PDF (Tesis) - Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e

DESALINIZACION DE AGUA SALOBRE PARA
LA RECUPERACIÓN TERCIARIA DE
PETROLEO
MARIA EUGENIA CASTRO
DIRECTORES:
DR. ALFREDO BARBERO
ING. ERNESTO ESPARZA
CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN EN APLICACIONES TECNOLÓGICAS
DE LA ENERGÍA NUCLEAR
INSTITUTO BALSEIRO – UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO
COMISIÓN NACIONAL DE ENERGÍA ATÓMICA
FACULTAD DE INGENIERÍA – UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
REPÚBLICA ARGENTINA
DICIEMBRE 2002
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................... 4
1. RESUMEN .....................................................................................................................
6
2. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................
7
3. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................
8
3.1. Alcance .................................................................................................................
3.2. Conceptos generales sobre el desarrollo del presente trabajo ...........................
3.3. Conceptos generales sobre explotación de petróleo y recuperación ..................
3.3.1. Factores que influyen en la formación de un yacimiento .........................
3.3.2. Explotación de petróleo ............................................................................
3.3.3. Recuperación de petróleo .........................................................................
3.3.3.1.Recuperación primaria .......................................................................
3.3.3.2.Recuperación secundaria ...................................................................
3.3.3.3.Recuperación terciaria .......................................................................
3.4. Objetivos del equipamiento .................................................................................
3.5. Ventajas del proceso ...........................................................................................
3.6. Significado económico del sistema ......................................................................
8
8
8
8
10
11
11
11
13
13
14
14
4. BASE DE PROYECTO ................................................................................................... 15
4.1. Producción .......................................................................................................... 15
4.2. Especificación del Producto ............................................................................... 15
5. PROCESO PARA LA DESALINIZACION DE AGUA SALOBRE ....................................... 16
5.1. Introducción ........................................................................................................ 16
5.2. Proceso de humidificación-dehumidificación ..................................................... 19
5.3. La evolución de las variables en el proceso ........................................................ 19
6. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EN PLANTA PILOTO ..................................................... 21
6.1. Descripción de la operación en Pozo Productor de Petróleo .............................
6.2. Descripción de la operación en Planta Piloto .....................................................
6.3. Instrumentación del equipo .................................................................................
6.4. Variables que intervienen ....................................................................................
21
22
23
23
7. DIAGRAMA DE BLOQUES ............................................................................................ 25
8. DIAGRAMA DE PROCESOS .......................................................................................... 26
9. BALANCE DE MASA ..................................................................................................... 28
10. DIAGRAMA DE INGENIERÍA (P&I D) ......................................................................... 29
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
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11. UBICACIÓN DE LA PLANTA PILOTO ........................................................................... 30
12. MONTAJE DEL EQUIPO EN PLANTA PILOTO ............................................................. 31
13. LISTA DE EQUIPOS PRINCIPALES ............................................................................... 32
13.1.
13.2.
13.3.
13.4.
13.5.
13.6.
13.7.
13.8.
13.9.
Torre de humidificación. TO-101 ...................................................................
Torre de condensación. TO-102 .....................................................................
Bomba de recirculación agua salobre. BO-101 .............................................
Bomba de recirculación agua desalinizada. BO-102 .....................................
Horno de calentamiento. HO-101 ...................................................................
Compresor de aire. CO-101 ...........................................................................
Compresor de aire. CO-102 ...........................................................................
Intercambiador de calor HX-101 ....................................................................
Elementos de medición ....................................................................................
32
32
32
32
32
33
33
33
33
14. SERVICIOS ................................................................................................................... 34
14.1.
14.2.
14.3.
14.4.
14.5.
Aire comprimido .............................................................................................
Agua de Enfriamiento .....................................................................................
Energía Eléctrica ............................................................................................
Laboratorio de Análisis Químicos ..................................................................
Agua Desmineralizada ....................................................................................
34
34
34
34
34
15. EXPERIENCIAS REALIZADAS ...................................................................................... 35
15.1. Descripción de las experiencias .....................................................................
15.1.1. Puesta en marcha .....................................................................................
15.1.2. Adquisición de datos .................................................................................
15.1.3. Cálculos realizados ...................................................................................
15.1.4. Secuencia experimental ............................................................................
15.2. Resultados: Correlación de datos ...................................................................
35
35
35
36
38
41
16. DETALLES DEL EQUIPO .............................................................................................. 43
17. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 44
18. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 50
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
AGRADECIMIENTOS
La realización de este trabajo es la combinación del
soporte, apoyo y empuje de muchas personas que con su
ayuda permitieron culminar este largo camino.
Por esta causa quiero
agradecer el apoyo
incondicional, absoluto e ilimitado de mi familia en esta
travesía que no siempre tuvo un horizonte despejado.
Quiero agradecer la colaboración del Dr. Alfredo
Barbero, al Ing. Ernesto Esparza, al Ing. Alberto Forchetti,
a la Sra. Silvia Galasso y al Dr. Carlos Gho.
Tampoco quiero dejar de reconocer la ayuda de las
autoridades de la Facultad de Ciencias Aplicadas a la
Industria de San Rafael.
A mis amigos de la C.E.A.T.E.N., a Poli y a
Daniel, gracias por el aguante.
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
La responsabilidad presente en todas las decisiones y actos de un pueblo
constituye la base de su libertad, independencia y autonomía. Esta responsabilidad es el
motor para cumplir los compromisos pactados y genera la obligación de responder
adecuadamente a las diversas situaciones que se presenten. Como resultado de este
accionar se logra que el beneficio se distribuya a los integrantes de la sociedad logrando
el bienestar de su gente y el engrandecimiento de la Patria.
Hoy, Argentina se enfrenta a una situación que es consecuencia de su erróneo
accionar. País productor de materia prima por excelencia, pero también generador de
tecnología, de recursos humanos y también de conocimiento a través de la investigación.
Sin embargo, hoy está atada a exigencias y delirios externos y quienes realmente pagan
las consecuencias son los más débiles de la manera más injusta: niños desnutridos,
jóvenes sin trabajos, desocupados no contenidos por un sistema, damnificados
reclamando equidad ante un sistema judicial arbitrario... los casos son innumerables.
Es por esto que se necesita una toma de conciencia, un cambio de rumbo capaz de
hacernos tomar decisiones responsables, cuyas consecuencias sean la protección de
quienes necesitan ayuda, el desarrollo de nuestra fortaleza y la defensa de la identidad
nacional. Es necesario un cambio profundo basado en el respeto mutuo y en la convicción
de que somos capaces de hacerlo.
Sin embargo, este accionar no debe aislarnos del mundo, nuestro principal
objetivo. Argentina debe poner en marcha su sistema productivo yerto. Para ello el país
debe explotar la materia prima para su propio beneficio y ofrecer tecnología al mundo,
recurso de mayor valor agregado. El desarrollo de esta tecnología requiere de energía y el
país cuenta con la posibilidad de generarla de variadas formas. Es por esto que se necesita
de todas ellas, de la complementariedad de los recursos energéticos, desde los
tradicionales hasta los denominados alternativos. Argentina requiere de un plan de
desarrollo energético que, por otro lado, resulta estratégico ya que existe relación directa
entre consumo energético y desarrollo.
Estamos hablando, entonces, de un desarrollo conjunto y por esto no debemos
caer frente a la idea errónea que cierto tipo de energía es mejor, más limpia o menos
contaminante que otra. Debemos tener claro que la transformación de energía no es gratis
y se debe pagar un precio por ello siempre. Este punto no es evidente todas las veces y
esto es aprovechado por organizaciones externas que, tras un manto de defensa de una
causa noble, tienen como único objetivo la detención de los proyectos y emprendimientos
nacionales que apuntan el desarrollo tecnológico y estratégico de la Nación.
Las decisiones tomadas de manera consciente y responsable son la base para el
desarrollo de una calidad de vida superior y se manifiestan desde los problemas más
simples y pequeños hasta aquellos de magnitud estratégica de orden nacional;
involucrando a todos los componentes de la sociedad. Tales cambios no son triviales y
requerirán de tiempo, sin duda alguna. Sin embargo, hoy es tiempo de empezar.
Diciembre 2002.
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
1.
C.E.A.T.E.N.
RESUMEN:
El siguiente escrito presenta un trabajo sobre la desalinización de agua salobre
proveniente de pozos petroleros, o de cualquier otra fuente de este tipo de fluido, ya que se
trata de un dispositivo experimental que puede ensamblarse en módulos, de ahí la facilidad de
instalación en diversos medios. La idea central consiste en quitar los solutos disueltos en la
solución mediante la evaporación del solvente y la posterior condensación del mismo,
realizando esto de una manera económica ya que se aprovecha el calor puesto en juego para la
evaporación y para la condensación.
El trabajo en sí, consistió en el montaje de un dispositivo a escala planta piloto con el
fin de estudiar las variables que tienen control sobre el proceso. Se llevaron a cabo una serie
de corridas experimentales y posteriormente se realizó una correlación de las variables
observadas.
Como el objetivo principal del desarrollo de este equipo está apuntado a la industria
del petróleo, se presenta una introducción sobre yacimientos, explotación y recuperación de
hidrocarburos. Posteriormente, se explica el dispositivo armado en la práctica y se detallan las
corridas experimentales que se realizaron. Por cada una de ellas, se dan los datos obtenidos,
los balances de masa y energía calculado y los resultados que se esperarían de acuerdo a lo
que dicta el marco teórico sobre este tema.
Finalmente, se comparan los datos y se correlacionan las variables, dando las
conclusiones, las posibles mejoras sobre el equipo y el proceso.
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
2.
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MARCO TEÓRICO
El consumo energético en el mundo es una medida del desarrollo global y del
bienestar de la población. Esta es una variable que a través de los años, muestra una evolución
positiva, es decir que a medida que pasa el tiempo, la energía consumida es cada vez mayor.
Si bien no es indicativo de cada una de las regiones globales, es una medida correspondiente a
la media de la población mundial.
