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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Fundamentos de la evaporación al vacío

Secciones

Definición

La evaporación al vacío es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución mediante la eliminación del solvente por ebullición. En este caso, se lleva a cabo a una presión inferior a la atmosférica. Así, la temperatura de ebullición es sustancialmente inferior a la correspondiente a presión atmosférica, lo que conlleva un gran ahorro energético.

La evaporación al vacío supone un gran avance en el tratamiento de efluentes líquidos, permitiendo de forma eficiente, limpia, segura y compacta tratar efluentes que mediantes técnicas fisicoquímicas o biológicas no es viable.

Algunas de las ventajas y posibilidades que presenta la evaporación al vacío:

  • Reducción drástica del volumen de residuo líquido (lo que supone ahorro en gestión de residuos)
  • Concentración de residuos corrosivos o incrustantes
  • Reutilización del agua recuperada
  • Implementación de sistemas de vertido cero
Evaporador al vacio - Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación es una operación controlada únicamente por la velocidad de transferencia de calor

Factores de los que depende la velocidad de evaporación

  1. Diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

    La temperatura de ebullición del líquido a evaporar va aumentando a medida que se va concentrando. No obstante, al operar en condiciones de vacío, la diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar se amplía, ya que la temperatura de ebullición de la mezcla es muy inferior a la correspondiente a presión atmosférica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la velocidad de evaporación.

  2. Área de intercambio

    El área de intercambio efectiva depende de la geometría del equipo y de fenómenos inherentes a la concentración de la disolución, como es el caso de la deposición de sólidos o de incrustaciones sobre la superficie de intercambio. A mayor área, mayor capacidad de intercambio de calor y mayor velocidad de evaporación.

  3. Coeficiente global de transferencia de calor (U)

    Este coeficiente depende de las propiedades físicas de los fluidos que intervienen (agente calefactor y líquido a evaporar), del material de la pared en la que se produce el intercambio de calor, del diseño y geometría del equipo, así como de los parámetros de flujo (velocidades de circulación de los fluidos, etc.). Cuanto más grande sea este coeficiente, mayor facilidad tiene el equipo para intercambiar calor.

  4. Propiedades del líquido a evaporar

    La viscosidad, la posibilidad de formación de espumas, su capacidad de corroer, etc. influyen a la práctica en la velocidad de transferencia de calor.

Parámetros

El parámetro clave del diseño de un evaporador es el área de intercambio necesaria para la evaporación. Para calcular esta área, se deben plantear balances de materia y energía. Para el caso de un evaporador en el que se alimenta una corriente F y se extraen dos corrientes, la de concentrado S y la de destilado E, como el de la figura:

Parámetros de la evaporación en vacío

Parámetros en la evaporación al vacío

Se pueden plantar estos balances de materia y energía:

Balance de materia global

F = E + S
V = C

Balance de materia para el soluto

F x F = S x S

Balances de energía:

V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = U A ΔT

  • Q: caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador.
  • U: el coeficiente global de transferencia de calor.
  • A: el área necesaria para la evaporación
  • ΔT: la diferencia de temperaturas entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

Uno de los elementos que establece diferencias importantes de funcionamiento entre los tipos de evaporadores al vacío es la tecnología que utilizan para calentar el efluente a evaporar, aspecto que determina los costes de operación.

Así, podemos encontrar los siguientes:

Tipos de evaporadores

Los evaporadores al vacío permiten tratar una corriente residual acuosa de forma eficiente, sencilla y sin utilización de reactivos. Son altamente eficaces incluso cuando las tecnologías convencionales no son viables. El hecho de trabajar en condiciones de vacío permite reducir la temperatura de ebullición, por lo que se reduce el consumo energético. Además, se puede concentrar un efluente residual tanto como se desee de forma eficiente y sencilla, llegando a obtener un vertido cero si se requiere.

A modo de resumen cabe destacar que la evaporación al vacío permite el tratamiento de efluentes que por su composición, por sus características o por su complejidad de gestión no pueden ser tratados mediante técnicas fisicoquímicas convencionales. Su consumo energético contenido, hace posible reducir severamente el volumen de residuos, recuperar un gran caudal de agua para su reutilización e incluso implantar un sistema de vertido cero con un coste económico realmente asumible. Permiten obtener más de un 95% de agua limpia y una concentración de residuos, que pueden ser reaprovechados o vendidos como materia prima.

