarse las series de membranas hasta 10. 97 Método de cálculo de la simulación El método de cálculo se basa en las ecuaciones y conceptos expuestos en el punto 2. Conceptos previos, todo ello integrado dentro del módulo principal, el cual depende a su vez de multitud de módulos secundarios o funciones definidas que calculan de forma paralela las propiedades termodinámicas de cada elemento o de las características del módulo de recuperación de energía. La forma en la que se almacena la información en el software para cada membrana es en una matriz, de forma que cada fila representa un elemento de dicha membrana y cada columna una propiedad distinta, así, la alimentación de cada una de las filas es la fila calculada anteriormente, mientras que para la primera fila son las propiedades de diseño especificadas por el usuario. A la hora de resolver, en la primera iteración se parte de unos valores constantes de caudal permeado, estos cuales están integrados dentro del software, a cada iteración, estos valores se recalculan y se pisan los valores de la iteración anterior, de manera que en cada uno de los ciclos se realizan los cálculos a partir del caudal de permeado obtenido en el ciclo anterior, siendo el caudal de permeado la última variable a calcular. Se comprueba que con 5 iteraciones es más que suficiente para obtener soluciones estables incluso en las condiciones más exigentes. La estrategia seguida en el cálculo de las propiedades en cada una de las membranas se observa en la siguiente Figura: Figura 70. Estrategia de cálculo software de simulación. Una vez se tiene caracterizada una membrana, la salida de esta es la entrada de la siguiente, en caso de que exista una segunda etapa, la posibilidad de añadir una bomba entre medias de ambos cuerpos de membrana modificada la lectura de la entrada a este segundo cuerpo. 98 En cuanto al dispositivo de aprovechamiento energético, es necesario conocer la eficiencia, la relación de caudales y la presión mínima a la que se requiere el caudal de concentrado a la salida de este. Finalmente se calcula el consumo de las bombas, ya que es necesario tener totalmente caracterizado el sistema de recuperación de energía para calcular el caudal que atraviesa la bomba de alta presión. 99 Guía de uso del software de simulación de plantas El aspecto al iniciar este software es el que se observa en la siguiente Figura Figura 71. Aspecto del software de simulación. Como se aprecia en la Figura anterior, aparecen un total de 5 botones distintos. • Nuevo proyecto. • Pestaña 1. • Pestaña 2. • Pestaña 3. • Resolución. En estas sucesivas pestañas se introducen los datos de diseño, estos son: • Caudal, concentración, temperatura y presión del agua de mar disponible. • Número de elementos del primer paso. • Coeficiente de ensuciamiento y rendimiento mecánico de las bombas. • Presión a la salida de la bomba de alta presión. • Si existe una segunda etapa, en cuyo caso, si hay una bomba a la entrada de esta y la presión hasta la que eleva el concentrado, los números de elementos de esta segunda etapa y las membranas de estos. • Si existen dispositivos de recuperación de energía, si así fuera, la eficiencia de estos, la relación de caudales y la presión de salida del concentrado. 100 Cada vez que se desee realizar una nueva simulación o cambiar alguno de los parámetros será necesario reiniciar el proyecto, el orden en el que se rellenan las pestañas debe de ser el orden lógico y si procede, se permitirá al usuario continuar, en caso contrario, se informará con pestañas auxiliares sobre el motivo del error. La aparición de mensajes de advertencias o alertas en pestañas auxiliares obedece a valores introducidos fuera de rango del software desarrollado o incongruentes. Rellenadas las 3 pestañas, siempre en orden lógico, se llega a una situación como la que se observa en la Figura 72. Figura 72. Información a rellenar software simulación. A continuación, es necesario informar sobre las membranas instaladas en cada uno de los elementos, en la parte señalada de la derecha se añade la siguiente información sobre las membranas involucradas: • Nombre de la membrana. • Coeficientes de permeabilidad. • Área. • Coeficientes de pérdida de carga. Después, en la zona marcada de la izquierda se selecciona sobre la lista desplegable la membrana involucrada en cada elemento. Finalmente, se pulsa Resolución para obtener la solución de problema. Si se han podido realizar los cálculos de forma satisfactoria aparece una ventana auxiliar con el mensaje de “¡Cálculo completado!”