CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA DEL PROCESO DE

CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA DEL PROCESO DE DESTILACIÓN DE AGUA
CONTAMINADA, USANDO CALOR RESIDUAL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Alejandro Zaleta A., Marcos Escalante C., Rosa E. Campos G* .,
Bárbara González R. Juan J. López A., Armando Gallegos M.
Departamento de Ingeniería Mecánica (FIMEE), Universidad de Guanajuato.
Prolongación Tampico S/N, 36730 Salamanca, Gto., México.
Tel. +(52) (464) 64-8–09–11, Fax +(52) (464) 64-7–24–00, azaleta@salamanca.ugto.mx
*Posgrado en Integración de Procesos, Universidad de Guanajuato.
Col. Noria Alta S/N. C.P. 36000. Guanajuato, Gto., México.
Tel. +(52) (473) 73-2 –20 – 34, Fax +(52) (473) 73- 2 –42 – 50, rosaelizama@hotmail.com
RESUMEN
En este trabajo se discute inicialmente la problemática de la contaminación del agua y la
contaminación térmica procedente de procesos industriales (residuos térmicos en chimeneas,
torres de enfriamiento, condensadores, etc.). una vez definido el problema, se asocia las
posibilidades de tratamiento de agua a través del calor residual de procesos, por medio de la
simulación y caracterización energética del proceso de aguas contaminadas en los ríos, usando el
calor residual de los procesos industriales, como fuente energética. Se desarrollan dos tipos de
sistemas: i) Destilación al vacío usando un fluido térmico y ii) Destilación atmosférica con
Bomba de Calor integrada. Los resultados son obtenidos desde el punto de vista de
caracterización energética de los procesos, como una herramienta para el futuro análisis de
factibilidad técnica-económica en la construcción de sistemas avanzados en la industria del
tratamiento de aguas.
JUSTIFICACIÓN
Los procesos industriales tienden siempre a ser competitivos, nacional e internacionalmente, sin
embargo los costos adicionales impuestos por el gobierno pueden afectar realmente la viabilidad
de una planta industrial o la capacidad de atraer nuevas inversiones a un área donde se necesita
urgentemente el desarrollo. Los residuos industriales tienen que ser descargados y por lo general
se desechan en algún tipo de corriente de agua, como un río, canal, estuario o el mar, el resultado
será la contaminación y alteración del recurso agua. La raíz de los problemas de contaminación
difiere a causa de diversos factores, tales como los aspectos industriales y aspectos
socioeconómicos. La acumulación de desechos sólidos de diferentes tipos, emisiones de humos,
líquidos y gases, la desertificación, la pérdida de especies animales y vegetales, y contaminación
del agua es debido a la sobrepoblación y las actividades urbano-industriales. Ciudades y áreas
urbanas en el mundo con concentrada población, alto consumo de energía, transporte y actividad
industrial tienen el peor de los problemas ambientales, derivado en cuatro factores de
Contaminación: Aire, Agua, Suelo, y Térmica (calentamiento Terrestre). La hipótesis de este
trabaja radica en que todo proceso industrial deberá tratar y depurar todas sus descargas de agua,
utilizando como fuente energética el propio calor de desecho de sus procesos. Tomando en cuenta
los avances en procesos de transferencia de energía como son: las bombas de calor, equipos de
transferencia de calor (como condensadores y evaporadores), así como las tecnologías
convencionales de plantas de tratamiento de aguas residuales (floculación, sedimentación,
filtración, cloración, etc). La integración de estas tecnologías permitirá en un futuro inmediato el
desarrollo de plantas autosuficientes desde el punto de vista energético para el tratamiento de
aguas, usando el principio de destilación-condensación, para remoción de sales y metales pesados
con altos puntos de evaporación.
MODELOS ANALÍTICOS
Incropera et. al (1996) presenta una compilación de trabajos científicos para caracterizar
analíticamente los procesos de ebullición y Condensación de fluidos, ecs. (1)-(14); en el caso
particular del agua contaminada se tomaran las propiedades físico-químicas del agua a tratar para
realizar una simulación de la destilación de la misma.
