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Evaporador de aguas residuales industriales

Evaporador de aguas residualesEl evaporador de aguas residuales Envidest MVR FC es un sistema de concentración al vacío diseñado para el tratamiento de aguas residuales industriales cuyo tratamiento acostumbra a ser complejo: aguas salinas (o salmueras), aguas aceitosas, aguas de baños de trabajo, rechazos de ósmosis inversa, etc.

A medida que el coste de la eliminación de las aguas residuales mediante un gestor externo sigue aumentando, cada vez son más las empresas que evalúan la posibilidad de reciclar una parte o la totalidad de sus aguas residuales. Ya son muchos los sectores industriales que actualmente implantan plantas de tratamiento de aguas residuales, tanto primarias como secundarias, en sus propias instalaciones con el objetivo de ahorrar costes en la gestión de residuos y ser, a su vez, más eficientes en su respeto por el medio ambiente.

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 del Envidest MVR FC, un evaporador al vacío por circulación forzada diseñado y fabricado por Condorchem Envitech. Se trata de un sistema eficaz para el tratamiento de una gran diversidad de aguas residuales, que ha sido instalado con éxito en una gran variedad de sectores industriales.

El Envidest MVR FC es un evaporador de aguas residuales capaz de producir hasta 2.000 litros/hora de destilado (agua tratada).

Funcionamiento del evaporador de aguas residuales Envidest MVR FC

Basta con encender la bomba de vacío desde el panel de control principal y el tanque de la caldera del evaporador se llena. Debido a que el sistema esté bajo vacío, valores cercanos a los 600 milibares (mb) (0.6bar) son generados.

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 la temperatura se alcanza, las resistencias eléctricas se detienen y debido al vacío del sistema, un valor alrededor de los 240 MB (2.4bar) se alcanza 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. Esta 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 destiladoc 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. Este destilado pasa a través de un segundo intercambiador de calor de placas. En el lado contrario de las placas encontramos 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.

Tratamiento de efluentes procedentes de la estabilización del mosto

estabilización del mostoLa recuperación de las sales disueltas en el agua residual tras un proceso de estabilización del  mosto de uva puede ser muy interesante para los productores de vino, ya que permite obtener fertilizantes de gran calidad para la viña, debido a su gran riqueza en potasio, sin ningún coste.

El mosto de uva contiene diferentes sales disueltas, principalmente de los cationes de potasio, calcio, hierro, cobre y magnesio. Entre ellas se encuentran las sales tártricas formadas básicamente por el bitartrato de potasio y, en mucha menor cantidad, por el bitartrato de calcio. Estas sales se forman a partir del ácido tartárico, que de forma natural contienen las uvas, y los cationes potasio y calcio presentes en el suelo del cultivo. En el caso de mostos poco ácidos, cultivados en climas calurosos, se suele corregir su acidez mediante la adición de ácido tartárico.

Durante el proceso de fermentación del mosto, las sales de bitartrato superan su límite de solubilidad y precipitan en parte, quedando adheridas en las paredes y fondos de los depósitos. A pesar de esta precipitación, el vino, ya fermentado, continúa siendo una solución saturada de bitartrato potásico. Esta condición conlleva que el vino sea inestable, puesto que ante la mínima variación de las condiciones se puede volver a producir una precipitación de estas sales.

La aparición de posos en la botella y la turbidez en el vino está bien vista por algunos consumidores, ya que ya que su presencia se percibe como algo natural y como un síntoma de que el producto ha sido escasamente tratado y, por tanto, es más rico e íntegro. A pesar de ello, la estabilización del mosto para evitar la precipitación de estas sales se considera como un proceso indispensable desde el punto de vista comercial para la mayoría de mercados. Todavía en muchos lugares la presencia de estos sedimentos se considera que afecta negativamente al aspecto del vino y no es bien recibida por los consumidores.

La técnica mayormente empleada para eliminar las sales de bitartrato en el vino consiste en un tratamiento con frío. Al bajar la temperatura del caldo, disminuye la solubilidad del tartrato potásico y éste precipita. Posteriormente se separa del vino mediante filtración. Este proceso requiere entre 5 y 10 días, lo que obliga a tener los depósito llenos, por lo que se reduce la capacidad de maniobra de la bodega, y el consumo de una cantidad ingente de energía eléctrica para enfriar el mosto.