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Evaporadores al vacío por bomba de calor

El funcionamiento de este sistema se basa en el ciclo frigorífico de un gas, el cual se encuentra en un circuito cerrado. El gas frigorífico se comprime mediante la acción de un compresor aumentando su presión y temperatura. Circula a través del intercambiador de calor del propio evaporador, calentando el alimento.

Al trabajar al vacío, la temperatura de ebullición es del orden de 40 ºC. El líquido refrigerante abandona el intercambiador del evaporador y, mediante una válvula de expansión, se descomprime y enfría. Al pasar por un segundo intercambiador de calor, el condensador, hace que el vapor formado en el evaporador condense, a la vez que aumenta su temperatura justo antes de volver a pasar por el compresor y repetir así el ciclo.

El mismo fluido refrigerante permite evaporar el alimento así como condensar el vapor generado, por lo que el sistema no precisa de otras fuentes ni de calor ni de refrigeración. Este hecho hace que sea un proceso muy ventajoso desde el punto de vista económico y de gestión. Cuentan, además, con un bajo coste de mantenimiento y están totalmente automatizadas, y aseguran una calidad constante del destilado al proporcionar una separación total de metales y surfactantes. Estos evaporadores también disponen de un sistema de control de espuma.

Es una tecnología es idónea para tratar caudales no elevados de líquidos corrosivos, incrustantes o viscosos. Su funcionamiento puede suponer un consumo de energía de 130-170 kWh por metro cúbico de destilado. Ofrecen a su vez, una importante reducción de la DQO en el destilado y una baja cantidad del concentrado de descarga.

Evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor

Esta tecnología se basa en la recuperación del calor de condensación del destilado como fuente de calor para evaporar el alimento. Para conseguirlo, la temperatura del vapor generado en la evaporación se incrementa comprimiendo éste mecánicamente. Este vapor comprimido, y por tanto sobrecalentado, al pasar por el intercambiador del propio evaporador, consigue un doble objetivo: (1) calienta el líquido a evaporar y (2) condensa, economizando el uso de un fluido refrigerante.

Un evaporador al vacío por compresión mecánica del vapor está diseñado para el tratamiento eficaz de efluentes residuales industriales de los procesos productivos y rechazos de plantas de tratamiento de aguas residuales con un bajo coste energético. Su elevada eficiencia se debe al uso de una soplante rotativa o compresor de vapor, que permite incrementar el calor latente del mismo por la acción mecánica de compresión volumétrica con un pequeño consumo eléctrico del motor que acciona dicho compresor.

Este calor del vapor comprimido será cedido mediante un intercambiador de calor para calentar el efluente a evaporar y consecuentemente permitirá la condensación del vapor para producir el agua destilada. Al trabajar al vacío, generado por la propia soplante rotativa o mediante la ayuda de una bomba de vacío auxiliar, las temperaturas de ebullición y de vapor van desde los 60 ºC hasta los 90ºC.

A continuación, un breve resumen de las 3 categorías principales de evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor:

  • Evaporadores de circulación natural: Se trata de equipos muy competitivos idóneos para aquellos casos en los que se requiere una baja producción de vapor, 10-120 L/h.

    Estos sistemas  funcionan con energía eléctrica y son de fácil uso y mantenimiento. Además, suponen una excelente inversión debido a su combinación de calidad de destilado, alta tecnología y robustez.

  • Evaporadores de película descendente, o falling film: Son evaporadores de última generación, con sistema de limpieza integrado en el equipo y que pueden llegar a producir hasta 4.000 L/h.

    Gracias a su separador de alto rendimiento no generan prácticamente espuma. Además, la división interior en las zonas calientes y frías reduce el desgaste de los equipos de control y regulación.

    Dispone de un sistema de limpieza integrado y automático en el equipo que garantiza su continua disponibilidad. Todos los parámetros de proceso importantes se visualizan en una pantalla tàctil y su diseño, con grandes puertas en ambos lados, facilita su uso y mantenimiento.

    Se trata de una tecnología muy eficiente para la obtención de agua de gran calidad a partir de un efluente con una concentración de contaminantes elevada. Los evaporadores de película descendente utilizan energía térmica, pero al operar en condiciones de vacío la temperatura de ebullición se reduce, por lo que se disminuye también el consumo energético.

