2Verónica García Molina, Febrero 2010
DOW™EDIModule FILMTEC™
RO Modules
DOWEX™ IX Resins
ADSORBSIA Media
DOW™Ultrafiltration
Module
3Verónica García Molina, Febrero 2010
Centro de Desarrollo de Tecnología de Agua (Tarragona)
Centro de Desarrollo de Tecnología de Agua
4Verónica García Molina, Febrero 2010
SWRO plants
CONTENIDO
EVOLUCIÓN DESALACIÓN
ÓSMOSIS INVERSA – PRINCIPIOS
CONFIGURACIONES
REDUCCIÓN COSTES
5Verónica García Molina, Febrero 2010
Fuente: www.abc.net.au/news/
• El 75% de la superficie del mundo está formada por agua
• El 98% del agua mundial contiene sal, por lo que no es apta para el consumo
• El 41% de la población de la Tierra (2.300 millones) vive en zonas con problemas de escasez de agua; en 2025 serán 3.500 millones de personas
Disponibilidad de agua: Un reto mundial
INTRODUCCIÓN
6Verónica García Molina, Febrero 2010
Klaus Wangnick, EDS Newsletter # 18, May’03
INTRODUCCIÓNEvolución Desalación 1966-2003
7Verónica García Molina, Febrero 2010
Desalación como proceso natural1- Evaporación agua de mar, condensación y precipitación
Base de los procesos térmicos actuales
Evolución Desalación
8Verónica García Molina, Febrero 2010
Desalación como proceso natural2- Ósmosis en células biológicas: intercambio de agua y sales en base a gradientes de concentración
Base de los procesos de ósmosis inversa actuales
Evolución Desalación
9Verónica García Molina, Febrero 2010
Desalación como proceso natural
3- Congelación de agua de mar (polos):
Base de los procesos de congelación actuales (no practicados en plantas de gran escala)
Evolución Desalación
10Verónica García Molina, Febrero 2010
� En uso hace miles de años (China, Egipto); evaporación natural o calefacción externa
� Principios Años 50: Primeras plantas a gran escala: Jeddah, Kuwait, Curaçao. Multi Effect Distillation (MED)
� Finales Años 50: Implementación de “Multi Stage Flash Distillation”(MSF)
Procesos Térmicos
� 1886: Descubrimiento Presión Ósmotica, van´t Hoff
� Años 50: Primeros ensayos de Ósmosis Inversa con membranas de acetato de celulosa.
Ósmosis Inversa
Evolución Desalación
11Verónica García Molina, Febrero 2010
Major Desalination Processes
� Década 60 y 70: Complejos de Desalación de gran capacidad
� Finales década 70: Desarrollo de alternativas a los procesostérmicos, desalación por compresión de vapor (simple o multi efecto)
Procesos Térmicos
� Década 60 y 70: Estudios posibles configuraciones: tubular…
� Década 70: Desarrollo membranas de película fina y de módulos de enrollamiento en espiral.
� Década 80: Primera planta de gran escala
� Década 90: La combinación película fina + enrollamiento en espiraldomina el mercado de ósmosis inversa
� Actualidad: Optimización y Reducción de costes
Ósmosis Inversa
Evolución Desalación
12Verónica García Molina, Febrero 2010
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15
Energy consumption (kWh/m3)
SWRO (advanced)
SWRO (conventional)
Thermal (advanced)
Thermal (conventional)
Requerimientos Energéticos
Evolución Desalación
13Verónica García Molina, Febrero 2010
ContenidoContenido en Sales Agua en Sales Agua alimentacialimentacióónn (mg/l)(mg/l)
Intercambio Iónico
Electrodiálisis
Destilación
600
10,000
Ósmosis Inversa
300
50 50,000
100,000100,0001010
20,000
Evolución Desalación
14Verónica García Molina, Febrero 2010
SWRO plants
CONTENIDO
EVOLUCIÓN DESALACIÓN
ÓSMOSIS INVERSA – PRINCIPIOS
CONFIGURACIONES
REDUCCIÓN COSTES
15Verónica García Molina, Febrero 2010
Flujo
Ósmosis Ósmosis Inversa
Flujo
Presión
Membrana Semi-Permeable
Solución Concentrada
SoluciónDiluida
Ósmosis Inversa - Principios
16Verónica García Molina, Febrero 2010
Sección Membrana de Película Fina
0.2 µm
40 µm