En el siguiente gráfico, se muestra el consumo energético mundial desde 1973. Se han
sumado los aportes de los recursos energéticos primarios: petróleo, gas natural, carbón,
actividad hidroeléctrica y energía nuclear. El consumo se da en millones de toneladas de
petróleo equivalente
World Primery Energy Consumption
9000
Consumption
[million tonnes oil equivalent]
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
Time [year]
Fig. 1: Consumo mundial de energías primarias.
Y para poder suplir esta demanda, es necesario contar con los recursos energéticos
adecuados. Dichos recursos deben “complementarse” para abastecer la demanda.
Es por esta razón que es necesario buscar y apoyar todo tipo de emprendimientos que
apunten a desarrollar nuevos sistemas de transformación de energía y perfeccionar aquellos ya
conocidos, para lograr sistemas cada vez más eficientes.
Dentro de este marco se desarrolla el presente trabajo que apunta al perfeccionamiento
de los sistemas de recuperación secundaria y terciaria en la industria de la explotación del
petróleo, mediante la desalinización del agua que se emplea en este sistema.
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
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3. INTRODUCCIÓN
3.1. Alcance
El alcance de este documento comprende la descripción de las distintas alternativas de
operación, desde el punto de vista de la ingeniería de proceso, de una planta de producción de
tipo continuo.
El objetivo es que la planta tenga una capacidad que permita registrar y evaluar los
parámetros que afecten el proceso, de modo que se puedan estimar y extrapolar para una
producción en mayor escala. Llevando a la vez, un control adecuado sobre las posibles
fuentes de contaminación que pongan en peligro el medio ambiente.
3.2. Conceptos generales sobre el desarrollo del presente trabajo
El objeto de la construcción de la planta piloto es la de estudiar en la misma los
problemas de la producción de agua destilada a partir de agua salobre de formación que
proviene de la explotación de pozos petroleros. En este trabajo se consideran diferentes
alternativas de operación y la producción de cantidades razonables trabajando según dichas
opciones que permitan ajustar y optimizar los diferentes parámetros de proceso como así
también la posibilidad, en el futuro, de extrapolar dichos parámetros para producciones
mayores.
Se estudiará aquí la alternativa de humidificación-dehumidificación de aire, es decir,
se considerarán los procesos de:
1) Humidificación.
2) Condensación.
Tratándose de una instalación tipo planta piloto donde es más importante el
conocimiento de las variables involucradas, la construcción de una facilidad piloto es muy
flexible, y permite la convalidación experimental del proceso para una futura producción
industrial.
3.3. Conceptos generales sobre explotación de petróleo y recuperación
3.3.1. Factores que influyen en la formación de un yacimiento:
Para la existencia de un yacimiento de petróleo o gas deben existir las siguientes
condiciones y factores:
Cuenca sedimentaria: es la primera condición que debe cumplirse para la existencia de
un yacimiento de hidrocarburos. Una cuenca sedimentaria es una cubeta rellena de
sedimentos, únicas rocas donde se pueden generar los hidrocarburos y donde en general se
acumulan (existen algunos casos donde las acumulación de petróleo y gas se dan en rocas
graníticas). El tamaño de estas cubetas pueden variar de decenas de miles de km2, mientras
que el espesor es en general de miles de metros (hasta 6000 o 7000). Estas cubetas
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sedimentarias se encuentran rodeadas por zonas de basamento, es decir formadas por rocas
viejas y duras donde no se depositaron sedimentos y son, por consiguiente, estériles. Ejemplo
de cuencas en la Argentina son las del Golfo de San Jorge, la Neuquina, la Cuyana, la del
Noroeste y la Austral.
Roca generadora: Actualmente, se acepta la hipótesis del origen orgánico del petróleo.
Durante millones de años las sustancias orgánicas provenientes de restos de animales y
vegetales tales como plancton, algas, corales, y aún algunos tipos de ostras y peces, fueron
quedando incorporadas al fango del fondo de los mares y lagos donde estos organismos
vivían. Normalmente a esa profundidad no hay oxígeno, por lo cual la materia orgánica se
preserva. Estos sedimentos del fondo, en general, arcillosos, constituyeron lo que luego sería
la roca generadora de petróleo.
Esta roca es a su vez posteriormente cubierta por otros sedimentos, y así va quedando
enterrada a profundidad cada vez mayor, sometida a presiones y temperaturas más altas de las
que había cuando se depositó. Cuando la roca generadora se calienta, la materia orgánica se
va transformando y descomponiendo hasta llegar a los compuestos orgánicos más simples,
que son los hidrocarburos; proceso que toma millones de años.
Migración: Al estar en profundidad, la roca generadora está sometida a presión, lo que
hace que poco a poco el petróleo o gas generado vayan siendo expulsados de la roca. Ese
petróleo comienza a moverse a través de las fisuras o por el espacio que hay entre los granos
de arena de las rocas vecinas, empujando parte del agua que suele estar ocupando esos
espacios. Como el petróleo y el gas son más livianos que el agua, en general se mueven hacia
arriba, desplazando la misma hacia abajo. Este proceso se denomina migración. A veces, los
hidrocarburos no pueden seguir desplazándose porque se encuentran con una barrera que les
impide avanzar. De esta manera se empiezan a acumular generando con yacimiento.
Sello: Es la barrera que impide que sigan migrando los hidrocarburos. Es por lo
general un manto de roca impermeable, tales como mantos de sal, yeso o incluso rocas
volcánicas.
Reservorio: El petróleo se encuentra bajo tierra “embebido” en cierto tipo de rocas a
las que se denomina reservorios. Es una roca que tiene espacios vacíos dentro de sí (poros)
capaces de contener agua, petróleo o gas. Cada tipo de reservorio tiene sus características
tales como porosidad, permeabilidad y saturación de hidrocarburos.
Trampa: Es el elemento que evita que el petróleo se “derrame” hacia los costados. Las
trampas pueden estar dadas por rocas impermeables ubicadas a los lados del reservorio; un
ejemplo de esto es un cuerpo de arena (reservorio) totalmente rodeado por arcilla (sello y
trampa): es la llamada trampa estatigráfica. La trampa puede también ser producto de una
deformación de las rocas: es posible que se forme un pliegue de modo tal que hacia todos los
costados tanto el reservorio como el sello vayan bajando (formando un cuenco invertido).
Esta formación se conoce como trampa estructural.
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Roca
impermeab
Gas
Gas
Petróleo
Petróleo
Agua
Agua
Gas
Petróleo
Agua
Trampa estructural
Trampa estatigráfica
Fig. 2: Distintos tipos de trampas que pueden contener petróleo.
3.3.2. Explotación de petróleo:
Los fluidos de un yacimiento – petróleo, gas, agua – pueden ascender por una
perforación por la presión a los que están confinados en el mismo. Si la presión es suficiente,
el pozo resultará “surgente”: produce sin necesidad de ayuda. Si la presión sólo alcanza para
que los fluidos solo llenen el pozo parcialmente, se debe recurrir al bombeo.
Los yacimientos tienen tres tipos principales de mecanismos naturales que le aportan
energía y que definen su comportamiento al descomprimirse. Pueden actuar solos o
combinados y son:
a) Empuje por gas disuelto (disolved-gas drive): en este caso la fuerza impulsora es el
gas disuelto que tiende a escapar y expandirse por la disminución de la presión. Este
mecanismo es el que resulta en menores recuperaciones, las presiones de fondo
disminuyen rápidamente y la recuperación final suele ser menor del 20 %.
b) Empuje de una capa de gas (gas-cap drive): se da en el caso cuando el gas acumulado
entre el petróleo y el techo de la trampa genera un empuje sobre el petróleo hacia los
pozos. En esta situación es posible mantener la relación gas / petróleo constante hasta casi
agotar la bolsa de gas. La recuperación de un campo con capa de gas es del 40 – 50 %.
c) Empuje hidrostático (water drive): La fuerza impulsora más eficiente para provocar
la expulsión del petróleo del yacimiento es el empuje del agua acumulada debajo del
petróleo. La recuperación en un yacimiento con empuje de este tipo explotado
racionalmente puede llegar al 60 %.
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Dissolved-gas drive
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Gas-cap drive
Water drive
3.3.3. Recuperación de petróleo:
En los últimos años, se han desarrollado diversos procesos, complejos y sofisticados,
destinados al aumento de la recuperación de petróleo, en un esfuerzo por extraer la enorme
reserva que permanece en las profundidades debido a la ineficiencia de los mecanismos de
extracción primaria.
Muchos de esos procesos tienen una capacidad potencial de recuperación, en algunos
reservorios en particular, mayor que la inyección de agua; pero ninguno de ellos ha
conseguido la difusión y aplicabilidad generalizada de la misma.
3.3.3.1.Recuperación primaria: Lo expresado antes se refiere a la extracción del
petróleo en función a la energía existente en el yacimiento, acudiendo en casos necesarios a
medios artificiales. Esta explotación, denominada primaria, permite obtener entre un 15 y
35% del petróleo in situ. Si se trata de petróleos viscosos, la extracción puede ser inferior al
10 %. En casos excepcionales, se cuenta con energía suficiente provista por el empuje natural
del agua proveniente de una fuente a gran distancia y con capacidad de reposición: en estos
casos se mantiene naturalmente una buena presión de fondo que permite mejores porcentajes
de recuperación, hasta 50 % del petróleo in situ.
Es el primer período de obtención de petróleo de un campo, por medio del bombeo.
Esta es la producción inicial de hidrocarburos a partir de un pozo o campo. Las bombas no
funcionan incesantemente. La recuperación de hidrocarburos depende de la capacidad de fluir
a través de la formación, hacia el pozo, que a su vez depende de la porosidad y la
permeabilidad de la formación. El propósito es mantener un régimen constante de flujo que
prolongue la duración primaria del yacimiento lo más que se pueda.
El término “bombeo intermitente” se utiliza para indicar que sólo hay una cantidad
determinada de petróleo disponible en un pozo dado. Si una bomba funcionase
continuamente, el flujo de petróleo a través de la formación podría reducirse hasta el punto
que se produjesen infiltraciones de agua salada que aislasen irreparablemente bolsas de
petróleo que, de otro modo, se hubiesen recuperado. Se desperdiciaría gran cantidad de
hidrocarburos.