  • Evaporadores de circulación forzada: Son los equipos por compresión mecánica del vapor con menor consumo energético y los que permiten tratar los mayores caudales (hasta 20.000 L/h).

    Estan especialmente indicados cuando el caudal a tratar acostumbra a ser complejo: sustancias incrustantes, viscosidades, cristalizaciones, aguas salinas (o salmueras), aguas aceitosas, aguas de baños de trabajo, rechazos de ósmosis inversa u otros elementos que impiden llevar a cabo una circulación natural.

    La evaporación al vacío es una tecnología que permite el tratamiento de efluentes complejos que habitualmente son enviados a un gestor externo

    El siguiente vídeo muestra con gran detalle el funcionamiento de un modelo de evaporador al vacío por circulación forzada (Envidest MVR FC), diseñado y fabricado por Condorchem Envitech. Se trata de un sistema eficaz para el tratamiento de una gran diversidad de aguas residuales. Es capaz de producir hasta 2.000 litros/hora de destilado (agua tratada).

    El tanque de la caldera del evaporador se llena al ponerse en marcha la bomba de vacío desde el panel de control principal. Debido a que el sistema esté bajo vacío, permite generar valores cercanos a los 600 milibares (mb) (0.6bar). Una vez que el depósito de la caldera está lleno, se activa la bomba de recirculación y las resistencias eléctricas empiezan a trabajar para alcanzar una temperatura de funcionamiento de 600C (1400F).

    Cuando se alcanza la temperatura de trabajo, las resistencias eléctricas se detienen y debido al vacío del sistema, se alcanzan valores cercanos a los 240 MB (2.4bar) en el depósito de la caldera del evaporador. A partir de este momento el agua residual empieza a evaporarse y la bomba root se activa. Ésta toma el agua residual evaporada desde el depósito de la caldera y la comprime mediante la elevación de la temperatura y la presión de vapor. Luego transfiere el agua residual tratada al intercambiador de placas. En el intercambiador de calor de placas encontramos el agua residual entrante en un lado y en el otro el vapor del agua residual ya tratada.

    Debido a la diferencia de temperatura entre los dos lados de las placas, el agua residual entrante más fría se calienta y el vapor de agua residual pierde calor, volviendo de nuevo a su estado líquido. Este líquido, denominado destilado, sale del intercambiador de calor y se recoge en un depósito de destilado.

    El agua residual entrante, que ahora se ha beneficiado de la transferencia de calor en el intercambiador de calor de placas, fluye hacia el tanque de la caldera del evaporador inicial. A medida que el nivel en el depósito inicial de la caldera va bajando, una válvula de alimentación de entrada se abre para permitir de forma automática la entrada de más agua residual. El destilado que se ha acumulado en el depósito de destilado se descarga a través de una bomba centrífuga. Éste pasa a través de un segundo intercambiador de calor de placas. En el lado contrario de las placas está el agua residual entrante.

    Este intercambiador de calor adicional aumenta aún más la eficiencia del sistema mediante el aumento de la temperatura de las aguas residuales a tratar. También ayuda a enfriar aún más el destilado de la descarga. A medida que el sistema continúa tratando las aguas residuales, aumenta el nivel de concentrado en el depósito de la caldera del evaporador. Dicho depósito se configura de forma que vaya llevando a cabo descargas parciales programadas del concentrado, el cual será devuelto al depósito de suministro de aguas residuales.

Evaporadores al vacío de múltiple efecto

Esta tecnología consiste en un conjunto de evaporadores conectados entre sí en serie en el que el vacío aumenta progresivamente del primero al último. Esto hace que la temperatura de ebullición, en principio, vaya disminuyendo, por lo que es posible utilizar el vapor generado en un evaporador (o efecto) como fluido calefactor del siguiente efecto, produciéndose un efecto cascada. Finalmente, el destilado se condensa mediante una torre de refrigeración, con un consumo de agua poco significativo.

Usan como fuente de energía agua caliente o vapor procedente de un circuito externo, lo cual permite aprovechar flujos residuales sobrantes de calor.

Habitualmente son unidades compuestas por 1 (evaporador simple efecto), 2 (evaporador doble efecto) o 3 (evaporador triple efecto) etapas.

Su principal ventaja respecto a un único evaporador reside en el ahorro tanto de fluido calefactor como de fluido refrigerante. Para tratar caudales elevados, ésta es una de las opciones más competitivas a nivel económico.