120 µm
Polyamide
Polysulfone
UltrathinBarrier Layer
Reinforcing Polyester
Fabric
Ósmosis Inversa - Principios
17Verónica García Molina, Febrero 2010
Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral
Concentrado
Agua producto
Concentrado
Agua Alimentación
Ósmosis Inversa - Principios
18Verónica García Molina, Febrero 2010
Espaciador Alimentación
Agua producto
MembranaEspaciadorPermeado
Agua Alimentación
Concentrado
Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral
Agua producto
Concentrado
Agua Alimentación
Ósmosis Inversa - Principios
19Verónica García Molina, Febrero 2010
Espaciador
Alimentación
Espaciador
PermeadoHoja Membrana
Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral
Ósmosis Inversa - Principios
20Verónica García Molina, Febrero 2010
®
Construcción Módulo por Enrollamiento en Espiral
Ósmosis Inversa - Principios
21Verónica García Molina, Febrero 2010
SWRO plants
CONTENIDO
EVOLUCIÓN DESALACIÓN
ÓSMOSIS INVERSA – PRINCIPIOS
CONFIGURACIONES
REDUCCIÓN COSTES
22Verónica García Molina, Febrero 2010
Componentes principales
BombaLínea de concentrado
Agua Bruta
Componentes principales:Bomba(s), tuberías, caja(s) de presión, elemento(s) de membrana
Línea de permeado
Una o más cajas de presión con uno o más elementos de membrana
Ósmosis Inversa – Configuración Instalación
23Verónica García Molina, Febrero 2010
Detalle Caja de presión
Detalle Elemento OI
Alimentación Módulo Ósmosis
Caja de Presión
Concentrado
Permeado
Ósmosis Inversa – Configuración Instalación
24Verónica García Molina, Febrero 2010
Instalaciones con una etapa
Cajas de presión en paralelo con una entrada de agua de alimentación y salidas de permeado y concentrado comunes
� Para caudales más altos
� Para conversiones relativamente bajas
� Típico en desalinización de agua
Permeado Total
Bomba
Concentrado
300 m3/día
Permeado 1ªcaja: 50 m3/día
Permeado 2ªcaja: 50 m3/día
Permeado 3ªcaja: 50 m3/día
50%ónAlimentaci de Caudal
Permeado de CaudalConversión ==
Valores mostrados a modo de ejemplo
Ósmosis Inversa – Configuración Instalación
25Verónica García Molina, Febrero 2010
Instalaciones con Etapas Múltiples
� Para conversiones altas
Bomba
Concentrado
Permeado
Concentrado
Sistema de dos etapas
200 m3/día
Permeado: 50 m3/día
Permeado: 50 m3/día
Permeado: 50 m3/día
Total: 100 m3/día (primera etapa) + 50 m3/día (segunda etapa)
%57ónAlimentaci de Caudal
Permeado de CaudalConversión ==
Valores mostrados a modo de ejemplo
Ósmosis Inversa – Configuración Instalación
26Verónica García Molina, Febrero 2010
Sistema de tres etapas
Bomba
Permeado
Concentrado
� Para conversiones altas
� Importante: Dependiendo de la calidad del agua de alimentación se
pueden conseguir conversiones de hasta el 90% con 2 etapas
Instalaciones con Etapas Múltiples
Permeado: 50 m3/día por caja Permeado: 50 m3/día
por cajaAlimentación: 400 m3/día
%85400
50100200
ónAlimentaci de Caudal
Permeado de CaudalConversión >
++==
Permeado: 50 m3/día
Ósmosis Inversa – Configuración Instalación
27Verónica García Molina, Febrero 2010
Instalaciones con recirculación de concentrado
� Una manera para aumentar la conversión es recirculando el rechazo para aumentar el caudal de entrada
Bomba
Recirculación
Permeado
Concentrado
Alimentación300 m3/día
Permeado:50 m3/díapor caja
150 m3/día
Alimentación 250 m3/día
50 m3/día
100 m3/día
%60250
150
ónAlimentaci de Caudal
Permeado de CaudalConversión ===
Valores mostrados a modo de ejemplo
Ósmosis Inversa – Configuración Instalación
28Verónica García Molina, Febrero 2010
Instalaciones con doble paso
� Permeado del primer paso se refina en el segundo paso � Utilizado cuando la calidad estándar del permeado no es suficiente.