3.3.3.2.Recuperación secundaria: Es el siguiente intento de producir petróleo
después de que se ha obtenido por bombeo todo el crudo económicamente recuperable por el
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C.E.A.T.E.N.
método primario. La recuperación secundaria es un proceso que implica la incorporación de
energía adicional al reservorio. Consiste en reemplazar o en mejorar la fuerza natural del
yacimiento mediante un impulso artificial o inducido.
Un modo de hacerlo es perforar uno o varios pozos en el perímetro del yacimiento e
inyectar agua a presión en determinados pozos denominados “inyectores”. Esta saturación de
agua empuja los hidrocarburos remanentes hacia el resto de los pozos del yacimiento que
conservan el carácter de “pozos productores” por donde pueden extraerse mediante bombeo.
Este proceso es aplicable desde comienzos de la explotación para mantener la presión, o bien
ya iniciada la misma. Con la recuperación secundaria puede obtenerse un 25 % del petróleo
que no se ha extraído durante el proceso primario.
El agua a inyectar puede obtenerse de fuentes cercanas (ríos, lagos, etc.) o bien ser
reinyectada la producida junto con el petróleo (a esta agua apunta el tratamiento estudiado en
este trabajo). En todos los casos debe ser “compatible” con el agua de la formación
productiva, y debe ser convenientemente tratada a los efectos de evitar daños a la formación
así como al sistema de cañerías de inyección y a los pozos inyectores.
La adición de agua (waterflood) es actualmente el proceso secundario de inyección de
fluidos más utilizada en el mundo como método para recuperación de yacimientos de
petróleo. Se considera que el primer waterflood ocurrió en forma accidental en Pennsylvania,
en 1865. Años después se determinó que el agua fluía desde acuíferas superiores hacia las
capas petrolíferas incrementando la recuperación de petróleo. Si bien se ha conocido desde
1880 que inyectando agua en una formación productiva mejoraba la recuperación de crudo,
recién en 1930 se adquirió experiencia de aplicación en campo al desarrollar varios proyectos
de inyección y su aplicación masiva, no se produjo hasta iniciada la década de los ’50. Hoy se
puede decir que la inyección de agua es la responsable de gran parte del crudo producido en el
mundo.
Las razones del éxito de este método pueden resumirse en:
a) disponibilidad general de agua
b) bajo costo, relativo a otros fluidos de inyección
c) facilidad de inyectar agua en la formación
d) alta eficiencia del agua para desplazar el petróleo
Un pozo productor de petróleo genera una diferencia de presión en el yacimiento que
provoca la migración de los fluidos hacia el mismo. En la etapa primaria de extracción la
energía propia es suficiente para mover el fluido, pero ésta se va agotando durante el proceso
de producción.
El waterflooding repone fluido en el reservorio e induce una “recuperación” paulatina
de la presión que ha disminuido por la extracción de crudo, proveyendo una energía
“secundaria” que empuja el petróleo a los pozos productores.
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Pozo
productor
Pozo
inyector
Pozo
productor
Petróleo
Pozo
inyector
Petróleo
Agua fría
Agua Caliente
Fig. 3: Esquemas de la acción de distintos fluidos inyectados sobre el petróleo.
La distribución de los fluidos es sólo indicativa.
Otro método de recuperación secundaria es el de combustión in situ. Por el orificio del
pozo se baja un deflagrador de alta temperatura que, al dispararse, inflama parte de los
hidrocarburos del yacimientos. Si se obtiene una temperatura suficientemente elevada en el
área de combustión, los crudos más pesados se hacen menos viscosos y el frente de calor
avanza a través de la formación empujando el petróleo a través de la arenisca hacia los pozos.
La aplicación de este método se realiza, en razón de su costo, en la medida en que resulte
económicamente factible.
3.3.3.3.Recuperación terciaria: Es el tercer intento por seguir recuperando petróleo
después de que se ha obtenido todo lo posible por métodos primarios y secundarios. Los
métodos terciarios están siendo perfeccionados. Algunos de ellos son la inyección de vapor
(cíclica o continua), de aire, de CO2, la introducción de polímeros, la fractura con explosivos,
la fractura masiva por medios hidráulicos, la inyección de ácido carbónico, de solventes, la
introducción de cáusticos y muchos otros agentes.
Altos precios del crudo estimulan la aplicación de métodos de recuperación mejorada
o terciaria, dado que los mismos requieren grandes inversiones.
3.4. Objetivos del equipamiento:
A través de la realización de este trabajo, se busca encontrar la solución de la manera más
económica a los siguientes problemas técnicos:
Implementación de un método económico para la extracción de petróleo viscoso.
Producción y acondicionamiento económico de agua desmineralizada para ser usada
como solvente supercrítico en la recuperación terciaria de petróleo.
Producir agua potable o de proceso a un costo accesible en zonas desérticas como
existen en las cercanías de los campos de petróleo.
Calentar agua salobre o de proceso a un costo accesible en zonas aisladas.
Producir cloruro de sodio o carbonato de calcio como productos secundarios.
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3.5. Ventajas del proceso:
Recuperación terciaria de petróleo viscoso.
Mejora de recuperación secundaria de petróleo por el calentamiento de agua de
inyección.
Recuperación de la energía perdida en los humos provenientes del quemador.
Producción de agua con o sin dióxido de carbono.
Producción de agua desalinizada.
Recuperación de cloruro de sodio cristalizado o de carbonato de calcio precipitado.
El sistema mencionado puede funcionar como un sistema cerrado o abierto
permitiendo diferentes combinaciones para producir diversos productos, antes mencionados.
También permite calentar agua en forma eficiente del punto de vista térmico, para la
inyección de la misma a alta temperatura y presión para usos varios como ser limpieza,
desinfección, etc.
Facilita la extracción por calentamiento y disolución (agua con solvente supercrítico)
de petróleo viscoso del fondo de un pozo en forma económica sin usar un equipo costoso
como una caldera de alta presión, por la inyección de agua calentada a alta temperatura y
presión en el fondo de un pozo de petróleo viscoso, tanto por el agua como por el vapor
producido por evaporación súbita (flash) de la misma en el fondo del pozo.
3.6. Significado económico del sistema.
Son abundantes las áreas donde existen pozos con petróleo viscoso de difícil
extracción por métodos convencionales a un costo razonable, como ser usando vapor
producidos en calderas debido a su alto costo de inversión, de operación y de mantenimiento,
que usan como materia prima, agua bombeada de ríos distantes y que necesitan un tratamiento
posterior.
El presente proceso es más económico ya que utiliza agua salobre de fácil
disponibilidad en el lugar y un intercambiador de calor para calentar el agua al estado
supercrítico reemplazando a la caldera mucho más costosa.
También son abundantes los lugares donde se cuenta con agua salobre y que la
misma no puede ser usada directamente tanto para consumo como para proceso ya sea porque
esta contaminada o porque contiene muchas sustancias salinas. Este proceso permite
desalinizar agua salobre en forma económica lo que facilita su uso extensivo. Además,
permite la descarga de aguas salobres o contaminadas al medio sin perjuicio del mismo.
El proceso permite usar el poder calorífico superior del combustible ya que recupera
por condensación el agua formada por combustión, esto permite por sí solo la recuperación de
casi un 20% de energía suministrada.
Dada la característica del proceso, permite elegir el combustible más económico
disponible en el lugar de la implantación aunque el gas natural es el mas indicado.
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4. BASE DE PROYECTO
La planta piloto de desalinización de agua salobre deberá cumplir con las siguientes
bases de proyecto.
4.1. Producción
La producción de la planta será de 0,5 kg / h de agua desalinizada durante un turno de
8hs.
4.2. Especificación de los Productos
El agua desalinizada a producir deberá cumplir con la concentración y los siguientes
tenores mínimos de impurezas que la hacen aptas para su uso para la recuperación secundaria
y terciaria de petróleo.
Concentración mínimas:
NaCl 50 ppm.
Concentraciones Máximas NaCl 200 ppm.
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5. PROCESO PARA LA DESALINIZACION DE AGUA SALOBRE
5.1. Introducción
El objeto del presente trabajo consiste en la construcción de una planta piloto para la
fabricación de agua desalinizada. Se estudiará el proceso de humidificación-dehumidificación.
Los conceptos a utilizarse en este trabajo se detallan a continuación. La terminología y
las relaciones pertinentes a psicrometría son:
•
Humedad absoluta H: kg de vapor de agua transportadas por 1 kg de aire seco. Si se
supone comportamiento de gas ideal, tenemos:
H=
MW P
[Ma (P − p)]
donde Mw = peso molecular del aire; Ma = peso molecular del aire; p = presión parcial
del vapor de agua [atm]; P = presión total [atm]. Cuando la presión parcial del vapor de
agua p en el aire a una dada temperatura iguala a la presión de vapor del agua ps a la
misma temperatura, el aire está saturado y la humedad absoluta se denomina Hs
Humedad de saturación.
•
Porcentaje de humedad absoluta (porcentaje de saturación): se define como la relación
entre la humedad absoluta y la humedad de saturación. Está dada por:
100 ⋅ H 100 ⋅ p ⋅ (P − p S )
=
[pS (P − p)]
HS
•
Porcentaje de humedad relativa se define como la presión parcial del vapor de agua en
el aire dividido por la presión de vapor a una temperatura dada. Entonces:
RH = 100
p
pS
•
Punto de rocío o temperatura de saturación es la temperatura a la cual una mezcla dada
de vapor de agua y aire está saturada, por ejemplo, la temperatura a la cual el agua ejerce
una presión de vapor igual a la presión parcial del vapor de agua en la mezcla dada.
•
Calor húmedo cs es la capacidad calorífica de 1 kg de aire seco y de la humedad que
contiene. Para cálculos se toma:
cs = 0.24 + 0.45 H
donde 0.24 y 0.45 son los valores de capacidad calorífica del aire seco y del vapor de
agua respectivamente, y ambos se asumen constantes.
•
Volumen húmedo es el volumen en metros cúbicos de 1 kg de aire seco y del vapor de
agua que contiene.
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•
Volumen saturado es el volumen húmedo cuando el aire está saturado.