Para salvar estos inconvenientes, se pueden utilizar otros procesos más competitivos, como es el caso del intercambio iónico mediante resinas catiónicas. Se trata de una técnica que requiere una inversión económica claramente inferior en relación al resto y proporciona resultados excelentes para cualquier tipo de vino. Además, produce un ligero aumento de la acidez total y una ligera disminución del pH, hechos que amplían las garantías de conservación del vino y mejoran sus cualidades organolépticas.

En el tratamiento mediante intercambio catiónico se hace pasar el vino a través de unas columnas dispuestas en serie en las que en su interior se encuentran unas resinas de intercambio catiónicas. Este proceso se realiza en discontinuo puesto que las resinas se agotan y deben regenerarse para recuperar la capacidad de sus grupos funcionales. Al pasar el vino a través de las resinas catiónicas, se lleva a cabo la sustitución de los cationes por iones H+, eliminando así los iones de potasio y calcio responsables de la precipitación de los bitartratos. Cuando se observa en el vino que va saliendo de la columna de intercambio iónico un incremento de pH, indicación de que la resina ya no tiene capacidad de seguir captando cationes y liberando iones H+, se detiene el proceso y se inicia la regeneración de la resina. Para tal fin se hace pasar ácido sulfúrico en contracorriente a través de la columna. Cuando se da por finalizada la regeneración de las resinas, éstas deben ser lavadas para arrastrar los restos de agentes regenerantes que hayan podido quedar en el interior de las columnas. Este proceso se realiza haciendo circular agua osmotizada, operación que finaliza en función de los valores de pH del efluente de lavado.

Fruto de la regeneración y de la limpieza posterior, se genera un efluente de aguas ácidas ricas en calcio y, especialmente, en potasio. Para gestionar correctamente este efluente existen varias alternativas, siendo una de las más interesantes la recuperación de las sales mediante una evaporación al vacío.

La evaporación al vacío permite evaporar el solvente trabajando a temperaturas relativamente bajas, en torno a los 40 ºC, factor decisivo para que el consumo de energía eléctrica sea moderado. Como resultado, se obtienen unas sales que se pueden utilizar como fertilizantes para la viña por su riqueza en potasio, elemento fundamental para el desarrollo vegetativo de las vides.

Así pues, la evaporación al vacío permite poner en práctica un ejemplo de recuperación de recursos a partir de los residuos, modelo que acabará imponiéndose a medio plazo en cualquier proceso de gestión de efluentes puesto que supone importantes beneficios a nivel económico y ambiental.

Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación al vacío supone un gran avance en el tratamiento de efluentes líquidos

Esta técnica de evaporación permite 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 (con el consecuente ahorro en gestión de residuos)
  • Concentración de residuos corrosivos o incrustantes
  • Reutilización del agua recuperada
  • Implementación de sistemas de vertido cero

Definición de Evaporación

La evaporación 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.

Para saber más

Evaporador al vacio - Fundamentos de la evaporación al vacío

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:

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.

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.

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.

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.

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 xF = S xS

Balances de energía:

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

Donde Q es el 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 y T 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

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.

Es una tecnología 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.

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.

Es un sistema de evaporación muy eficiente y competitivo. Su consumo energético está sobre los 50-60 kWh por cada metro cúbico de destilado obtenido.

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.

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.

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. Además, con un consumo energético contenido, hace posible reducir severamente el volumen de residuos, recuperar un gran caudal de agua para su reutilización e incluso la implantación de un sistema de vertido cero con un coste económico realmente asumible.

Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales

A pesar de que son sistemas sencillos de operar, es preciso que la selección y el diseño del equipo más adecuado para unas necesidades concretas sean realizados por un equipo de expertos en esta tecnología.

Consúltenos

Biometanización de RSU (Residuos sólidos urbanos)

La biometanización es un proceso en el que una selección natural de microorganismos descompone mediante una digestión anaerobia la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, en biogás y un residuo sólido estabilizado (aproximadamente, la mitad en peso que el residuo de partida). El biogás, que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y otros gases minoritarios, puede ser utilizado como combustible puesto que, si bien su composición depende de la materia orgánica digerida, la riqueza en metano suele estar entorno al 60%.