Obtención de permeado de muy alta pureza� El segundo paso conlleva una disminución de la conversión total de la
instalación
Bomba
Concentrado(desagüe)
Permeado Final
Paso 1Paso 2
Valores mostrados a modo de ejemplo
Alimentación: 100 m3/día TDS 39,000 ppm
Permeado 1r paso: 45 m3/día TDS 300 ppm
40.5 m3/día TDS 20 ppm
Concentrado 4.5 m3/día TDS 2200 ppm
Ósmosis Inversa – Configuración Instalación
29Verónica García Molina, Febrero 2010
SWRO plants
CONTENIDO
EVOLUCIÓN DESALACIÓN
ÓSMOSIS INVERSA – PRINCIPIOS
CONFIGURACIONES
REDUCCIÓN COSTES
30Verónica García Molina, Febrero 2010
Reducción CAPEX (Coste Infraestructura)Reducción OPEX (Coste Operación)
Objetivo: Reducción Costes agua desalada
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
Wat
er c
ost
(U
S$/
m3)
Malta, early 1980s (Andrew s & Bergman 1987)
Spain, 1987(Farinas 1996)
Arabian Gulf , late 1980s
(Leitner 1989)
World, late 1990s(Wilf & Klinko 2001)
Israel, 2004(Redondo et al 2003)
31Verónica García Molina, Febrero 2010
Beneficios
• Menor Superficie• Menor número cajas de presión• Menos tuberías-conexiones• Menos válvulas• Menor coste construcción= Reducción Coste Capital
Aumento de 8 a 16”de diámetro
SWRO plants
Reducción Coste Capital
Objetivo: Reducción Costes agua desalada
32Verónica García Molina, Febrero 2010
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
1.60
1.70
1.80
1.90
0 8 16 24
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
3.75
0 8 16 24
3.40
3.60
3.80
4.00
4.20
4.40
4.60
4.80
5.00
5.20
5.40
0 8 16 24
Estimación reducción costes de capital en diferentes escenarios
Cost
eC
apital
($
porgal
/day
)
Diámetro nominal módulo(pulgadas)
100.000 550.000400.000200.000Tamaño Planta(m3/día)
X 50.000
Agua salobresubterránea
Agua salobresuperficial
Agua de mar
Bartels, C.; Bergman, R.; Hallan, M.; Henthorne, L.; Knappe, P.; Lozier, J.; Metcalfe, P.; Peery, M.; Shelby, I.; “Industry Consortium Analysis of Large Reverse Osmosis and Nanofiltration Element Diameters”, Desalination and Water Purification Report No. 114, U.S. Bureau of Reclamation, 2004.
Reducción Coste CapitalObjetivo: Reducción Costes agua desalada
33Verónica García Molina, Febrero 2010
Manipulación
Carga manual módulos 8 pulgadas
Peso módulos en seco:
• 16 pulgadas: 54 kg
• 8 pulgadas: 14 kg
Carga manual de módulosde 16 pulgadas no factible
Reducción Coste CapitalObjetivo: Reducción Costes agua desalada
34Verónica García Molina, Febrero 2010
Guía para soporte de módulos Transporte de módulos
Reducción Coste CapitalObjetivo: Reducción Costes agua desalada
35Verónica García Molina, Febrero 2010
Equipo de carga en Bedok NEWater Plant, Singapur
Equipo para carga automática de módulos de 16 pulgadas
Carga de Membranas
Reducción Coste CapitalObjetivo: Reducción Costes agua desalada
36Verónica García Molina, Febrero 2010
Cost Distribution in large Sea Water Reverse Osmosis desalination plants
Cost of Electricity 55%
Amortization 30%
Insurance 1%
Replacement and repair 5%
Chemicals 7%
Labor and Overhead 2%
Desglose del coste.
- 40 a 55% corresponde a la electricidad
- 80 a 90% de la electricidad corresponde
a la bomba de alta presión
150,000 m3/día
37.000 ppm de TDS
Rango de temperatura 14-25ºC
Contenido de permeado en bromuro menor de 0,1 ppm
Reducción Coste OperaciónObjetivo: Reducción Costes agua desalada
37Verónica García Molina, Febrero 2010
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
1980 1990 2000 2001 ADC-2005
kWh/m3
Nota:
1. Los valores de consumo energético representan solamente el proceso de OI. No incluyen ninguna permisión para el suministro o distribución del agua.