El siguiente video presenta una planta de tratamiento de aguas residuales industriales que opera con un evaporador al vacío de múltiple efecto de tres etapas.


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Eliminación de NOx (óxidos de nitrógeno)

Los óxidos de nitrógeno son extremadamente perjudiciales

La contaminación atmosférica constituye una grave amenaza para la salud en la mayoría de zonas del planeta. De acuerdo con una evaluación de la carga de morbilidad debida a la contaminación ambiental realizada por la OMS, cada año se producen más de 7 millones de muertes prematuras atribuibles a los efectos de la contaminación urbana. Además, no es un problema exclusivo de los países más desarrollados, si no que más de la mitad de dicha carga recae sobre la población de los países en desarrollo.

Los óxidos de nitrógeno no son los únicos causantes de la contaminación atmosférica, pero sí son de los principales contaminantes en importancia.

Los óxidos de nitrógeno son dos gases de nitrógeno diferentes: óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2). El término NOX hace referencia a la combinación de los gases debido a las facilidades de interconversión mutua que presentan en presencia de oxígeno. Aunque desde un punto formal, el término general de los óxidos de nitrógeno, engloba los siguientes compuestos:

  • NO
  • NO2
  • N2O2
  • N2O4

  • N2O
  • N2O3
  • N2O5
  • NO3 (siendo éste último inestable)

Aunque gran parte de los NOX son de origen natural, una importante fracción de NOX se debe a procesos antropogénicos. Las fuentes artificiales más importantes corresponden al transporte (70%) y a la industria (25%). Los procesos industriales que generan NOX en mayor cantidad son los dedicados a la producción de energía, a la combustión de carbón, petróleo o gas natural y los procesos de galvanoplastia y grabado de metales. El NO y el NO2 se forman en los procesos en los que, en presencia de nitrógeno y oxígeno del aire, se alcanzan temperaturas superiores a les 1200 ºC.

Los óxidos de nitrógeno tienen todos en común que son gases contaminantes, por lo que sus emisiones tienen especial incidencia sobre el medio ambiente. Los principales efectos que causan son:

  • La destrucción del ozono estratosférico
  • Contribución al efecto invernadero
  • La producción de lluvia ácida
  • La generación de Smog fotoquímico

Por todo ello, es totalmente necesario, en primer término, minimizar su producción. Y, posteriormente, eliminar los óxidos de nitrógeno que su generación no se ha podido prevenir. El objetivo de minimizar su generación puede ser alcanzado siguiendo tres estrategias diferentes:

  • Reduciendo la temperatura de operación
  • Reduciendo el tiempo de residencia de los gases, especialmente el nitrógeno, en la zona de combustión, donde existen elevadas temperaturas
  • Disminuyendo la relación oxígeno-combustible. Al reducir el exceso de oxígeno, se disminuye considerablemente la generación de NOX

No obstante, es imposible evitar completamente la generación de óxidos de nitrógeno y para cumplir con la normativa, que cada vez es más exigente, se deben utilizar técnicas que permitan eliminar los NOX generados. Las técnicas más utilizadas para este propósito son:

Absorción mediante reacción química

Esta técnica consiste en la absorción de los NOX mediante una reacción química en fase líquida. El reactivo mayormente utilizado para su absorción es el ácido sulfúrico. Éste reacciona con los óxidos de nitrógeno para formar la especie HSO4NO (ácido nitrosilsulfúrico), la cual permanece en la fase líquida. En condiciones de elevada presión (2 atm) y baja temperatura (35 ºC) los NOX quedan absorbidos en la fase líquida. En cambio, se puede revertir el proceso a elevada temperatura (180ºC) y baja presión (0,5 atm); en estas condiciones, se separa la molécula nitrogenada (ahora ácido nítrico por la presencia del agua) del ácido sulfúrico, el cual se puede reutilizar.
Este proceso presenta la desventaja de que se deben manipular reactivos químicos corrosivos y peligrosos a la vez que se requiere espacio físico para albergar el proceso. Las eficacias conseguidas no son elevadas, por lo que la técnica es recomendable para bajas cargas de NOX.