. 101 [Capte la atención de los lectores mediante una cita importante extraída del documento o utilice este espacio para resaltar un punto clave. Para colocar el cuadro de texto en cualquier lugar de la página, solo tiene que arrastrarlo.] 1 2 3 Si en el proceso de cálculo se han detectado valores anormales, especialmente en la cola de las membranas donde el flujo de permeado puede incluso invertirse en algunos casos, aparecerá una segunda ventana auxiliar informando sobre esto. Todo ello con el objetivo de otorgar al usuario la máxima autonomía a la hora de toma de decisiones. En la parte inferior de la hoja de campo aparece la solución a nuestro problema, tal y como se observa en la Figura 73. Figura 73. Solución obtenida en software de simulación. De la Figura anterior se distingue: 1. Resumen de la información de membrana elemento a elemento. 2. Información resumida del proceso. 3. Resumen detallado de la información de membrana elemento a elemento. Como se comentó anteriormente, si se desea realizar un estudio de una nueva configuración por supuesto que es necesario reiniciar el programa, pero aún en los casos en los que se desee realizar una pequeña modificación, se recomienda por parte del programador el reinicio del software pulsando el botón en cuestión. 102 Ejemplo de aplicación del software de simulación Finalmente, se va a realizar una serie de comparaciones entre los valores arrojados por el software ROSA y los ofrecidos por la aplicación desarrollada, con objeto de contrastar la herramienta desarrollada en diferentes escenarios. Los parámetros de diseño en el primer escenario son: Tabla 22. Valores de diseño en escenario 1, software de simulación. QF 10 m3/h SF 37.124,78 ppm T 20 ºC PHPP 60,25 bar f 0,85 Nº elementos 7 Pp 0 Bar ERD ERI-PX ηbombas 0,9 Membrana SW30HRLE-440i LW4 0,94 [L/(m2 h bar)] LS5 0,040 [L/(m2 h)] Área 40,9 m2 Con todos estos datos de entrada se obtienen los siguientes datos en ROSA: Tabla 23. Valores de ROSA, escenario software simulación. Elemento Conversión Caudal de Permeado [m³/h] STD Permeado [mg/L] Caudal de Alimentación [m³/h] STD Alimentación [mg/L] Presión de Alimentación [bar] 1 0,10 1,03 63,50 10,00 37124,78 60,25 2 0,10 0,89 80,28 8,97 41387,77 59,92 3 0,09 0,76 103,23 8,07 45963,28 59,64 4 0,09 0,62 134,91 7,32 50704,14 59,4 5 0,07 0,50 178,93 6,69 55412,76 59,19 6 0,06 0,39 240,18 6,19 59875,14 59,00 7 0,05 0,30 324,83 5,80 63908,42 58,83 Mientras que la aplicación desarrollada ofrece los siguientes datos. 4 Valor calculado a partir del software de cálculo de permeabilidades. 5 Valor calculado a partir del software de cálculo de permeabilidades. 103 Tabla 24. Valores del software de aplicación, escenario de uso. Elemento Conversión Caudal de Permeado [m³/h] STD Permeado [mg/L] Caudal de Alimentación [m³/h] STD Alimentación [mg/L] Presión de Alimentación [bar] 1 0,10 0,99 61,18 10,00 37.140,00 60,25 2 0,10 0,87 77,63 9,01 41.230,30 59,84 3 0,09 0,74 100,75 8,14 45.628,10 59,47 4 0,08 0,62 133,55 7,40 50.194,64 59,13 5 0,07 0,50 180,04 6,78 54.738,75 58,81 6 0,06 0,39 245,15 6,28 59.048,39 58,52 7 0,05 0,30 336,80 5,89 62.933,68 58,24 Comparando los resultados de caudal permeado elemento a elemento se obtienen los valores que se observan en la Tabla 25. Tabla 25. Comparación del caudal permeado. Elemento ROSA Qp [m3 /h] Aplicación Qp [m3 /h] Diferencia 1 1,03 0,99 3,54% 2 0,89 0,87 2,30% 3 0,76 0,74 2,40% 4 0,62 0,62 0,74% 5 0,50 0,50 0,73% 6 0,39 0,39 0,15% 7 0,30 0,30 0,28% De igual forma, se puede comparar los valores de concentración en el caudal permeado. Tabla 26. Comparación de la concentración en el caudal permeado. Elemento ROSA Qp [m3 /h] Aplicación Qp [m3 /h] Diferencia 1 63,50 61,18 3,65% 2 80,28 77,63 3,30% 3 103,23 100,75 2,40% 4 134,91 133,55 1,01% 5 178,93 180,04 0,62% 6 240,18 245,15 2,07% 7 324,83 336,8 3,69% 104 Como se observa, en ambos parámetros se obtienen valores prácticamente