A pesar de que el proceso de digestión anaerobia se estudia desde a mediados del siglo pasado, su aplicación para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) es relativamente reciente. De hecho, la implantación de la recogida selectiva de residuos, con la separación de la fracción orgánica, ha sido una de las causas que han empujado al desarrollo de nuevas vías de tratamiento. La FORSU se caracteriza por tener una elevada humedad, por lo que salidas típicas como la incineración o la disposición en vertedero no son las más adecuadas.

Así pues, los tratamientos más interesantes para la fracción orgánica son dos: la biometanización y el compostaje, con sus respectivas variantes. La ventaja principal que presenta la primera técnica en relación a la segunda es el hecho de que se trata de una tecnología que no sólo no consume energía, sino que la produce. Además, se trata de una energía renovable que contribuye a la disminución de la producción de gases con efecto invernadero. Este balance energético obviamente tiene un impacto positivo en los costes de explotación. Además, la digestión anaerobia es una tecnología especialmente adecuada para el tratamiento de residuos sólidos con un grado de humedad alto y que requiere un equilibrio de nutrientes menos estricto que el compostaje. Esto hace que en el caso de falta de disponibilidad de residuos de origen vegetal, la digestión anaerobia pueda ser técnicamente más adecuada. En contraposición, el proceso de biometanización es más complejo, porque necesita más etapas de proceso desde que la fracción orgánica entra en planta. Esto repercute en una mayor inversión inicial para su implantación.

En el proceso de biometanización se ha comprobado que en la mayoría de casos se produce mayor cantidad de biogás, y con una riqueza más elevada de metano, si el sustrato a digerir es una mezcla de FORSU y lodos de EDAR, lo que se conoce como codigestión. Los lodos de EDAR son una fuente muy importante de nutrientes y además en una proporción muy equilibrada.

El proceso de biometanización se inicia con la alimentación del sustrato orgánico (FORSU, lodos de EDAR o una mezcla de ambos) en el digestor anaeróbico, el cual opera con un tiempo de residencia en torno a 20-25 días. Del digestor salen dos efluentes, uno gaseoso, el biogás; y el otro líquido, el fango digerido con un 5% de concentración en peso. El fango digerido, ya estabilizado, puede ser utilizado en aplicaciones agrícolas como fertilizante (compost), una vez esté deshidratado. En el proceso de deshidratación, normalmente mediante filtración o centrifugación, se consigue concentrar hasta alrededor de un 25-35% de sequedad. La fracción líquida obtenida en la deshidratación deberá ser tratada correctamente, puesto que su carga, sobretodo en nitrógeno y fósforo, es elevada. Una alternativa es tratar esta corriente mediante un proceso biológico de depuración, el cual necesitará de la adición de una fuente de carbono externa para permitir el crecimiento de la biomasa. Otra opción, aún más sostenible, consiste en concentrar la fracción líquida de la deshidratación mediante un proceso de evaporación al vacío, aprovechando la energía térmica residual producida en la transformación del biogás en electricidad (cogeneración). El biogás suele ser utilizado para producir electricidad mediante motores de combustión o bien microturbinas.

En ambos casos, fruto de la producción de la energía eléctrica, se produce un calor residual que es necesario eliminar. Este calor puede ser utilizado eficientemente para precalentar el sustrato de entrada al digestor y así mantener éste trabajando constantemente a la temperatura óptima de operación (36 ºC en la digestión anaerobia mesofílica y entre 45 ºC y 65 ºC en el caso de la termofílica) a la vez que para evaporar el agua de la fracción líquida de la deshidratación. Como resultado de esta evaporación-concentración se obtiene un residuo prácticamente seco, con una reducción en peso en torno al 75%, y una corriente de agua de gran pureza.

Así pues, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos puede ser revalorizada mediante una planta de biometanización, sostenible y energéticamente autosuficiente. Esta planta puede ser diseñada y explotada de manera que transforme la FORSU en compost, el cual tiene salida en aplicaciones agrícolas, energía eléctrica, apta para ser vendida a la red general eléctrica, y agua de elevada pureza.

Biometanización de RSU