Proceso de ebullición del Agua
Se denomina ebullición al cambio del estado líquido al estado gaseoso, mismo que ocurre cuando
la temperatura de la superficie Ts, excede la temperatura de saturación Tsat que corresponde a la
presión del líquido; se caracteriza por la formación de burbujas de vapor . En la ebullición de
convección libre las burbujas no llegan a desarrollarse en grado suficiente y se asimilan en el
seno del líquido que experimenta corrientes de convección libre. En ebullición nucleada el
intercambio de calor no es a través de las burbujas de vapor sino de la transferencia directa de la
superficie al líquido en movimiento de la superficie, después el vapor escapa como chorros o
columnas, que posteriormente se unirán en flujos de vapor. La influencia de los lugares de
nucleación sobre la transferencia de calor se demuestra mediante la ec. (1).
q ' ' = C∆T a nb
(1)
s
e
donde n es la densidad de lugares activos de nucleación por unidad de área, a =1.2 y b = 1/3. La
dependencia de q ' ' respecto a ∆Te caracteriza la correlación para ebullición nucleada.
s
3
1
 g ( ρl − ρv )  2  C p ,l ∆Te 
''
q s = µl h fg 
  C h Pr n 
σ

 s , f fg l 
(2)
La aparición de la tensión superficial σ (N/m) se sigue del efecto significativo que esta propiedad
del fluido tiene sobre la formación y desarrollo de las burbujas. El coeficiente Cs,f y el exponente
n dependen de la combinación superficie – líquido. Esta se aplica para superficies limpias y el
flujo de calor por ebullición nucleada aumenta conforme el líquido se presuriza.
En la ebullición de película, el flujo de calor es un mínimo y el flujo de calor está completamente
cubierta por un manto de vapor. La transferencia del calor de la superficie al líquido ocurre por la
conducción a través del vapor. A medida que la temperatura de la superficie aumenta, la
radiación a través de la película de vapor se hace significativa y el flujo de calor aumenta al
aumentar ∆Te. La correlación de la ebullición de película sobre un cilindro o esfera de diámetro
D, es de la forma
 g ( ρl − ρv )h 'fg D 3 
h cov D
Nu D =
= C

kv
 vv kv (Ts − Tsat ) 
1
4
(3)
La constante de correlación C = 0.62 para cilindros horizontales y 0.67 para esferas. Las
propiedades de vapor se evalúan a la temperatura de película Tf y la densidad del líquido se
evalúa a la temperatura de saturación. La ecuación de transferencia de calor total parta la
ebullición de película de la superficie externa de tubos horizontales es
h
4/3
= hcov + h rad h
4 /3
1/ 3
(4)
si h cov > hrad , se puede usar de la siguiente manera
h = h cov +
3
h rad
4
(5)
donde el coeficiente de radiación efectivo h rad se expresa
h rad =
(
4
εσ Ts 4 − Tsat
Ts − Tsat
)
(6)
ε es la emisividad del sólido y σ es la constante de Stefan-Boltzmann.
Proceso de condensación del Agua
Existen dos posibilidades para la condensación, (a) Condensación de película, (b) Condensación
de gotas. La Condensación de película turbulenta parte del carácter laminar de la película
condensada, hipótesis fundamentales de la teoría de Nusselt. Al aumentar la intensidad de la
corriente líquida con x, se debe esperar que desde cierto valor del Número de Reynolds en
adelante la película pase a régimen. El coeficiente de transmisión de calor de tubos verticales
largos no disminuye a partir de una determinada longitud, sino, al contrario, aumenta, lo cual
puede interpretarse como señal de comienzo de turbulencia en la película. Con el flujo de masa
.
del condensado dado por m = ρ l u m b δ el número de Reynolds se expresa:
.
4 m 4 ρl u m δ
Re δ =
=
µl b
µl
(7)
donde um es la velocidad promedio de la película.
Para una región libre de ondas (Re ≤ 30) , suponiendo que ρl >>ρv se expresa en términos de un
número de Nusselt modificado
hL (vl2 / g )
kl
Para una región laminar ondulada
hL (vl2 / g )
kl
Para una región turbulenta
1
3
=
1
3
−1
= 1.47 Re δ
Re δ
1.08 Re 1δ. 22 − 5.2
3
(Re ≤ 30)
(30≤Re ≤ 1800)
(8)
(9)
hL (vl2 / g )
kl
1
3
=
Re δ
8750 + 58 Pr − 0 .5 (Re 0δ .75 − 253)
(Re ≥ 1800)
(10)
Se puede extender la condensación de película laminar sobre la superficie externa de una esfera y
de un tubo horizontal; el coeficiente de convección promedio se puede representar de la siguiente
manera
 gρ (ρ − ρv )kl3 h 'fg  4
hD = C  l l

 µl (Tsat − Ts )D 
donde C=0.826 para la esfera y 0.729 para el tubo.