Reducción mediante reacción selectiva no catalítica (SNCR)

Esta técnica permite la reducción de emisiones de óxidos de nitrógeno mediante su conversión en nitrógeno gas vía una reacción química no catalítica. Para llevar a cabo esta conversión, sin la presencia de ningún catalizador, es necesario subir la temperatura dentro del rango 850-1100 ºC. La temperatura de operación depende directamente del agente reductor que se utilice, siendo los más utilizados amoníaco o urea.
Esta técnica se suele utilizar en pequeñas calderas industriales, ya que en instalaciones de mayor tamaño se disparan los costes de trabajar en este rango de temperaturas. El equipo de SNCR no requiere un gran espacio y es de fácil instalación y operación. No obstante, la eficiencia de reducción que se alcanza es moderada, hecho que hace que sea una técnica válida para aquellos casos en que las emisiones de óxidos de nitrógeno sean bajas.

Reducción mediante reacción química catalítica selectiva (SCR)

Esta técnica se basa en un proceso catalítico en el que se reducen de forma selectiva los óxidos de nitrógeno en presencia de un catalizador mientras que el agente reductor (amoníaco o urea) se oxida a nitrógeno gas. El hecho de que la reacción se lleve a cabo sobre la superficie del catalizador hace posible que la temperatura necesaria esté comprendida en el rango 250-450 ºC. La temperatura de operación acabará dependiendo de varios factores, siendo el catalizador utilizado uno de los parámetros claves.

El agente reductor, a la práctica, puede ser una disolución acuosa de amoníaco, amoníaco licuado o bien una disolución acuosa de urea. De todas ellas, la utilización de amoníaco licuado es la opción más económica, hecho que se traduce en unos costes de operación inferiores. Pero por otra banda, la manipulación de amoníaco licuado es mucho más compleja, debido a sus características, que el de una solución acuosa de amoníaco o de urea. El uso, almacenamiento y transporte de amoníaco licuado está sujeto a la Directiva 96/82/CE (Directiva Seveso II) y debe ser utilizado siguiendo un estricto protocolo de seguridad, debido al riesgo que supone el hecho de ser muy corrosivo y explosivo en presencia de oxígeno.

A nivel de operación, como mayor sea la relación NH3/NOX alimentada, mayor será la eficiencia conseguida. No obstante, también aumentará la cantidad de amoníaco que no ha reaccionado y que se desaprovecha en la corriente de gases. Esta pérdida de amoníaco sin reaccionar debe ser minimizada, ya que éste reacciona en presencia de agua con el SO3, para producir bisulfato de amonio (NH4HSO4), el cual es corrosivo y produce el ensuciamiento de las instalaciones. La clave de una operación óptima es la alimentación de amoníaco en tal mesura que se consiga un buen rendimiento a la vez que se minimiza la cantidad de amoníaco no reaccionado.

La elección del catalizador es determinante en el proceso, ya que influye en parámetros claves como son la temperatura de operación y la extensión de la reacción. Existen cuatro materiales diferentes utilizados como catalizadores:

  1. Óxidos metálicos (de vanadio, tungsteno, molibdeno o cromo) sobre base de dióxido de titanio (TiO2)
  2. Zeolitas
  3. Óxidos de hierro envueltos por una fina capa de fosfato de hierro
  4. Carbono activo

La elección del catalizador también condiciona directamente los costes de operación, ya que no todos tienen las mismas propiedades, coste y vida útil.

Las principales ventajas de la tecnología SCR se basan en el rendimiento de eliminación de NOX, que es muy elevado, además de que se transforman los NOX en nitrógeno gas sin producir ningún subproducto ni residuo.

técnicas para la eliminación de los NOx

Resumen de las principales diferencias entre las técnicas descritas para la eliminación de los NOx.

 

Así pues, la emisión de óxidos de nitrógeno debe ser controlada al estar estrictamente regulada por la normativa vigente. El primer paso para su control es la minimización de la producción de estos gases. La producción que no se pueda prevenir, deberá ser correctamente tratada antes de liberar el resto de gases a la atmósfera. Para la eliminación de los NOX la técnica más eficiente es la reducción mediante reacción química catalítica selectiva (SCR).