•
Temperatura de bulbo húmedo es la temperatura de equilibrio dinámico alcanzada por
una superficie de agua cuando la relación de transferencia de calor a la superficie por
convección iguala la relación de transferencia de masa que deja la superficie. En el
equilibrio, si no existe cambio en la temperatura de bulbo seco, el balance de calor sobre
la superficie es:
kg λ (ps - p) = hc (t - tw)
donde kg = coeficiente de transferencia de masa, [kg/h m2 atm]; λ = calor latente de
vaporización, kcal/kg; ps = presión de vapor del agua a la temperatura de bulbo húmedo,
[atm]; p = presión parcial del vapor de agua en el ambiente, [atm]; hc = coeficiente de
transferencia de calor, [kcal/h m2 °C]; t = temperatura de la mezcla de vapor de agua y
aire (temperatura de bulbo seco) [°C]; y tw = temperatura de bulbo húmedo, [°C]. Bajo
condiciones normales, la presión parcial y la presión de vapor son pequeñas en relación a
la presión total, y la ecuación de bulbo húmedo puede escribirse en términos de la
diferencia de humedad:
HS − H =
hC
(t − t w )
λk'
donde k’ = diferencia en las unidades de humedad [kg/h m2]
k' =
•
Mak g
Mw
= 1 .6 ⋅ k g
Temperatura de saturación adiabática o Líneas de entalpía constante. Si una
corriente de aire se mezcla íntimamente con una cantidad de agua a temperatura ts en un
sistema adiabático, la temperatura del aire caerá y su humedad se incrementará. Si ts es tal
que el aire que deja el sistema está en equilibrio con el agua, ts será la temperatura de
saturación adiabática y la línea que relaciona la humedad del aire con la temperatura es
una línea de saturación adiabática. La ecuación para esa línea es:
HS − H =
cS
λ
(t − t S )
El diagrama psicrométrico se va a utilizar para el sistema agua aire y es el que se
muestra a continuación, para distintos rangos de temperatura:
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Fig. 4: Diagrama psicrométrico para bajas temperaturas.
Fig. 5: Diagrama psicrométrico para un rango medio de temperaturas.
Fig. 6: Diagrama psicrométrico para altas temperaturas.
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- 18 -
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5.2. Proceso de humidificación-dehumidificación
El concepto sobre el que se basa este trabajo de desalinización del agua es la
eliminación de los solutos evaporando, en una primera etapa, el agua y condensándola en una
segunda. En teoría, el calor a aportar para la realización del primer paso, se recuperaría en el
segundo. Esto es debido a que en ambas etapas se pone en juego el calor latente de
vaporización del agua, considerando al equipo ya trabajando en régimen.
En el dispositivo de planta piloto, el aire precalentado en un horno, simulando las
condiciones de los humos de salida de una caldera, entran en contacto con el agua salobre que
circula en contracorriente en una torre de humidificación, donde salen de la misma saturados a
una temperatura de aproximadamente 55 ºC. De allí pasan a una torre de condensación o
dehumidificación donde se pone en contacto en contracorriente con agua desalinizada
previamente enfriada por el agua salobre que ingresa la torre de humidificación, condensa el
agua que arrastra el aire, produciendo el agua desalinizada.
5.3.Evolución de las variables en el proceso
Se parte de la base de una producción de agua desalinizada usando un exceso de aire
que se humidifica en la primera torre y luego en la segunda torre se condensa. El proceso se
sigue en base al diagrama psicrométrico de aire y vapor de agua.
El aire ingresa en condiciones ambientales (aproximadamente 20 ºC, 60 – 70%
humedad relativa y X = 0,02 kg agua por kg aire seco). Se calienta en un horno manteniendo
el valor de X, pero aumentando su temperatura. De esta manera, el valor de la humedad
relativa disminuye notoriamente (inferior al 5%). En estas condiciones, ingresa a la torre de
humidificación. El aire “casi” seco se humidifica hasta prácticamente la saturación alrededor
del 100 %. El aire disminuye su temperatura. La evolución completa de esta corriente gaseosa
se produce adiabáticamente, es decir, siguiendo la marcha de una de las curvas de temperatura
de bulbo húmedo en el diagrama psicrométrico.
En la torre de condensación entra el aire saturado a alrededor del 100 % y sale
saturado a una temperatura de, aproximadamente, 25 ºC, dejando la mayor parte de la
humedad que transportaba, condensada en la columna. El agua que se acumula en la torre
debe ser refrigerada para evitar que su temperatura aumente, lo que generaría que la
temperatura del aire también ascendiera, con lo que se condensaría menor cantidad de agua
desalinizada.
En cada caso debe calcularse la cantidad de agua que transporta el aire de tal forma
que conociendo el caudal másico de aire y el coeficiente X, se puede conocer la cantidad de
agua que el aire evaporó de la primera columna y condensó en la segunda. La evolución de las
variables en el proceso se muestra a continuación sobre un diagrama psicrométrico:
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Condensación
Humidificación
Calentamiento
Fig. 7: Evolución de las variables del proceso reflejadas en el diagrama psicrométrico.
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6. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
6.1. Descripción de la operación en Pozo Productor de Petróleo
El equipo que se estudia en el presente trabajo, permite mejorar la eficiencia y los
costos en cuanto a la desalinización del agua salobre.
Uno de los métodos que se emplean para la recuperación terciaria de petróleo es la
inyección conjunta de agua y vapor. Para esto se inyecta agua a 300°C y 150 bar. Al llegar a
la parte inferior, el agua se encuentra con un ambiente a menor presión y falshea, esto
significa que, instantáneamente, parte del agua se evapora por el cambio súbito de presión.
Esta mezcla de agua y vapor producen el empuje de la masa de hidrocarburos hacia el pozo
productor y aporta la energía necesaria para ayudar la salida del petróleo. Además, el aporte
de calor, reduce la viscosidad de la mezcla de hidrocarburos, lo que facilita la extracción del
petróleo.
Para lograr esto, se calienta agua, en boca de pozo, con un quemador. El agua
inyectada que sale del pozo lo hace con una gran cantidad de sales disueltas. Esta agua
caliente no puede reinyectarse al pozo por su menor temperatura y por la cantidad de solutos
que contiene; esta solución produce gran corrosión, por lo tanto, es necesario eliminar dichos
solutos del agua a reinyectar.
Por otro lado, en este simple esquema, se estarían eliminando gases con una
temperatura muy alta. La idea central es la de utilizar el calor de los gases para desalinizar
agua y dejarla en condiciones en cuanto a sólidos solubles para ser calentada e inyectada
nuevamente. En el dispositivo a utilizar, el calor necesario sería aportado por los gases de
combustión que salen del quemador.
500ºC
Agua Salobre
25ºC
100ºC
750ºC
350ºC
1000ºC
500
400
T [ºC]
300
200
100
Vapor
Agua
0
0.5
1.0
1.5
2.0
Vapor
Agua
2.5
Entropía
Fig. 8: Tratamiento del agua salobre y uso del agua desalinizada en la inyección de un pozo en producción.
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6.2. Descripción de la operación en Planta Piloto
En la planta piloto al equipo ingresa aire en condiciones ambientales. Es comprimido
levemente en dos compresores CO101 y CO102 conectados en paralelo hasta 1,1 atm y pasa
por una serpentina que está ubicada dentro de un horno HO101 en donde se calienta hasta
aproximadamente 300 ºC. Ingresa a la primera torre de relleno: TO101.
Esta torre cumple la función de humidificación del aire. Como ya se indicó en el
diagrama psicrométrico, el aire en estas condiciones cuenta con una humedad relativa del 5 %
o menos. A medida que asciende por la torre, el aire se encuentra en contracorriente con agua
a temperatura del orden de los 55 ºC. El aire entrega calor y por lo tanto desciende su
temperatura. Este calor es utilizado por el agua para evaporar una masa determinada,
quedando los solutos en esta primera torre.
La corriente saturada pasa a la segunda torre de relleno: TO102. En ella, la corriente
de aire y vapor se encuentra con agua fría en contracorriente. El vapor condensa y entrega su
calor latente de vaporización. El aire, por su parte, continua perdiendo calor sensible y su
temperatura continua descendiendo. A la salida de la torre, el aire sale prácticamente a la
misma temperatura que el agua y saturado. El agua dentro de la torre es quien absorbe el calor
cedido por el aire y por la condensación. Para evitar que su temperatura se eleve (con lo cual,
cada vez condensaría menos cantidad de vapor) se debe refrigerar para extraer el calor.
Una manera de lograrlo es precalentar el agua que va a ingresar a la torre de
humidificación TO101. Para esto se utiliza un intercambiador de calor HX101, del tipo de
serpentina. Por el interior de ésta, circula el agua a refrigerar y por el exterior, la corriente a
precalentar. Para mantener a las corrientes líquidas en movimiento se utilizan dos bombas
centrífugas, BO101 y BO102.
Cada una de ellas posee un sistema de by pass para permitir la regulación del caudal
de recirculación. El by pass consiste en la unión de la entrada y la salida al rodete de la
bomba. En el medio, se ha instalado una válvula. El caudal se controla accionando la apertura
de esta válvula. A medida que se encuentre más cerrada, entonces mayor será la cantidad de
agua que haya en el circuito porque evita que parte de la corriente impulsada pase a la parte
de la aspiración.
Se muestra a continuación un esquema de los equipos y las corrientes involucradas en
el equipo de planta piloto. Más detalles se dan en el Diagrama de Proceso.
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Entrada Agua
TO101
TO102
Aire
saturado
Aire
(condiciones
ambientales)
Salida Aire
CO101
Alimentación
Agua
By pass
CO102
Recirculación
Agua
BO101
HX101
By pass
BO102
Recirculación
Agua
Fig. 9: Esquema simplificado de los equipos y corrientes que componen el dispositivo.
6.3. Instrumentación del equipo
Las variables a controlar en el proceso en las distintas corrientes son: en el caso de
corriente gaseosa, temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo y en el caso de
corriente líquida, temperatura. Para esto se estudió, en un principio, colocar una serie de
termocuplas construidas con filamentos de hierro y de constantán. Sin embargo, a medida que
iban avanzando las experiencias, por distintos motivos, algunas termocuplas debieron ser
reemplazadas por otras o directamente se optó por medir con un termómetro de laboratorio.