Para una hilera vertical de N tubos horizontales, el coeficiente de convección promedio es
1
hD , N
 gρ ( ρ − ρv )k l3 h'fg 
= 0.729  l l

 Nµl (Tsat − Ts )D 
1
(11)
4
(12)
si la razón longitud a diámetro excede 1.8tanθ, las ecuaciones anteriores se pueden utilizar para
tubos inclinados al reemplazar g con g*cosθ, donde θ se mide desde la posición horizontal.
La condición principal necesaria para que se produzca la condensación de gotas es que el
líquido condensado no moje perfectamente la pared. Los coeficientes de transferencia de calor
para la condensación de gotas son un orden de magnitud mayores que los de la condensación de
película. Los datos para condensación de vapor en superficies de cobre bien aumentadas, están
correlacionadas por una expresión de la forma.
h dc = 51,104 + 2044Tsat
h dc = 225,510
22o C < Tsat < 100
(13)
100 < Tsat
(14)
Aspectos Generales de las Bombas de calor
La Bomba de Calor (Pita, 1999) aporta soluciones energéticas y medioambientales acordes con la
demanda de la época actual; es capaz de forzar el flujo de calor en la dirección contraria,
utilizando una cantidad de trabajo relativamente bajo, y pueden transferir este calor desde las
fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia
tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calentar, o bien emplearlo en procesos
que precisan calor en la edificación o la industria. La mayor parte de las Bombas de Calor
existentes trabajan con el ciclo de compresión de un fluido condensable, Figura 1.
Figura 1. Bomba de calor de compresión mecánica accionada por motor eléctrico.
Sus principales componentes son: compresor, válvula de expansión, condensador, evaporador.
Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido refrigerante. En
el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de
la fuente de calor (foco frío), de esta manera el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante
propiciando la evaporación de éste. En el compresor el vapor que sale del evaporador es
comprimido elevando su presión y temperatura. El vapor caliente accede al condensador. En este
cambiador, el fluido cede el calor de condensación al medio. Finalmente, el líquido a alta presión
obtenido a la salida del condensador se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar
la presión y temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo
accediendo al evaporador. Los modelos analíticos que se aplican para caracterizar las bombas de
calor estan basados en la 1ª y 2ª Ley de la Termodinámica, los modelo de los Gases Reales para
los refrigerantes, modelos de equipos de transferencia de calor en evaporador y condensador.
Modelos Analíticos para Intercambiadores de calor
Un intercambiador de calor es aquel que se emplea para transferir energía térmica a través de una
superficie sólida de separación entre dos o más fluidos a diferente temperatura. Generalmente, se
hace uso de dos métodos para la simulación y diseño de un intercambiador de calor: el método de
la Diferencia Media Logarítmica y el método NUT. Trabajos como los Gröber H. et. al. (1967),
Özisik (1985), Bejan (1993), Cervantes (1999) y Avalos (2001), ofrecen los principios
fundamentales para caracterizar los procesos de intercambio de calor convencionales. Para un
intercambiador de tubo – coraza, se hace uso de dos ecuaciones básicas para su diseño, referentes
al área de transferencia de calor, y la diferencia de temperatura media logarítmica, ecs. (15) y
(16) respectivamente.
•
•
QD
QD
A=
=
U∆TLM UF∆TLM
∆ TLM =
(T
c ,e
− T f ,s ) − (Tc ,s − T f ,e )
 (Tc ,e − T f , s )

ln 

 (Tc , s − T f ,e )
(15)
(16)
Un método recomendable para poder conocer temperaturas de salida, factor de ensuciamiento,
carga térmica a partir de caídas de presión y temperaturas de entrada es el método de NUT, para
este método se muestran a continuación los conceptos de carga máxima y número de unidades de
transferencia, ecs. (17) y (18), respectivamente.
Qmax = CPmin (Tc , e − Tf , e )
(17)
1
UA
UA =
∫
CPmin A
CPmin
(18)
•
NUT =
MODELO DE SIMULACIÓN DE DESTILACIÓN- CONDENSACIÓN CON BOMBA DE
CALOR
Se desarrolló un simulador analítico programado en Plataforma EES (Enginering Equation Solver
Software Ver. 6.0) para modelar el comportamiento del proceso de destilación-ebullición usando
bomba de calor como amplificador de energía térmica. Se integraron los modelos planteados en
las ecs.(1)-(18) para analizar el proceso. En la Figura 2, se describe el modelo conceptual de la
planta y sus corrientes principales, Tabla 1.