La urea

Tal como hemos comentado la urea se utiliza como agente reductor para eliminar los óxidos de nitrógeno (NOx) mediante SCR y SNCR, esta ilustración* muestra el aspecto de una molécula de urea. La urea se utiliza también como aditivo en vehículos con motor de combustión para neutralizar en la medida de lo posible sus propias emisiones.
*(crédito 3dchem.com)

Molécula de urea

Utilización del biogás en pilas de combustible

Usaremos los residuos como fuente de energía sostenible

El crecimiento económico está basado en un uso cada vez mayor de energía, hecho que obliga a la búsqueda de energías más sostenibles. Las energías renovables tradicionales están dejando paso a nuevos sistemas de generación de energía, aún a día de hoy en un estado emergente, pero que tienen un gran potencial y pueden convertirse en la base del sistema energético del siglo XXI.

Una de estas fuentes de energía está basada en la utilización del hidrógeno para la obtención de energía eléctrica y energía térmica. Las dos ventajas principales que a priori ofrece el uso del hidrógeno como fuente de energía son que: (1) su combustión no contamina, tan sólo genera agua, y (2) es inagotable.

No obstante, aunque la disponibilidad de hidrógeno esté asegurada, se trata de un elemento que no se encuentra en estado puro en la Tierra y que, por tanto, se necesitan tecnologías capaces de generarlo de forma eficiente. El hidrógeno se puede encontrar en la naturaleza, combinado, formando parte del agua, de los combustibles fósiles y de la materia orgánica. Se puede obtener hidrógeno del agua descomponiendo ésta mediante el uso de electricidad, proceso conocido como electrólisis. También se puede obtener hidrógeno a partir de los combustibles fósiles a través del proceso de reformado, en el cual mediante el uso de un catalizador, agua y energía se transforma el combustible fósil en hidrógeno y CO2. Por último, también se puede obtener hidrógeno de la biomasa. Ésta puede ser tratada mediante un proceso de biometanización para producir biogás, y posteriormente el metano convertido en hidrógeno a través del proceso de reformado. La principal diferencia entre la obtención del hidrógeno del biogás, o bien de los combustibles fósiles, reside en el hecho de que el CO2 producido en el caso del biogás no supone un aumento de emisiones a la atmosfera, puesto que previamente ya se encontraba en la atmosfera y fue fijado por las plantas, mientras que el CO2 generado en la utilización de los combustibles fósiles es una contribución neta de emisiones productoras del efecto invernadero.

El uso potencial de las pilas de combustible para la obtención de energía se basa en el consumo del hidrógeno producido a partir del biogás procedente de la biometanización de biomasa, de la fracción orgánica de los RSU, de los subproductos carbonatados de la industria, etc. Después de eliminar los contaminantes presentes, generalmente el metano debe ser concentrado y después sometido a un proceso de reformado para la obtención del hidrógeno que se alimentará a la pila de combustible. El reformado no es preceptivo en todos los casos, puesto que cierto tipo de pilas de combustible pueden funcionar con alimentación de metano directamente (en realidad, la pila incorpora internamente su reformador).

La pila de combustible es el sistema que transforma, vía un proceso electroquímico, el hidrógeno en energía eléctrica y en energía térmica. Aunque en función del tipo de pila existen numerosas diferencias, todas se basan en la utilización de dos electrodos conductores separados por un electrolito iónico (celda electroquímica). El hidrógeno y el oxígeno reaccionan, por separado, cada uno en un electrodo diferente. En el ánodo, una molécula de hidrógeno produce dos protones y dos electrones. Simultáneamente, en el cátodo reaccionan cuatro protones, cuatro electrones y una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua. Tanto los protones como los electrones se forman en el ánodo y migran hacia el cátodo. Pero mientras los protones se abren paso a través del electrolito, los electrones pasan por un circuito eléctrico externo, generando así una corriente eléctrica. De este modo el hidrógeno se combina con el oxígeno para dar agua sin que lleguen a entrar en contacto.

En cuanto a los elementos que constituyen la pila de combustible, cabe destacar el conjunto de monoceldas, llamado stack, necesario para obtener una potencia mayor, un sistema que haga posible el suministro y evacuación de los gases y un mecanismo que disipe la energía calorífica formada. Existen diferentes tipos de pilas de combustible y el elemento diferenciador es el tipo de electrolito utilizado. Se pueden encontrar:

  • Pilas de combustible poliméricas (PEMFC)
  • Pilas de combustible alcalinas (AFC)
  • Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
  • Pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC)
  • Pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC)
  • Pilas de combustible de metanol directo (DMFC)

En la tabla se resumen las características de cada tipo de pila de combustible.