Para realizar las mediciones en las termocuplas se empleó un multímetro digital y a
través de la curva de calibración de las termocuplas, se obtuvieron los datos correspondientes
a temperatura.
Más detalles se dan en el diagrama de instrumentación (P&I D).
6.4. Variables que intervienen
Las variables que se interrelacionan y afectan al proceso, además de aquellas que se
controlan directamente sobre el ensayo, son:
-
Calor latente de vaporización.
-
Relación L/G (L: caudal másico de líquido; G: caudal másico de gas).
-
Caída de presión en las columnas.
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-
Dimensiones de las columnas.
-
Tipo y eficiencia del relleno.
-
Eficiencia de las columnas.
-
Eficiencia del intercambiador de calor.
-
Densidad del aire.
-
Densidad del agua.
-
Tensión aplicada al horno.
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- 24 -
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7. DIAGRAMA DE BLOQUES
7.1. Concepto General
Las operaciones básicas a realizar en la planta piloto, se mencionan a continuación en
el Diagrama de Bloques. En él se presentan tres líneas que en distintos puntos (diferentes
operaciones) se encuentran y se ponen en contacto para dar lugar a las transferencias de calor
y masa.
Dada la característica modular que se le impone a esta planta, los diferentes
operaciones deberán llevarse a cabo y montarse sobre un soporte móvil.
Ingreso del aire al sistema
Ingreso de agua a HX
Compresión
Precalentamiento del agua
Calentamiento
Contacto con aire
Humidificación
Enfriamiento del agua
Deshumidificación
Contacto con aire
Salida
Acumulación agua desalinizada
DIAGRAMA DE BLOQUES
C.N.E.A.
IB
C.E.A.T.E.N.
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C.N.E.A.
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8. DIAGRAMA DE PROCESOS
En el esquema siguiente se muestra el diagrama de procesos original para el
funcionamiento del equipo. Sin embargo, como ya se explicará más adelante, el diseño debió
reemplazarse por no alcanzar la corriente de alimentación de la columna de humidificación,
en un principio, la temperatura necesaria para su ingreso. De esta manera, se anuló el ingreso
de agua a la torre, y la refrigeración del agua de la segunda torre, se realizó por medio del
ingreso de agua de la red.
Por esta razón, también se presenta el diagrama de procesos que se esquematiza el
equipo y las conexiones que realmente se utilizaron en las experiencias llevadas a cabo en
planta piloto.
Reposición de agua
Salida aire
saturado
Aire
saturado
Circuito agua
3
Circuito aire
4
Toma de ∆P
Aire
caliente
Aire
(Condiciones
Ambientales)
5
Alimentación
agua salobre
1
Aire
saturado
2
6
7
DIAGRAMA DE PROCESOS
Referencias:
1 Compresor CO101
5 Intercambiador calor HX101
2 Horno HO101
6 Bomba centrífuga BO101
C.N.E.A.
IB
3 Torre humidificación TO101 7 Bomba centrífuga BO102
4 Torre condensación TO102
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C.N.E.A.
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Reposición de agua
Salida aire
saturado
Circuito agua
Aire
saturado
Circuito aire
Toma de ∆P
4
5
Agua enfriamiento
2
Aire
(Condiciones
Ambientales)
Aire
caliente
8
Aire
saturado
1
3
6
Referencias:
1 Compresor CO101
5 Torre condensación TO102
2 Compresor CO101
6 Bomba centrífuga BO101
Salida de agua
de refrigeración
DIAGRAMA DE PROCESOS
C.N.E.A.
IB
7 Bomba centrífuga BO102
3 Horno HO101
4 Torre humidificación TO101 8 Intercambiador calor HX101
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7
C.E.A.T.E.N.
C.N.E.A.
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9. BALANCE DE MASA
De todas las corridas experimentales que se realizaron durante la ejecución de este
trabajo, se eligió una que es la más representativa del proceso y se presenta en el esquema
siguiente. Se representa el balance de masa del proceso completo y de cada una de las
corrientes que lo componen.
La corrida elegida para disponer en el balance de masa corresponde al día 29 de
noviembre.
6
9
8
4
5
Circuito agua
Circuito aire
Toma de ∆P
Agua enfriamiento
2
3
1
10
7
Componente
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Aire ambiente
Aire ambiente
Aire caliente
Aire + vapor
Aire salida
Recirc agua
Entrada HX
Salida HX
Ent refrig HX
Sal regrif HX
Caudal másico Caudal volum
[kg/h]
[m3/h]
3,1
1,1
4,2
4,7
4,2
252,0
104,0
104,0
91,4
91,4
2,65
0,94
6,67
3,92
3,59
0,26
0,10
0,10
0,09
0,09
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Tbs
[ºC]
Tbh
[ºC]
25,4
25,4
284,3
54,9
23,3
57,2
23,1
24,4
14,0
17,0
22,6
22,6
55,7
56,4
24,0
------
X
[kg agua/kg aire]
Densidad
[kg/m3]
Cp
[kcal/kgºC]
0,0219
0,0219
0,0219
0,1250
0,0238
------
1,15
1,15
0,63
0,89
1,15
984,59
997,55
997,23
999,27
998,80
0,251
0,251
0,251
0,300
0,251
1,05
1,00
1,00
1,00
1,00
C.N.E.A.
BALANCE DE MASA
C.N.E.A.
IB
C.E.A.T.E.N.
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10. DIAGRAMA DE INGENIERÍA (P&I D)
A continuación se presenta el diagrama de cañería e instrumentación (P&I D) donde se
muestra los puntos a partir de los cuales se obtuvieron los distintos datos experimentales,
además de las conexiones y válvulas empleadas para la regulación de los caudales de las
distintas corrientes.
TI
107
TI
108
TI
110
TI
112
FI
101
TI
113
Circuito agua
Circuito aire
Toma de ∆P
Agua enfriamiento
TI
105
TI
106
TI
101
TI
104
TI
102
TI
111
TI
103
TI
109
P&I DIAGRAM
Referencias:
TI
101
Medición Temperatura Bulbo Seco
C.N.E.A.
TI
102
Medición Temperatura Bulbo Húmedo
IB
FI
101
Medición Caudal aire
C.E.A.T.E.N.
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11. UBICACIÓN DE LA PLANTA PILOTO
La planta piloto se ubica en el Edificio E del Centro Atómico Bariloche dependiente
de la Comisión Nacional de Energía Atómica, sito en la ciudad de San Carlos de Bariloche,
provincia de Río Negro.
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12. MONTAJE DEL EQUIPO EN PLANTA PILOTO
El presente trabajo comenzó con el montaje del equipo. Se encontraban las columnas,
las bombas y los compresores emplazados en el sitio de operación. La tarea de montaje
consistió en la unión y colocación de mangueras, conductos y equipos necesarios para el
transporte y movimiento de las corrientes gaseosas y líquidas. Para esto se empleo:
-
Manguera de caucho de ½ ” de diámetro (unión de bombas centrífugas y torres
de relleno)
Manguera para riego de ½ ” de diámetro (ingreso de agua de refrigeración al
intercambiador de calor)
Conducto de plástico transparente de 1 cm de diámetro (toma de la caída de
presión en columnas)
Conducto de plástico transparente de ½ cm de diámetro (salida de agua de
refrigeración del intercambiador de calor)
Ducto plástico de 3 mm de diámetro (conducción de aire desde compresores a
la serpentina del horno)
Conducto corrugado (unión entre las dos torres para la conducción de la
corriente de aire saturado)
Este último está interrumpido por una válvula de tres vías que permite abrir e
introducir un termómetro de bulbo seco y uno de bulbo húmedo. Esto se dispuso de esta
manera debido a la imposibilidad de instalar una termocupla en dicho tipo de conducto.
Todas las conexiones entre manguera de caucho y salidas de vidrio en las columnas o
intercambiador de calor, se realizaron utilizando un acople de látex para evitar un esfuerzo
localizado sobre el vidrio y el daño consecuente. Se aseguró cada una de las conexiones con
abrazaderas metálicas y precintos plásticos, según corresponda.
El sistema de by pass de las bombas centrífugas se realizó utilizando acoples y
accesorios de PVC; conjuntamente con una llave de doble válvula para la regulación del
caudal de las bombas.
Para la calefacción del aire se utilizó un horno eléctrico que por medio de resistencias
caliente el interior del mismo que se encuentra revestido en bizcocho cerámico que actúa de
material refractario. En el interior del horno se ubicó una serpentina construida con un caño
de cobre de 3 mm de diámetro. Se trató de dimensionar dicha serpentina a fin de lograr que el
tiempo de residencia del aire dentro de la misma fuera suficiente para calentarlo hasta la
temperatura de operación del equipo.
Sin embargo, a medida que se fueron sucediendo las distintas corridas, se notó que la
pérdida de caudal de aire era cada vez mayor a igualdad de condiciones de operación de los
compresores. Pudo determinarse que este inconveniente se debía a la constante oxidación del
cobre en el interior de la serpentina por parte del oxígeno que contiene el aire, y este efecto
estaba aún incrementado por la temperatura de la corriente gaseosa. El óxido que se
desprendía (pequeñas escamas metálicas de color oscuro) se iban acumulando al ingreso de
una de las termocuplas, lo que generaba una caída de presión importante en este punto. Para
evitar este problema, se determinó que lo ideal era desarmar el acople que contenía a la
termocupla y limpiar el recinto del material oxidado que se hubiera juntado del día anterior de
operación.
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13. LISTA DE EQUIPOS PRINCIPALES
A continuación se da la lista de los equipos de uso compartido por los diferentes
procesos, a corroborar durante la ejecución de la ingeniería:
13.1.
Torre de humidificación. TO-101.
Es una torre donde se produce la humidificación y enfriamiento del aire que ingresa en
la misma al ponerse en contracorriente de agua salobre. La columna está construida en vidrio.
Posee entradas y salidas para las corrientes de aire y agua. Aquellas destinadas al aire tienen
tapón esmerilado para evitar fugas. El agua ingresa por la parte superior por medio de una
serie de orificios pequeños, distanciados de manera tal de producir una distribución
homogénea del fluido. La torre posee relleno de anillos tipo Raschig de plástico de 1 cm de
diámetro y 1 cm de longitud. Estos anillos poseen alta superficie expuesta debido a que son
corrugados. Las dimensiones de la columna son: 1.2 m altura y 0.1 m diámetro.