idénticos, con un error medio menor al 2%, cabe señalar que este error es fruto tanto del software que se está testando como del software de cálculo de permeabilidades, el cual se emplea para obtener los valores que definen las membranas empleadas. Además, estas diferencias se obtienen en valores absolutos, por lo que en el caudal permeado total es de esperar un valor de error aún menor por compensación en diferentes elementos, en la siguiente Figura se puede apreciar los caudales permeados calculados y los obtenidos por ROSA. Figura 74. Comparación de resultados, escenario 1. En la Tabla 27 se observa la solución al problema planteado. Tabla 27. Comparación resultados escenario 1, software simulación. ROSA Aplicación Diferencia Consumo bombas [kW] 18,70 18,79 0,48% Qp [m3 /h] 4,50 4,41 2,00% Concentración Qp [ppm] 129,17 129,57 0,31% SEC [kW h / m3] 4,16 4,27 2,64% Como se puede apreciar, los valores que se obtienen apenas tienen una discrepancia del 2% en la práctica totalidad de los parámetros, este resultado justifica la aplicación desarrollada. La cual discrepa en un porcentaje mínimo frente al software más utilizado hoy día en desalación. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 012345678 Caudal permeado [m3/h] Elemento Valor teórico frente al calculado Valores teóricos Valores calculados 105 A continuación, se va a analizar otro escenario en un sistema de configuración mucho más complejo con el que se justifica la aplicación en estos casos también. En este segundo escenario se cuenta con una segunda etapa, las propiedades de diseño se aprecian en la Tabla 28. Tabla 28. Valores de diseño en escenario 2, software de simulación. QF 13 m3/h SF 37.124,78 ppm T 20 ºC PHPP 57,66 bar P2º bomba 57,79 bar f 0,85 Nº elementos paso 7 Nº elementos etapa 7 Pp 0 bar ERD ERI-PX ηbombas 0.9 Membranapaso SW30HRLE-440i Membranaetapa SW30HRLE-440i LW6 0,94 [L/(m2 h bar)] LS7 0,040 [L/(m2 h)] Área 40.9 m2 6 Valor calculado a partir del software de cálculo de permeabilidades. 7 Valor calculado a partir del software de cálculo de permeabilidades. 112 De igual forma, con un coeficiente de permeabilidad al agua de 1 L/(m2 h bar) la dependencia del consumo específico con la permeabilidad a las sales de aprecia en la siguiente Figura. Figura 80. Influencia en el consumo específico de permeabilidad a las sales. En la anterior Figura se aprecia como un menor valor de permeabilidad a las sales se traduce en un mayor consumo de energía específica, aunque el caudal permeado tiene una concentración mucho menor, en ambos casos, la dependencia existente es lineal. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1,82 1,83 1,83 1,84 1,84 1,85 1,85 1,86 0,02 0,03 0,04 0,05 Concentración del caudal permeado [ppm] SEC [(kW h) / m3] Coeficiende permeabilidad a las sales [L/(m2h)] Influencia de la permeabilidad al agua a en consumo específico SEC Concentración a las sales 113 Influencia número de elementos Por último, se va a analizar la transcendencia en el número de elementos en una membrana bajo las mismas condiciones que viene siendo normal en este estudio. Dicha dependencia se aprecia en la siguiente Figura. Figura 81. Influencia en el consumo específico del número de elementos. Se observa en la anterior Figura como para el número de elementos que se viene empleando de forma constante como el valor predeterminado en este documento es ese para el cual se cruzan ambas rectas, número a partir del cual el incremento del consumo específico supera el incremento del caudal permeado que se produce en la cola de la membrana. 114 115 10 TRABAJOS FUTUROS as tres herramientas propuestas se han desarrollado desde cero, lo que implica que lo presentado anteriormente corresponde a la primera versión. Esto significa que pese a las numerosas pruebas realizadas y casos analizados, hasta que no se emplee de forma generalizada por terceras personas ajenas al programador no se podrá comprobar la idoneidad de dichas aplicaciones, por lo que en un futuro cercano, se deja abierta la puerta a posibles modificaciones tanto por parte del autor como por terceras personas, siempre y cuando se respeten los derechos de propiedad intelectual. Además de las modificaciones motivadas por el feedback