biogas en pilas de combustible

Las pilas de combustible son un sistema interesante para aprovechar el biogás generado por varias razones. Primeramente, presentan mayor eficiencia que otras tecnologías de conversión de la energía. Mientras que los motores de combustión tienen una eficiencia eléctrica de 35%-40% y las microturbinas de 25%-30%, las pilas de combustible actualmente ofrecen una eficacia eléctrica cercana al 50%. Además, no producen ningún tipo de contaminación, ya que ni generan gases contaminantes ni tampoco ruido ambiental. También supone una ventaja su naturaleza modular, pues se varía la escala añadiendo o retirando módulos independientes. Finalmente, se debe destacar su elevada flexibilidad de operación. Una pila de combustible puede operar a elevado rendimiento y de forma continuada en un amplio rango de potencias. Uno de los requisitos indispensables para la utilización de la pila de combustible es disponer de un biogás libre de contaminantes. Hecho que no es un problema grave pues las tecnologías actuales de tratamiento del biogás son robustas, eficaces y económicas.

No obstante, para que el uso de la pila de combustible sea competitivo económicamente, se deben mejorar aspectos como la eficacia eléctrica –actualmente se sitúa sobre el 50% y aún tiene margen de mejora–, así como la durabilidad y el coste de las pilas.


 

Cada día se está más cerca de la profecía que Julio Verne lanzó en 1875 en su novela “La isla misteriosa”:

residuos orgánicos para combustible de automoción

Residuos orgánicos para combustible de automoción.
Créditos: ©1985 “Back to the Future” Universal Pictures

Creo que un día el agua será un carburante, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o conjuntamente, proporcionarán una fuente inagotable de energía y de luz, con una intensidad que el carbón no puede; que dado que las reservas de carbón se agotarán, nos calentaremos gracias al agua. El agua será el carbón del futuro.

Todavía no estamos ni tan siquiera cerca de una solución autotransportada que aproveche directamente cualquier residuo orgánico tal como en cine nos sugirió con “Regreso al futuro” en la forma de un Delorean convertido en máquina del tiempo que permitía introducir directamente en el “depósito” todo tipo de desperdicios que serían el combustible del reactor de fusión que se supone era la planta motriz del susodicho vehículo venido de un hipotético futuro.

Por el momento tenemos que conformarnos con producir hidrógeno de forma económica y sostenible y tal como hemos estado explicando anteriormente, conseguir llevar las pilas de combustible a un techo de eficiencia superior que permita conseguir las prestaciones y autonomía de los más avanzados motores de combustión.

Condorchem ayuda a la industria

Desde Condorchem podemos ayudar a la industria a obtener biogás a partir de residuos orgánicos, ya sea para su combustión en sistemas de cogeneración como para fraccionarlo en hidrógeno, metano y resto de componentes.

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Vertido cero. Concepto y tecnología.

La inmensa mayoría de actividades industriales generan efluentes líquidos, en mayor o menor cantidad, que deben ser gestionados correctamente por la carga contaminante que contienen. Estos efluentes se generan cuando se utiliza el agua para refrigerar o calentar, en las limpiezas de los equipos, dentro del propio proceso, etc.

La normativa medioambiental es cada vez más restrictiva y generalmente no permite que los efluentes líquidos puedan ser vertidos sin un tratamiento previo. La solución convencional pasa por instalar una serie de procesos físico-químicos y/o biológicos que tratan el agua lo necesario para conseguir cumplir la normativa de vertido. No obstante, existe un gran número de situaciones donde el efluente tratado, o no puede ser vertido por razones geográficas, o requiere un esfuerzo económico elevado conseguir que el efluente sea evacuado. En otras situaciones, cuando se producen efluentes líquidos de naturaleza compleja, los sistemas de tratamiento convencionales necesarios no son competitivos a nivel económico. Ante estos escenarios, el concepto de vertido cero se está forjando como la opción más sostenible a nivel ambiental y, en muchas ocasiones, también a nivel económico.