15
9
10
110°C
8
13
2
5
14
13
13
13
3
RESIDUO
TÉRMICO
(pj.Gasesen
Chimenea)
11
6
BOMBADE
CALOR
CONDENSADOR
4
1
16
7
EVAPORADORSEDIMENTADOR
12
Figura 2. Modelo Conceptual de Destilación- Condensación con Bomba de Calor
Tabla 1 . Descripción de las Corrientes Principales en el Modelo Conceptual de DestilaciónCondensación con Bomba de Calor
1
2
3
4
5
6
7
8
Descripción
Potencia Mecánica
Flujo de Refrigerante R.141
Flujo de Refrigerante R.141
Flujo de Refrigerante R.141
Flujo de Refrigerante R.141
Flujo de Calor
Agua Contaminada (libre de orgánicos)
Agua Evaporada
9
10
11
12
13
14
15
16
Descripción
Flujo de Enfriamiento
Flujo de Enfriamiento
Agua Condensada
Agua Tratada
Calor residual (Gases de Combustión en Chimenea)
Calor cedido a la Bomba de Calor
Calor Cedido al Exterior
Purga de Agua Salina de Alta Concentración
MODELO PILOTO DE DESTILACIÓN-CONDENSACIÓN AL ALTO-VACÍO
El modelo de experimentación para la destilación al alto vacío se presenta en la Figura·3,
y muestra los parámetros adecuados ó requeridos, por las condiciones de experimentación.
Figura 3. Modelo de Experimentación para la Destilación al Alto Vacío
El modelo piloto permite lograr un buen condensado es decir que no se sature el sistema,
que la temperatura de la superficie donde se encuentra la muestra se ha lo más constante posible y
que se logre la destilación del agua usando vacío. El funcionamiento radica en usar glicerina
precalentada para dar el “baño maría” al matraz 1 (a 105 °C), posteriormente se controlará y
medirá el aporte de calor por medio de una resistencia eléctrica. Se monitorean todos los
parámetros de temperatura, corriente eléctrica, masas y flujos de enfriamiento, para lograr la
caracterización energética.
RESULTADOS
Modelo de Simulación de Destilación- Condensación Con Bomba De Calor
Temperatura de Cambio de Fase [ºC]
La selección del refrigerante (fluido de trabajo en la bomba de calor) representa una parte
importante para definir el rango de operación en el sistemas. Existen dos parámetros
característicos como son: la presión de l evaporador y la presión del condensador. El objetivo es
encontrar con un rango de temperatura para ebullición y condensación alto (logrando cargas
térmicas altas), con la menor presión (reduciendo las relaciones de presiones en el compresor de
la bomba de calor). En la Figura 4 se aprecia como el R-141b es el mejore de los refrigerantes
para trabajar a altas temperaturas y bajas presiones. Por esta razón el análisis utilizó las
propiedades de este refrigerante. Utilizando la composición del Agua de Mar, en la Figura 5 (a) y
5(b) se puede ver el efecto que tiene la variación de los parámetros de control como son la
Relación de Presiones (evaporador/condensador) y la Presión del Evaporador (P3 ), durante el
proceso de destilación del agua salada. Se puede observar claramente que a mayor presión de
evaporador y mayor relación de presiones es posible evaporar mayor cantidad de agua.
220
R - 141b
200
180
R - 123
160
R - 114
140
R - 12
120
100
Amoniaco
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
Presion de Cambio de Fase [Bar]
Figura 4. Curvas de Cambio de Fase en Refrigerantes Comerciales
Potencia Mecánica Necesaria del Compresor kW
Lts/s de Agua Destilada
0.7
0.6
P3=2 bar
0.5
0.4
0.3
P3=1 bar
0.2
P3=0.5 bar
0.1
8
10
12
14
16
18
20
1400
P3=2 bar
1200
1000
800
600
400
P3=1 bar
200
p3=0.5 bar
0
8
Relacion de Presion de la Bomba de Calor (Bar/Bar)
10
12
14
16
18
20
Relacion de Presion de la Bomba de Calor (Bar/Bar)
(a)
(b)
Figura 5. (a) Cantidad de Agua destilada en Una Bomba de Calor y (b) Potencia Mecánica del
Compresor, respecto a la presión de evaporador y la relación de presiones en la Bomba de Calor,
respectivamente.
Modelo Piloto de Destilación-Condensación al Alto-Vacío
Se muestrearon diferentes composiciones de agua, tomando como estudio:
a)
b)
c)
d)
Agua Corriente (Laboratorio)
Agua Salina ( condiciones del Mar)
Agua tomada del Río Lerma a la entrada de la Ciudad de Salamanca (Ajuntas)
Agua tomada del Río Lerma a la salida de Salamanca (Estancias)
En las Figuras 7 y 8 se caracterizó la cantidad de agua destilada y la cantidad de energía que se
aportó para el experimento de destilación, variando en cada cado la condición de vació desde 0
hasta 40 mmHG.