previsible, quedan pendientes posibilidades de mejora a las herramientas planteadas, las cuales se numeran a continuación: • Crear una biblioteca de funciones para poder exportar en cualquier libro EXCEL. • En cuanto a los dos softwares de cálculo de permeabilidad: ➢ Incluir el cálculo de los coeficientes que definen la pérdida de presión. ➢ Ofrecer la posibilidad de elegir las unidades al usuario. • Relativo al software de simulación, ➢ Incorporar el cálculo de un segundo paso, el cual es alimentado por el caudal permeado de la membrana anterior. ➢ Añadir la posibilidad de recirculación de parte del permeado con el objeto de disminuir la concentración del agua de mar. ➢ Incluir representación gráfica de las configuraciones propuestas por el usuario. ➢ Ofrecer la posibilidad de elegir las unidades al usuario. ➢ Incluir Pressure Retarded Osmosis (PRO) como método de recuperación energética. ➢ Añadir estudio económico. L 116 Estas son algunos de los pasos que podrían seguirse en una nueva versión de los softwares desarrollados. No obstante, la rápida evolución que está experimentando esta industria hace difícil predecir las necesidades reales de las plantas en un futuro cercano, por lo que las herramientas de diseño deben de ser lo más flexibles posibles, en favor de una mejor adaptación a los cambios continuos de estas plantas. De igual forma, las herramientas desarrolladas podrían ser adaptadas para un seguimiento continuo por parte de un industrial, recibiendo el programa como datos información en continuo de los parámetros a monitorizar, tales como los caudales o presiones a la entrada y salida de la membrana para calcular el factor de ensuciamiento de forma continua, aportando así información sobre el estado real de salud de las membranas instaladas. 117 11 CONCLUSIONES omo se ha podido apreciar en la primera parte de este documento, todas las instalaciones destinadas a la desalación de agua de mar están experimentando procesos de cambios, así como las de nueva construcción se parecen cada vez menos a las instalaciones que se construían solo unas décadas atrás. La necesidad de mejorar el proceso de simulación de dichas plantas, con el enfoque puesto en el ahorro energético es el motivo principal de este trabajo, por lo que el desarrollo de una herramienta flexible, cómoda para el usuario y precisa es la motivación de este trabajo, persiguiendo de forma constante conseguir simular el proceso de ósmosis inversa de una forma lo más parecida posible al fenómeno físico real que se da en las membranas. Las conclusiones que pueden extraerse de un trabajo como este no son otras que las de una valoración sobre los diferentes softwares desarrollados, recopilando todo lo explicado anteriormente, las aplicaciones desarrolladas son: 1. Software de cálculo de permeabilidades. 2. Software de uso industrial para cálculo de permeabilidades. 3. Software de simulación de plantas. El primero de estos softwares está destinado para un uso académico o de laboratorio debido a la cantidad de datos necesarios para caracterizar la membrana, lo que implica un gran número de horas de trabajo y de material específico que deben destinarse para la obtención de tales datos. La razón que puede empujar a emplear una herramienta como esta es el deseo de caracterizar una membrana, es decir, obtener el valor de permeabilidad al agua y a las sales que mejor representa el fenómeno bajo estudio. La segunda herramienta está destinado a un uso industrial, tiene la misma motivación que la primera pero con una menor necesidad de obtención de datos del proceso bajo estudio, lo cual la hace idónea para una aplicación industrial, ya que conociendo los parámetros de los caudales a la entrada y salida de la membrana se consigue una caracterización de la membrana. C 118 Los datos requeridos pueden obtenerse con un par de caudalímetros y manómetros a la entrada y salida de las membranas, así como un termómetro a la entrada. La tercera y última de las herramientas es un simulador de plantas, donde partiendo de los caudales de entrada al proceso y con los datos que definen cada uno de los elementos que participan en el proceso puede obtenerse las condiciones de los fluidos de salida, así como el consumo energético