El concepto de vertido cero se basa en el uso de técnicas y procesos que hacen posible la reutilización de la totalidad de las aguas residuales con un doble objetivo: (1) reducir al máximo el consumo de agua de red, y (2) minimizar la cantidad de residuos que deben ser gestionados externamente. Las ventajas de la aplicación de esta filosofía, en relación a la solución convencional, son numerosas, destacando especialmente las siguientes:

  • Ahorro en el consumo de agua de red.
  • Reducción radical de la cantidad de residuos a gestionar externamente.
  • Mejora de la imagen corporativa por la sensibilidad ambiental que demuestra la implantación de este sistema.
  • Facilidad para la posterior implantación de un sistema de gestión medioambiental.
  • Ahorro económico en la gestión de residuos externa.
  • Ahorro económico en la fiscalidad del vertido.
  • Ahorro económico en posibles sanciones administrativas por no adecuación del vertido a la normativa.
  • Flexibilidad del sistema en cuanto a cambios en la composición.
  • Necesidad de poco espacio, pues son sistemas compactos.
  • Simplicidad de explotación.
  • Alto grado de automatización.
  • No necesidad de personal técnico especializado.
  • Bajo coste de personal.
  • Ahorro en el consumo de reactivos químicos.
  • Elevado nivel de autosuficiencia en el consumo de agua.
  • Posibilidad de aprovechar calores residuales de otros procesos, disminuyendo extraordinariamente los costes de explotación.

La implantación de un sistema de gestión basado en el concepto de vertido cero supone el tratamiento de todos los efluentes líquidos cuanto sea necesario hasta que su calidad permita su introducción de nuevo en el proceso, de modo que el rechazo final sea mínimo. Las tecnologías utilizadas para concentrar y minimizar el efluente final se pueden clasificar en tecnologías de membranas y tecnologías de separación térmica. Las primeras, que suelen ser unidades de microfiltración y ultrafiltración como pretratamiento previo y procesos como la nanofiltración y la ósmosis inversa las que consiguen recuperar en torno al 80% del agua, permiten concentrar la contaminación en una corriente líquida de rechazo a la vez que producen un agua de elevada calidad. Las tecnologías de separación térmica, habitualmente evaporadores de vacío y cristalizadores, se centran en concentrar el rechazo de las técnicas de membrana produciendo agua destilada, reutilizable en el proceso, y un residuo sólido seco, haciendo posible el objetivo de no producir finalmente ningún tipo de vertido. Concretamente, la evaporación al vacío es una tecnología que aúna la capacidad de reducir al máximo el vertido, con criterios de eficacia, robustez y sostenibilidad. Es por este motivo que es un equipo prácticamente imprescindible en la implantación de un sistema de gestión de vertido cero. Cuando interesa que el único residuo sea un sólido seco, la evaporación al vacío se utiliza seguido de un cristalizador, el cual cristaliza el residuo del evaporador.

El campo de aplicación de este sistema de gestión es tan amplio como el número de actividades diferentes que generan efluentes líquidos, con alguna pequeña limitación. En la tabla se resumen las actividades en las que el sistema de gestión de vertido cero es especialmente útil y ventajoso.

aguas residuales industriales

Pese a la versatilidad en cuanto a la naturaleza de la contaminación de este sistema de gestión, no lo es tanto en relación a la cantidad de caudal a tratar. Para vertidos elevados (caudales superiores a 50 m3/h) no es una tecnología competitiva. También se debe tener en cuenta que, cuando el efluente es rico en componentes volátiles, el destilado debe ser post-tratado para que pueda ser reutilizado. Y este proceso incrementa sensiblemente la inversión inicial.

tecnologías para vertido cero

MF: microfiltración; UF: ultrafiltración; EDR: electrodiálisis reversible.

En el gráfico se observa el ciclo virtuoso que representa el concepto de vertido cero. No en todos los casos son necesarios todos los procesos representados. Los procesos de membrana (MF, UF, EDR y OI) generan una elevada cantidad de agua apta para ser reutilizada. Y los procesos térmicos (evaporación y cristalización) tratan los rechazos producidos en los procesos anteriores, produciendo más agua apta para ser reutilizada y un residuo final sólido y seco.

Así pues, el sistema de gestión de vertido cero es un sistema robusto, útil y eficaz en todos los casos, y especialmente ventajoso para el tratamiento de efluentes líquidos complejos, separando el agua en lugar de separar los contaminantes. Al estar basado en procesos físicos, y no químicos, el ámbito de aplicación es muy amplio. Los contaminantes son concentrados y finalmente reducidos a un residuo seco, hecho que hace posible que su gestión sea fácil y económica, mientras que el agua es reutilizada en el proceso.