Agua del Laboratorio de Química
Agua Salina
0.06
0.05
0.0482
0.0405
0.04
0.032
0.03
0.0248
0.02
0.01
Agua Destilada (lts)
Agua Destilada (lts)
0.06
0.05
0.048
0.04
0.0384
0.03
0.0283
0.02
0.0184
0.01
0
0
0
10
20
30
40
Nivel de Vacío (cm de Hg)
(a)
50
0
10
20
30
Nivel de Vacío (cm de Hg)
(b)
40
50
Agua del Río Lerma (Ajuntas)
Agua del Río Lerma (Estancias)
0.05
0.045
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0.05
0.048
0.04
Agua Destilada (lts)
Agua Destilada (lts)
0.06
0.0397
0.03
0.0286
0.02
0.0192
0.01
0
0
10
20
30
40
0.044
0.0346
0.027
0.0202
0
50
10
20
30
40
50
Nivel de Vacío (cm de Hg)
Nivel de Vacío (cm de Hg)
(c)
(d)
Figura 6. Cantidad de Agua de Destilada en una prueba de 15 minutos variando la presión de
vació para cada prueba respectivamente.
CONCLUSIONES
Este trabajo presenta un análisis de la destilación del agua en dos procesos (destilación con
fluido térmico y destilación con bomba de calor). Con el objetivo de integrar procesos de este
tipo a plantas de tratamiento de aguas. Con los dos sistemas de destilación mostrados
anteriormente se espera tener un conocimiento más amplio de su comportamiento y de las
características técnicas que habrá que resolver a la hora de implantarlo en procesos a escala real
dentro de plantas de tratamiento de aguas. En los resultados mostrados anteriormente se puede
apreciar que las bombas de calor presentan una opción factible y de bajo consumo energético
para la destilación del agua residual salina. Por otro lado la destilación con alto vacío es factible
sin embargo presenta mayores limitantes desde el punto de vista operativo y de construcción. Las
pespectivas de este trabajo son el diseño más detallado de una planta conceptual acorde a las
posibilidades de implantación en plantas de tratamiento de aguas residuales cercanas a calor de
desecho industrial o aprovechando el calor solar para la destilación del agua con bomba de calor
y así su eliminación de sales contaminantes.
Agua Salina
3000
2000
1000
0
0
20
40
60
Destilación (J/lts)
4131.804
3685.342
3 2 6 2 . 730019 7 . 1 3 9
4000
Cantidad de Enrgía para la
5000
(J/lts)
Cantidad de Energía por litros
Agua del Laboratorio de Química
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
4581.7137
4134.764
3376.174
0
Nivel de Vacío (cm de Hg)
(a)
10
20
30
Nivel de Vacío (cm de Hg)
(b)
40
3135.728
50
Cantidad Energía por
litros (J/lts)
6000
5113.068
5000
4275.074
4000
3469.526
3410.959
3000
2000
1000
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Cantidad de Energía por Litros (J/Lts)
Agua del Río Lerma (Estancias)
Agua del Río Lerma (Ajuntas)
6000
5396.816
5000
4068.961
4000
3212.686
3000
3152.695
2000
1000
0
0
Nivel de Vacío (cm de Hg)
(c)
10
20
30
40
50
Nivel de Vacío (cm de Hg)
(d)
Figura 7. Cantidad de Energía requerida Agua de Destilada en una prueba de 15 minutos
variando la presión de vació para cada prueba respectivamente.
BIBLIOGRAFÍA
Gröber H. y S. Erk (1967) Transmisión de calor.. 3ra. Edición. Editorial Selecciones científicas.
Madrid, España.
Özisik Necati M. (1985) Heat transfer a basic approach.. Editorial Mc Graw Hill. USA.
Bejan Adrián. (1993). Heat transfer. Editorial John Wiley & Sons. USA.
Cervantes de Gortari Jaime.( 1999). Fundamentos de transferencia de calor. Editorial Ediciones
Científicas Universitarias. México.
Incropera Frank P y David P. De UIT (1996). Fundamentos de transferencia de calor; 4ta.
Edición. Editorial PEARSON.
Pita G. Edward. (1999). “Principios y Sistemas de Refrigeración”. Editorial Mc Graw Hill. USA
Avalos Ortiz E. (2001). “Caracterización termoeconómica de equipos para plantas térmicas de
potencia”, Tesis de Maestría. Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica.
México.