13.2.
Torre de condensación. TO-102.
Es una torre donde se produce la deshumidificación y enfriamiento del aire que
ingresa en la misma al ponerse en contracorriente de agua desalinizada. Constructivamente es
idéntica a la columna de humidificación.
13.3.
Bomba de recirculación agua salobre. BO-101.
La bomba centrífuga permite la circulación del agua salobre desde el fondo de la torre
a la parte superior de la misma. Es una bomba con un motor de 0.5 HP, con caudal máximo de
40 litros por minuto, 2.5 ampere y 2900 r.p.m.
13.4.
Bomba de recirculación agua desalinizada. BO-102.
La bomba centrífuga permite la circulación del agua desalinizada desde el fondo de la
torre a la parte superior de la misma. Es una bomba con motor de 0.5 HP, 35 litros por minuto
de caudal máximo, 2.5 ampere y 2850 r.p.m.
13.5.
Horno de calentamiento. HO-101.
Es un horno donde se calienta el aire a una temperatura variable de acuerdo al proceso,
de tal forma que permita simular las condiciones de salida de la chimenea de una caldera. El
horno es un cilindro metálico de 0.6 m de altura y 0.4 m de diámetro, revestido internamente
por bizcocho cerámico que se comporta como material refractario. El aire circula por una
serpentina de cobre ubicada en el interior del horno. El calentamiento del horno se produce
por medio de resistencias eléctricos. La diferencia de tensión aplicada se especifica en cada
experiencia realizada de acuerdo a la temperatura necesaria en el gas.
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13.6.
C.E.A.T.E.N.
Compresor de aire. CO-101.
Es un compresor de tipo diafragma que impulsa el aire desde el ambiente hasta las
torres, haciéndolo ingresar al circuito del equipo. El compresor cuenta con un tanque pulmón
de 0.8 m de longitud y 0.3 m de diámetro. El motor del compresor tiene una potencia de 0.25
CV, 1450 r.p.m. y 2.5 ampere. Posee un controlador para hacerlo funcionar, manteniendo la
presión del pulmón entre 20 y 40 psig. La regulación del caudal de aire se logra por medio de
una válvula instalada a la salida del tanque pulmón.
13.7.
Compresor de aire. CO-102.
Compresor del tipo diafragma doble sin tanque pulmón. Tiene motor de 2.5 HP y 1.8
ampere. Este compresor está conectado a CO101 en paralelo para aumentar el caudal de aire.
No posee regulación de la cantidad de aire, por lo que la misma se logra a través de la válvula
del otro compresor. Este equipo brinda un caudal fijo de 50 litros de aire por minuto (medido
a 20 ºC).
13.8.
Intercambiador de calor HX101.
Este intercambiador retira calor del agua que se aloja en TO102, para evitar que su
temperatura aumente. Este equipo está construido por un cilindro de vidrio que en su interior
posee un serpentín también de vidrio. El fluido caliente circula por este serpentín y el más frío
lo hace por el exterior. El serpentín posee 33 vueltas de 5.5 cm de diámetro cada una y 0.5 cm
de diámetro el conducto en espiral; lo que le da un área de intercambio total de 896 cm2
aproximadamente.
13.9.
Elementos de medición:
Los elementos de medición utilizados en la experiencia de desalinizacion se
mencionan a continuación:
- Caudalímetro de aire: el mismo se encuentra a la salida del equipo. El aire pasa por el
cuando abandona TO102. El caudalímetro posee un rango de medición de 15 a 175 litros de
aire por minuto (a 20 ºC).
- Termocuplas hierro – constantán.
- Multímetro digital.
- Termómetro de laboratorio (bulbo seco).
- Termómetro de laboratorio (bulbo húmedo).
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- 33 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
14. SERVICIOS
14.1.
Aire comprimido
El aire comprimido para la experiencia es provisto por los dos compresores ya
mencionados en el apartado anterior.
14.2.
Agua de Enfriamiento
El agua de enfriamiento es provista por la red de agua potable del lugar. Día a día las
condiciones en que el agua estaba disponible iban variando, de ahí la necesidad de tomar la
temperatura de entrada y salida al intercambiador y caudal de agua para cada una de las
experiencias.
14.3.
Energía Eléctrica
Es necesario este servicio para poner en funcionamiento los dos compresores, las dos
bombas y el horno.
14.4.
Laboratorio de Análisis Químicos
Una vez estudiado el fenómeno, y determinadas las condiciones óptimas de operación
para cierta serie de parámetros definidos, la idea es realizar una corrida utilizando agua
salobre que provenga realmente de un pozo productor de petróleo. Una vez finalizada, se
envían para su análisis una muestra de agua concentrada en solutos de TO101 y una muestra
del agua ya desalinizada extraída de TO102.
14.5.
Agua Desmineralizada
Para realizar la experiencia definida en el punto anterior, es necesario poner en
funcionamiento el equipo hasta que esté en régimen con agua desmineralizada en la columna
de condensación para no afectar el resultado del agua desalinizada que se obtenga como
producto de la operación.
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- 34 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
15. EXPERIENCIAS REALIZADAS
15.1.
Descripción de las experiencias
Temperatura
15.1.1. Puesta en marcha:
Para la puesta en marcha del equipo se coloca agua caliente a aproximadamente 60ºC
en TO101 para que este aporte de calor sea el necesario para calentar los anillos y a la torre
misma y ganar tiempo de esta manera para llegar al punto de equilibrio del equipo más
rápidamente. Si se hubiera agregado agua a temperatura ambiente, la rampa de calentamiento
es mayor, por lo que el tiempo para llegar a las condiciones de régimen también es mayor.
Esto se ilustra en la figura siguiente:
Agua 20 ºC
Agua 40 ºC
Agua 60 ºC
Operac régimen
Tiempo
Fig. 10: Efecto de la adición de agua a diferentes temperaturas a TO101. Las
pendientes no son estrictamente verdaderas; son sólo indicativas.
Generalmente, se requieren 3 horas para que el horno trabaje en régimen, una hora
para que el equipo de desalinización entre en estado estacionario y, a partir de este punto,
durante 2 horas se controlan los parámetros mencionados.
Una vez que el equipo se comienza a operar en estado estacionario, lo que se
comprueba tomando una serie de mediciones que se mantiene constante en el tiempo, se
detienen las bombas por un par de minutos y se toma lectura de los volúmenes iniciales de
agua en TO101 y TO102. El relleno retiene una cantidad importante de agua; por lo que se
procura tomar la diferencia de volúmenes a igualdad de condiciones, esto es, con el relleno
mojado al inicio y al final de la operación.
15.1.2. Adquisición de datos:
Primeramente, se toma la temperatura y la humedad ambientes. Luego, durante la
operación en régimen y cada 15 minutos se controla la temperatura en las siguientes
corrientes:
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- 35 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
Corrientes gaseosas:
Variables a controlar:
1.
2.
3.
4.
5.
Temp. bulbo seco, Temp. bulbo húmedo
Temperatura bulbo seco
Temperatura bulbo seco
Temp. bulbo seco, Temp. bulbo húmedo
Temp. bulbo seco, Temp. bulbo húmedo
Ingreso al proceso
Horno HO101
Ingreso a TO101
Ingreso a TO102
Salida del proceso
Corrientes líquidas:
6.
7.
8.
9.
10.
Ingreso a TO101
Ingreso a TO102
Salida a TO102
Ingreso a HX101
Salida HX101
Temperatura agua
Temperatura agua
Temperatura agua
Temperatura agua
Temperatura agua, Caudal de agua
Otras mediciones:
11.
12.
13.
14.
15.
16.
TO101
TO102
Sistema
Horno HO101
BO101
BO102
Volumen inicial y final, Caída de presión
Volumen inicial y final, Caída de presión
Caudal de aire en el proceso
Tensión aplicada
Caudal
Caudal
Una vez transcurridas las 2 horas de toma de datos, se detiene el equipo y se toman
nuevamente los volúmenes de las columnas para determinar experimentalmente las cantidades
de agua evaporada y condensada en cada una de ellas.
15.1.3. Cálculos realizados:
Con los datos obtenidos se realizan los cálculos para determinar la eficiencia del
equipo. Por cada una de las experiencias llevadas a cabo se hacen dos tipos de cálculos: el
primero para determinar la masa de agua evaporada y la segunda para la masa de agua
condensada. A su vez, para cada uno de estos ítems mencionados, se calcula la masa de agua
de manera teórica, luego siguiendo el diagrama psicrométrico y por último se compara con la
masa determinada experimentalmente.
El detalle de los cálculos realizados se da a continuación:
TO101
El aire ingresa a la torre a alta temperatura y sale saturado de la misma. El calor que
aporta es:
Qaire = maire . Cpaire . (Tºent – Tºsal)
[kcal / h]
A su vez, este calor es tomado por el agua y es utilizado para evaporar una dada masa
de agua (que es la incógnita a determinar) que absorbe el calor latente de vaporización λ a la
temperatura en que se encuentra el agua en la columna:
Qagua = magua . λ => magua teor = Qagua / λ
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[kg agua / h]
- 36 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
Otra manera de determinar la cantidad de agua que debería evaporarse es a través del
diagrama psicrométrico. Tenemos la corriente de aire caliente que queda perfectamente
determinado sobre el diagrama por su temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo. Ingresa con
un valor dado de X (kilogramos de agua por kilogramo de aire seco) y sale con otro valor de
X que también queda dado por sus temperaturas. De esa manera, haciendo la diferencia de X
y multiplicando por el caudal de aire seco (kg aire seco / h) se puede calcular la cantidad de
agua evaporada en la torre de humidificación:
[kg agua / kg aire seco]
∆X = Xsal - Xent
[kg agua / h]
magua psicrom = ∆X . Qaire seco
Finalmente, el dato experimental se obtiene haciendo la diferencia entre los volúmenes
antes y después de la experiencia, multiplicando por la densidad del agua ρ correspondiente a
esa temperatura:
[m3 / h]
∆V = Vinic - Vfinal
[kg agua / h]
magua exp = ∆V . ρ
En base a estos datos, se pueden calcular distintas eficiencias de la columna de
acuerdo al valor que se tome como referencia:
ε=
ε′ =
magua exp
m aguateor
⋅ 100
magua exp
maguapsicro m
⋅ 100
TO102
El aire ingresa a esta columna saturado de agua y a medida que avanza, ésta va
condensando, liberando su calor latente de vaporización λ. Además el aire cede calor al ir
descendiendo la temperatura. El calor cedido es tomado por el agua de refrigeración que
circula por el intercambiador. Además no puede evitarse que el agua que esta circulando por
la torre eleve su temperatura desde que se considera que el equipo está trabajando en régimen
hasta que se culmina la operación. El balance tiene la siguiente forma:
QHX + Qagua cal = Qaire enf + Qagua cond
Qagua cond = QHX + Qagua cal - Qaire enf = magua . λ
QHX = magua HX . Cpagua . (Tºsal – Tºent)
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C.N.E.A.