2. Los valores son un promedio general para localizaciones de agua de mar estándares por ASTM.
Fuente: Affordable Desalination Collaboration
1.5-2.0 kWh/m31.5-2.0 kWh/m3
Consumo energético histórico de la desalinización de agua de mar por OI
Reducción Coste OperaciónObjetivo: Reducción Costes agua desalada
38Verónica García Molina, Febrero 2010
91%
9%
Electricity for the HighPressure Pump
Other electricity
SWRO plants
DDóóndende consumimosconsumimos energenergííaa••TomaToma aguaagua••PretratamientoPretratamiento••BombaBomba de de altaalta presipresióónn••PostPost--tratamientotratamiento••DistribuciDistribucióónn••OtrosOtros ((iluminaciiluminacióónn etc.etc.
Reducción Coste OperaciónObjetivo: Reducción Costes agua desalada
Objetivos• Disminuir energía consumida Bomba alta presión• Diminuir enegía requerida por los módulos
– Membranas con elevada permeabilidad– Menor ensuciamiento
• Mejorar hidraúlica dentro de las cajas de presión
39Verónica García Molina, Febrero 2010
0
1
2
3
4
5
6
6000 gpd70% e P&M0% e ER
6000 gpd80% e P&M90% e ER
Energ
y c
onsum
ption (kW
h/m
3) Pump & motor
Brine
Membranes
Thermodynamic
91%
9%
Electricity for the HighPressure Pump
Other electricity
El Consumo disminuye un 50% si se aumenta la eficiencia de la bomba al 80% y el recuperador de energía al 90%.
Reducción Coste OperaciónObjetivo: Reducción Costes agua desalada
40Verónica García Molina, Febrero 2010
Rechazo
Caudal
Innovación
Salinidad en el agua producto
Consumo de energía
Sistema = Membrana Sistema = Membrana Agua de alta calidad = Alto rechazoAgua de alta calidad = Alto rechazo
Baja energBaja energíía = Alto caudala = Alto caudal
El reto en el desarrollo en desalinización: Reducir consumo energético manteniendo o mejorando la calidad de agua
Innovación
Reducción Coste OperaciónObjetivo: Reducción Costes agua desalada
41Verónica García Molina, Febrero 2010
99
99.1
99.2
99.3
99.4
99.5
99.6
99.7
99.8
99.9
4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000Flow (gpd)
Reje
ction (%
)
Standard element High productivity element Extra high rejection Ultra low energy
FILMTECSW30HR LE-400
FILMTECSW30XLE-400
1996: FILMTECSW30HR-380
1985: FILMTECSW30HR-8040
1996: FILMTECSW30-380
1985: FILMTECSW30-8040
2001
to
2005
1996
to
20001991
to
19951986
to
1990
FILMTECSW30XHR-400i
FILMTECSW30HR370/34i
FILMTECSW30ULE-400
2006
to
2008
Rechazo
Caudal
Innovación
Rechazo
Caudal
Rechazo
Caudal
InnovaciónReducción Coste Operación
Objetivo: Reducción Costes agua desalada
42Verónica García Molina, Febrero 2010
Diseños Híbridos
• Módulos con menor producción de permeado en las primeras posiciones de la caja de presión
• Mejora de la hidraúlica
• Menor ensuciamiento
Reducción Coste Operación
Objetivo: Reducción Costes agua desalada
43Verónica García Molina, Febrero 2010
6 x SW30HRLE-400i (7,500 gpd)
Conversión 37.11%
6 x SW30ULE-400i (11,000 gpd)
Conversión 42.42%1 x SW30HRLE-400i + 1 x SW30XLE-400i + 4 x SW30ULE-400iConversión 41.80%
* Presión Alimentación: 56 bar
* Salinidad Alimentación: 35,000 ppm
* Caudal Alimentación: 12,4 m3/h
1 x 7,500 gpd + 1 x 9,000 gpd + 4 x 11,000 gpd
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1 2 3 4 5 6
Element Position
Perm
eate flow rate (cmh)
SW30HRLE400i
Maximum FlowGuideline
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1 2 3 4 5 6
Element Position
Perm
eate flow rate (cmh)
SW30HRLE-400i
SW30ULE400i
Maximum FlowGuideline
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1 2 3 4 5 6
Element Position
Permeate flow rate (cm
h)
Internally StagedDesignSW30HRLE-400i
SW30ULE400i
Maximum FlowGuideline
Reducción Coste OperaciónObjetivo: Reducción Costes agua desalada