de la configuración propuesta. Esta tercera herramienta puede ser empleada tanto por un industrial que conoce los fluidos de los que dispone y desea probar aquella configuración que mejor se adapta a su proceso, como desde un punto de vista teórico en el desarrollo de patentes o búsqueda de nuevas disposiciones que supongan un ahorro. También se ofrece la posibilidad de estudiar que membrana se adapta mejor al proceso, permitiendo experimentar con cualquier valor de permeabilidad. Por supuesto, estas tres herramientas pueden emplearse de forma conjunta. Desde el punto de vista del industrial, se puede realizar un estudio sobre los valores de permeabilidad al agua y las sales de aquellas membranas que ya tenga instaladas mediante la segunda herramienta, y utilizar esos datos como alimentación en la tercera herramienta, para estudiar las posibilidades de retrofit de las que dispone o si debiera realizarse un cambio en el tipo de membrana que emplea. También puede emplear la segunda herramienta de forma continua para analizar los cambios en las permeabilidades de las membranas instaladas. De igual forma, en un uso teórico puede emplearse la primera herramienta a partir de los datos de laboratorio o de los datos obtenidos en otro software como ROSA para obtener unos valores de permeabilidad al agua y las sales, y proceder a continuación con la tercera para estudiar la configuración que mejor se acerque a los intereses buscados. Como se comentó extensamente, las diferencias entre la solución ofrecida por los softwares desarrollados y la solución aportada por un software como ROSA apenas dista de un 4% en el peor de los escenarios posibles y empleando para el cálculo dos de las herramientas desarrolladas, por lo que se puede concluir que se ha logrado desarrollar una herramienta muy precisa en la que simular multitud de escenarios. Las principales características de los tres softwares son: • Flexibles. • Rápidos. • Trazables. • Sencillos de usar por parte del usuario. 119 Para finalizar, se considera que las herramientas desarrolladas pueden aportar luz en un momento de continuo cambio en el que las innovaciones en las configuraciones reclaman de aplicaciones flexibles donde testar las nuevas propuestas. El lenguaje de programación elegido es Visual Basic, la razón de esto es principalmente que el software sobre la que se emplea es EXCEL, sin lugar a duda, la herramienta más empleada hoy día en cualquier empresa y por cualquier profesional, lo que significa un mayor público potencial de uso de esta herramienta, principalmente en el ámbito académico. 120 121 Anexo I. Cálculo de Propiedades termodinámicas A continuación, se muestran la forma de cálculo empleada para la obtención de las principales propiedades termodinámicas empleadas de acuerdo con [9]. la cual se ha implementado en VBA, Function Densidad_con_presion(T, S, P) a1 = 9,999 * 10 ^ 2 a2 = 2,034 * 10 ^ (-2) a3 = -6,162 * 10 ^ (-3) a4 = 2,261 * 10 ^ (-5) a5 = -4,657 * 10 ^ (-8) b1 = 8,02 * 10 ^ 2 b2 = -2,001 b3 = 1,677 * 10 ^ (-2) b4 = -3,06 * 10 ^ (-5) b5 = -1,613 * 10 ^ (-5) P0 = 0,101 S = S / 1000 Densinpresion = (a1 + a2 * T + a3 * T ^ 2 + a4 * T ^ 3 + a5 * T ^ 4) + (b1 * S + b2 * S * T + b3 * S * T ^ 2 + b4 * S * T ^ 3 + b5 * S ^ 2 * T ^ 2) c1 = 5,0792 * 10 ^ (-4) c2 = -3,4168 * 10 ^ (-6) c3 = 5,6931 * 10 ^ (-8) c4 = -3,7263 * 10 ^ (-10) c5 = 1,4465 * 10 ^ (-12) c6 = -1,7058 * 10 ^ (-15) c7 = -1,3389 * 10 ^ (-6) c8 = 4,8603 * 10 ^ (-9) 128 [21] L. X. Y. L. S. Z. Y. X. Yawei Du, «Optimizaton of reverse osmosis networks with split partial second pass design,» Desalination, vol. 365, pp. 365-380, 2015. [22] R. B. C. B. Stefan Rybar, «Split partial second pass design for SWRO plants,» Desalination, 2010. [23] S. H. Jungbin Kim, «A novel single-pass reverse osmosis configuration for high-purity water production and low energy consumption in seawater desalination,» Desalination, vol. 429, pp. 142- 154, 2018. [24] SOLVER. [En línea]. Available: https://www.solver.com/excel-solver-grg-nonlinear-solving- method-stopping-conditions. [Último acceso: 02 04 2019]. [25] A. B. Pouyfaucon, «Technological challenges of seawater desalination: analysis of future opportunities.,» Universidad de Sevilla, ETSI., 15/03/2019.