- 37 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
Qagua cal = magua . Cpagua . (Tºfinal TO102 – Tºinic TO102)
Qaire enf = maire . Cpaire . (Tºent – Tºsal)
Qagua cond = magua . λ => magua teor = Qagua cond / λ
De igual manera que en el caso anterior, por el diagrama psicrométrico también
pueden ubicarse los puntos de entrada y salida de la corriente gaseosa a la columna a través de
sus temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo y calcular la masa de agua que debería
condensar:
[kg agua / kg aire seco]
∆X = Xent - Xsal
[kg agua / h]
magua psicrom = ∆X . Qaire seco
El dato restante es la masa de agua que condensó tomado experimentalmente del
mismo modo que en el caso anterior:
[m3 / h]
∆V = Vinic - Vfinal
magua exp = ∆V .
[kg agua / h]
ρ
Finalmente se puede calcular la eficiencia de la columna de condensación de la
siguiente manera:
ε=
ε′ =
magua exp
m aguateor
⋅ 100
magua exp
maguapsicro m
⋅ 100
15.1.4. Secuencia experimental:
La secuencia experimental seguida durante el tiempo que duró este trabajo fue el
siguiente. Para más detalles, en la sección de datos obtenidos, se dan día por día, las
modificaciones al montaje y diseño del equipo.
INSTITUTO BALSEIRO
C.N.E.A.
- 38 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
Fecha
30/10/2002
31/10/2002
07/11/2002
18/11/2002
19/11/2002
20/11/2002
21/11/2002
25/11/2002
26/11/2002
27/11/2002
28/11/2002
29/11/2002
02/12/2002
03/12/2002
04/12/2002
05/12/2002
06/12/2002
C.E.A.T.E.N.
Modo operación
Se comienza a trabajar con las columnas. Originalmente BO102 no era centrífuga, sino
era una bomba dosificadora. Su caudal era sumamente bajo, por lo que prácticamente no
condensaba el vapor que pasaba por esta columna. El objetivo de estas experiencias no
fue el de poder calcular rendimientos o eficiencias, sino comenzara a estudiar cuáles eran
las variables predominantes del proceso. Las columnas tampoco estaban aisladas, por lo
que el calor perdido por convección natural al ambiente es grande. Tampoco se utilizó
HX101 el primer día. A partir del segundo se comenzó a usar el intercambiador, pero sin
alimentar a TO101 porque su temperatura no llegaba a estar cerca de la necesaria para su
ingreso. El día 07 se cambian los anillos de alúmina que originalmente constituían el
relleno porque frente al agua se partían o desgranaban. Por lo que tuvieron que
reemplazarse por otros de material plástico. Se trabaja con un solo compresor.
Se usa aislamiento en columnas. Se cambió la bomba dosificadora por una centrífuga. Se
utiliza también el HX101, pero sin circulación. Se colocan 840 ml que, cuando llegan a
41ºC se reemplaza este volumen por agua a 12ºC. El agua precalentada se envió a
TO101.
Ídem día anterior, pero con un volumen de 1000 ml en el intercambiador. Sin embargo,
ese día la experiencia se detuvo porque después de cierto tiempo el equipo llegó al
equilibrio (respecto a la segunda carga de agua fría) y el equipo era incapaz de condensar
el vapor en TO102 porque la temperatura del agua en esta columna estaba cerca de los
40ºC.
Se coloca entrada y salida de agua permanente al intercambiador desde la red de agua
potable. A partir de este punto, la cantidad de calor que extrae HX101 debe ser incluida
en el balance.
Se repite la experiencia del día anterior para corroborar los datos obtenidos. Se
determinan los caudales de circulación de las bombas centrífugas.
Se conectan los dos compresores en paralelo. Se aumenta el caudal de recirculación de
las bombas. A mitad de la experiencia se debe agregar 500 ml de agua a la temperatura
de equilibrio de TO101 para evitar cavitación de BO101. Esta práctica debe repetirse en
los días sucesivos. A partir del 25 y hasta el 29 se varía la temperatura de ingreso del aire
a TO101, manteniendo la masa de aire y el resto de las variables constante. El objetivo
es correlacionar los distintos ensayos para lograr una relación entre temperatura del gas y
volúmenes evaporado y condensado. Para variar la temperatura de entrada del gas se
debe manejar la tensión aplicada al horno. Este punto se explica más adelante.
Se varía la masa de aire que ingresa al sistema y se mantiene constante la temperatura.
De esta manera se busca correlacionar el caudal de aire con los volúmenes de agua
evaporado y condensado. La temperatura es muy difícil de mantener constante debido a
que el manejo a través de la tensión del horno no permite un manejo muy eficiente y
además que el caudal de aire es variable. Por esto es que para cada caso, se estudian las
condiciones y la tensión aplicada que mejor funcionen para la experiencia. Sin embargo,
dentro de ciertas oscilaciones, se ha adoptado como experiencias a temperatura
constante.
Tensión del horno:
El control de la temperatura del gas se logra mediante la tensión aplicada al horno.
Para conocer cuál es la relación que existe entre tensión y temperatura del gas (para un caudal
constante de aire), se realizó una curva relacionando con datos experimentales la temperatura
y la tensión. El gráfico resultante se muestra a continuación:
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C.N.E.A.
- 39 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
350
Temperatura [ºC]
300
250
y = 1,8116x - 147,16
2
R = 0,9931
200
150
100
50
0
100 120 140
160
180 200
220
240 260 280
Tension [V]
Fig. 11: Relación entre Temperatura del gas de entrada y tensión aplicada al
horno, para un caudal másico de aire de 4.2 kg aire por hora.
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C.N.E.A.
- 40 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
15.2.
C.E.A.T.E.N.
Resultados: Correlación de datos
Con los datos medidos y calculados, el objetivo es lograr una correlación de
variables entre las corridas realizadas para poder determinar de qué manera se ven
modificados los volúmenes evaporado y condensado variando otras variables del sistema.
Como las variables que interviene en el proceso son muchas y el tiempo de realización del
trabajo es corto, se eligen dos variables para realizar este estudio.
Para la correlación de variables, se han adoptado dos series de corridas
experimentales. Una de ellas se realizó manteniendo constante la temperatura de ingreso del
aire al sistema y dando diferentes valores al caudal másico de aire seco que entra al sistema; y
la segunda se llevó a cabo con el caudal másico de aire seco constante y variando la
temperatura del aire de ingreso al equipo. La variable a controlar y la que va a acusar los
cambios en las correlaciones son los volúmenes de agua evaporado y condensado medidos
experimentalmente.
En la primera correlación (temperatura constante y caudal másico variable) se han
graficado las siguientes factores:
- Volúmenes de agua evaporada y condensada medidos experimentalmente (con sus
correspondientes ajustes lineales)
- Volumen evaporado calculado teóricamente, el valor dado por el diagrama
psicrométrico y el medido experimentalmente (con sus correspondientes ajustes lineales).
- Volumen condensado calculado teóricamente, el valor dado por el diagrama
psicrométrico y el medido experimentalmente (con sus correspondientes ajustes lineales).
- Eficiencias de la evaporación, de la condensación y la global (con sus
correspondientes ajustes lineales).
En la segunda correlación (temperatura variable y caudal másico constante) se han
graficado las siguientes variables:
- Volúmenes de agua evaporada y condensada medidos experimentalmente (con sus
correspondientes ajustes lineales)
- Volumen evaporado calculado teóricamente, el valor dado por el diagrama
psicrométrico y el medido experimentalmente (con sus correspondientes ajustes lineales).
- Volumen condensado calculado teóricamente, el valor dado por el diagrama
psicrométrico y el medido experimentalmente (con sus correspondientes ajustes lineales).
- Eficiencias de la evaporación, de la condensación y la global (con sus
correspondientes ajustes lineales.)
Otro dato interesante obtenido es la relación L/G de cada una de las columnas. Los
libros de texto recomiendan que para una operación satisfactoria de una torre con anillos de
relleno como los que se utilizaron, conviene tener una relación L/G cercana a 10. Sin
embargo, en los casos estudiados, se ha corroborado que la relación es mayor que el dato
anterior. No se ha modificado la relación, por un impedimento de la capacidad instalada para
esta planta piloto. Lo correcto sería haber aumentado el caudal de aire hasta un valor más
adecuado.
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- 41 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
También se midió la caída de presión en cada una de las columnas. Estos datos van
desde los 3 a los 8 mm de columna de agua, lo que nos indica que la columna está
prácticamente “vacía”; es decir, que necesita un mayor caudal de agua y de aire. Sin embargo,
como ya se indicó anteriormente, en la planta piloto se ha tenido un factor de limitación de
equipamiento.
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- 42 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
16. DETALLES DEL EQUIPO
A continuación se presenta una serie de fotografías que muestran algunos de los
detalles más importantes del equipo en planta piloto.
17.
Detalle del Horno, Bombas
y Torres
Ingreso de Agua a la Columna
Equipo de Desalinización
Detalle Anillos de Relleno
Detalle del Ingreso de Agua a la Columna
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- 43 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
17. CONCLUSIONES
Las conclusiones que se desprenden del trabajo experimental y de la correlación de
datos, se dan a continuación:
•
Ensayos a temperatura constante y caudal másico variable:
La primera conclusión al observar el siguiente grafico es que a mayor caudal de
aire, mayor será la cantidad de agua evaporada y condensada para una misma temperatura.
-
400
350
300
Volumen [ml]
250
Vol cond exp
Vol evap exp
Lineal (Vol cond exp)
Lineal (Vol evap exp)
200
150
100
50
0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Caudal másico de aire [kg/h]
Fig. 12: Variación de volúmenes evaporado y condensado medidos experimentalmente
en función del caudal másico de aire a temperatura constante.
En el grafico anterior de volúmenes experimentales en función tanto de la
temperatura como del caudal másico de aire, el volumen condensado es siempre menor que el
evaporado debido a que se registran una serie de pérdidas tanto de calor como de masa en el
trayecto de la primera a la segunda torre. La evaporación se produce en la primera torre sin
necesidad que el aire viaje un cierto trayecto. Sin embargo, la condensación se produce en la
segunda columna y por lo tanto debe moverse esa corriente una determinada longitud. Este
camino hace que se pierda una cantidad de calor apreciable debido a que las conexiones y
mangueras no están aisladas, con lo que condensa parte del vapor que transporta el aire y que
no llega a la segunda columna.
-
- Debido a las mediciones realizadas, se puede explicar también esta diferencia en
el volumen condensado. En el conducto que conecta la primera columna con la segunda, se
encuentra la válvula de tres vías por la que se realizan las mediciones de temperaturas de
bulbo seco y bulbo húmedo. Para ello se debe abrir la válvula cada 15 minutos y mantenerla
así durante 2 minutos hasta que los termómetros se estabilicen. De esta manera se produce
una gran perdida de masa (aire y vapor) y es agua que no condensa en la segunda torre.
- Otro punto de pérdida está en el hecho que el aire sale saturado del equipo. Por un
tema de equilibrio, el aire no puede salir con menos humedad que la que corresponde a
saturación a esa temperatura. Si bien sale prácticamente a temperatura ambiente, el aire
contiene una cantidad de agua que se ha evaporado pero que no va a condensar.
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- 44 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
- Las bombas centrífugas tampoco están aisladas, por lo que en este punto también
se produce pérdida de calor.
En el gráfico siguiente se puede observar la relación casi idéntica que sigue la
evolución teórica con la psicrométrica, evidentemente la evolución experimental es menor
debido a las pérdidas antes mencionadas. Se observa que luego de un determinado valor del
caudal, el arrastre que produce el aire es importante, ya que la curva de los datos
psicrométricos están por encima de los teóricos.
-
600
500
400
Volumen [ml]
Vol evap teor
Vol evap psicr
Vol evap exp
Lineal (Vol evap teor)
Lineal (Vol evap exp)
Lineal (Vol evap psicr)
300
200
100
0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Caudal másico de aire [kg/h]
Fig. 13: Comparación de la evaporación determinada teóricamente, por el diagrama
psicrométrico y experimentalmente
En el gráfico 14 se observa que la evolución de los datos teóricos con los
psicrométricos poseen la misma pendiente, pero la segunda está por debajo, debido a las
pérdidas de masa y energía en el equipo. Los datos experimentales están aún por debajo
debido a las mismas razones.
-
800
700
600
Vol cond teor
Vol cond psicr
Vol cond exp
Lineal (Vol cond teor)
Lineal (Vol cond exp)
Lineal (Vol cond psicr)
500
Volumen [ml] 400
300
200
100
0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Caudal másico de aire [kg/h]
Fig. 14: Comparación de la condensación calculada teóricamente, la determinada por
diagrama psicrométrico y la determinada experimentalmente.
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C.N.E.A.
- 45 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
- En el último gráfico de esta correlación, se observa que las variaciones de las
eficiencias tanto de evaporación, de condensación como la global, son prácticamente nulas.
Esto esta indicando que en el rango de caudales másicos estudiados, los distintos tipos de
eficiencias calculados, son independientes del caudal. Se debería estudiar qué pasa con
caudales mucho más grande, sin embargo su efecto es prácticamente nulo para estos datos
estudiados.
100,0
90,0
80,0
70,0
Efic evap
Efic cond
Efic global
Lineal (Efic evap)
Lineal (Efic cond)
Lineal (Efic global)
60,0
Eficiencia [%]
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
2,5
2,7
2,9
3,1
3,3
3,5
3,7
3,9
4,1
4,3
4,5
Caudal másico de aire
[kg/h]
Fig. 15: Comparación de las eficiencias de la evaporación, de la condensación
y la global trabajando a temperatura constante.
•
Ensayos temperatura constante y caudal másico variable:
- Observando el siguiente gráfico de volúmenes evaporados y condensados en
función a la temperatura se puede concluir que a mayor temperatura del aire, mayor será la
cantidad de agua evaporada y condensada en las columnas, para un mismo caudal másico de
aire. Las razones por las cuales los datos de evaporación están por debajo de los de
condensación son las mismas que se dieron para la correlación anterior.
350
300
250
Vol cond exp
Vol evap exp
Lineal (Vol cond exp)
Lineal (Vol evap exp)
200
Volumen [ml]
150
100
50
0
100
150
200
250
300
Temperatura [ºC]
Fig. 16: Volúmenes de evaporación y de condensación determinados
experimentalmente en función de la temperatura
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- 46 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
- En el gráfico que se presenta a continuación, se observa que tanto los datos
psicrométricos como los experimentales tienen una evolución algo similar. Sin embargo, los
datos teóricos siguen una evolución totalmente distinta. Evidentemente el modelo no ajusta a
lo que está ocurriendo en la realidad. Probablemente, no se esté considerando correctamente
la variación del calor específico de la corriente gaseosa con la temperatura. Se ha considerado
una variación lineal, considerando solamente la media del Cp.
500
450
400
350
Volumen [ml]
Vol evap teor
300
Vol evap psicr
Vol evap exp
250
Lineal (Vol evap teor)
200
Lineal (Vol evap exp)
Lineal (Vol evap psicr)
150
100
50
0
100
150
200
250
300
Temperatura [ºC]
Fig. 17: Comparación entre la evaporación calculada teóricamente, la obtenida por el
diagrama psicrométrico y la determinada experimentalmente.
- En los ensayos realizados con temperatura del aire menor a los 150 ºC (302 ºF), la
evolución se aleja en gran medida de una transformación adiabática. En el esquema siguiente
se compara la evolución del proceso con la corriente de gas que ingresa a 125 ºC (257 ºF) y
con aire a temperatura de 285 ºC (77,7 ºF). Para la primera experiencia, se comprobó que la
temperatura a la cual sale la corriente de aire de la columna de humidificación es similar a la
temperatura de la segunda experiencia. Los cálculos están basados en experiencias
adiabáticas, pero se ve claramente que a medida que desciende la temperatura del aire, la
operación se aleja cada vez más de este comportamiento y, por lo tanto, los cálculos reflejan
cada vez menos lo que ocurre en la realidad.
TO1
TO1
HO1
Fig. 20
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Evolución a 125ºC
Evolución a 283ºC
C.N.E.A.
- 47 -
DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
- En el gráfico siguiente se observa que los datos teóricos, prácticamente, no
presentan cambios frente al aumento de la temperatura. Para todas las corridas, se observó que
la temperatura de salida de la primera columna casi no variaba, sino que se estabiliza en un
rango entre 50 y 55 ºC aproximadamente. Presumiblemente, por factores geométricos de la
torre, ésta tiene un volumen de relleno suficiente para que, en todos los casos, el aire llegue al
equilibrio, con lo que no afecta las condiciones de operación de la segunda columna.
450
400
350
Vol cond
teor
Vol cond
psicr
Vol cond
exp
Lineal (Vol cond
teor)
Lineal (Vol cond
exp)
Lineal (Vol cond
psicr)
300
Volumen [ml]
250
200
150
100
50
0
100
150
200
250
300
Temperatura
[ºC]
Fig. 18: Comparación de la condensación calculada teóricamente, la determinada por
diagrama psicrométrico y la determinada experimentalmente.
Otro punto interesante lo reflejan los datos extraídos del diagrama psicrométrico,
que indican que a mayor temperatura tienden a la recta de los datos teóricos. Esto se debe a
que una corriente de aire dada, a medida que se encuentra a mayor temperatura, más asemeja
su comportamiento al de una corriente de aire seco. El porcentaje de humedad relativa va
descendiendo y por esto su comportamiento se van haciendo similares.
-
En el último gráfico que se presenta, donde se comparan las eficiencias, también
se puede observar el efecto prácticamente nulo que posee el aumento de la temperatura sobre
la condensación, por el efecto de sobredimensionamiento de las columnas.
-
- La eficiencia de la evaporación decae con la temperatura probablemente porque
cuanto mayor sea la temperatura, más difícil es retener el calor evitando la disipación por más
que el equipo esté aislado. Esta pérdida es calor que ingresa a la columna pero que no evapora
agua, por lo que hace que la eficiencia sea menor.
INSTITUTO BALSEIRO
C.N.E.A.
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
C.E.A.T.E.N.
100,0
90,0
80,0
70,0
Efic evap
Efic cond
Efic global
60,0
Eficiencia [%]
50,0
40,0
Lineal (Efic evap)
Lineal (Efic cond)
30,0
Lineal (Efic global)
20,0
10,0
0,0
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
Temperatura
[ºC]
Fig. 19: Comparación de las eficiencias de la evaporación, de la condensación
y la global trabajando a temperatura constante.
- Al ser menor la eficiencia de la evaporación, disminuye también la eficiencia
global con la temperatura.
- En general, la eficiencia es pequeña porque el calor que retira el intercambiador
de calor, se pierde y no precalienta el agua de ingreso a la primera columna. Pero es de
esperar, que en futuros ensayos, los valores de eficiencia sean mucho mayores cuando se
aproveche este calor.
INSTITUTO BALSEIRO
C.N.E.A.
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DESALINIZACIÓN DE AGUA
18.
C.E.A.T.E.N.
BIBLIOGRAFÍA
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INSTITUTO BALSEIRO
C.N.E.A.
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