Intercambiador de presión

Un intercambiador de presión transfiere la energía de presión de un fluido a alta presión a uno a baja presión. Muchos procesos industriales operan a presiones elevadas y generan corrientes de residuos a alta presión. Una forma de suministrar un fluido a alta presión a dichos procesos es transferir la presión residual a una corriente de baja presión mediante un intercambiador de presión.

Un tipo de intercambiador de presión particularmente eficiente es el intercambiador de presión rotatorio. Este dispositivo utiliza un rotor cilíndrico con conductos longitudinales paralelos a su eje de rotación. El rotor gira dentro de una camisa entre dos tapas. La energía de presión se transfiere directamente del flujo de alta presión al flujo de baja presión en los conductos del rotor. Parte del fluido que permanece en los conductos actúa como barrera, impidiendo la mezcla entre los flujos. Esta acción rotatoria es similar a la de una ametralladora antigua que dispara proyectiles de alta presión y se recarga continuamente con nuevos cartuchos de fluido . Los conductos del rotor se cargan y descargan a medida que el proceso de transferencia de presión se repite.

El rendimiento de un intercambiador de presión se mide por la eficiencia del proceso de transferencia de energía y por el grado de mezcla entre las corrientes. La energía de las corrientes es el producto de sus volúmenes de flujo y presiones. La eficiencia es una función de las diferencias de presión y las pérdidas volumétricas (fugas) a través del dispositivo, calculadas con la siguiente ecuación:

$${\displaystyle \eta ={\frac {\Sigma {\text{ energía de salida}}}{\Sigma {\text{ energía de entrada}}}}={\frac {(Q_{G}-L)\times (P_{G}-HDP)+(Q_{B}+L)\times (P_{B}-LDP)}{Q_{G}\times P_{G}+Q_{B}\times P_{B}}}\qquad \qquad (1)}$$

donde Q es el caudal, P es la presión, L es el caudal de fuga, HDP es la diferencia de alta presión, LDP es la diferencia de baja presión, el subíndice B se refiere a la alimentación de baja presión al dispositivo y el subíndice G se refiere a la alimentación de alta presión al dispositivo. La mezcla es función de las concentraciones de las especies en las corrientes de entrada y la relación de los volúmenes de caudal al dispositivo.

Una aplicación en la que se utilizan ampliamente los intercambiadores de presión es la ósmosis inversa (OI). En un sistema de OI, los intercambiadores de presión se utilizan como dispositivos de recuperación de energía (DRE). Como se ilustra, el concentrado de alta presión de las membranas [C] se dirige [3] al DRE [D]. El DRE utiliza este flujo de concentrado de alta presión para presurizar el flujo de agua de mar de baja presión (el flujo [1] se convierte en el flujo [4]), que luego se fusiona (con la ayuda de una bomba de circulación [B]) con el flujo de agua de mar de máxima presión creado por la bomba de alta presión [A]. Este flujo combinado alimenta las membranas [C]. El concentrado sale del DRE a baja presión [5], expulsado por el flujo de agua de alimentación entrante [1].

En estos sistemas, los intercambiadores de presión ahorran energía al reducir la carga sobre la bomba de alta presión . En un sistema de ósmosis inversa de agua de mar que opera con una tasa de recuperación de agua de membrana del 40 %, el depósito de recuperación de energía (ERD) suministra el 60 % del caudal de alimentación de la membrana. La bomba de circulación consume energía; sin embargo, dado que esta bomba simplemente circula el agua y no la presuriza, su consumo energético es prácticamente insignificante: menos del 3 % de la energía consumida por la bomba de alta presión. Por lo tanto, casi el 60 % del caudal de alimentación de la membrana se presuriza con un aporte energético mínimo.

Las plantas desalinizadoras de agua de mar llevan muchos años produciendo agua potable. Sin embargo, hasta hace poco, la desalinización solo se utilizaba en circunstancias especiales debido al elevado consumo energético del proceso.

Los primeros diseños de plantas desalinizadoras empleaban diversas tecnologías de evaporación. Las más avanzadas son las desalinizadoras de evaporación de agua de mar por destilación instantánea multietapa , que utilizan múltiples etapas y tienen un consumo energético superior a 9 kWh por metro cúbico de agua potable producida. Por este motivo, las grandes desalinizadoras de agua de mar se construyeron inicialmente en lugares con bajos costes energéticos, como Oriente Medio, o cerca de plantas de procesamiento con calor residual disponible.

En la década de 1970 se desarrolló el proceso de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO), que permitía obtener agua potable a partir de agua de mar haciéndola pasar a alta presión a través de una membrana hermética, filtrando así las sales e impurezas. Estas sales e impurezas se descargan del dispositivo SWRO como una solución salina concentrada en un flujo continuo, que contiene una gran cantidad de energía a alta presión. La mayor parte de esta energía puede recuperarse con un dispositivo adecuado. Muchas de las primeras plantas SWRO construidas en las décadas de 1970 y principios de 1980 tenían un consumo energético superior a 6,0 kWh por metro cúbico de agua potable producida, debido al bajo rendimiento de la membrana, las limitaciones de caída de presión y la ausencia de dispositivos de recuperación de energía.

Un ejemplo de aplicación de un intercambiador de presión se encuentra en la producción de agua potable mediante el proceso de ósmosis inversa. En este proceso, una solución salina de alimentación se bombea a alta presión a través de un conjunto de membranas. El conjunto de membranas divide la solución salina de entrada en una solución supersalina (salmuera) a alta presión y agua potable a baja presión. Si bien la salmuera a alta presión ya no es útil como fluido en este proceso, la energía de presión que contiene es muy valiosa. Un intercambiador de presión se emplea para recuperar la energía de presión de la salmuera y transferirla a la solución salina de alimentación. Después de la transferencia de la energía de presión en el flujo de salmuera, esta se expulsa a baja presión para su drenaje.

Casi todas las plantas de ósmosis inversa que operan para la desalinización de agua de mar con el fin de producir agua potable a escala industrial están equipadas con un sistema de recuperación de energía basado en turbinas. Estas se activan con el concentrado (salmuera) que sale de la planta y transfieren la energía contenida en la alta presión de este concentrado, generalmente de forma mecánica, a la bomba de alta presión. En el intercambiador de presión, la energía contenida en la salmuera se transfiere hidráulicamente ^{[ 1 ] [ 2 ]} y con una eficiencia de aproximadamente el 98% a la alimentación. ^{[ 3 ]} Esto reduce significativamente la demanda de energía para el proceso de desalinización y, por lo tanto, los costos operativos. De ello se obtiene una recuperación de energía económica, con tiempos de amortización para estos sistemas que varían entre 2 y 4 años, dependiendo del lugar de operación.

La reducción de los costos energéticos y de capital permite que, por primera vez, sea posible producir agua potable a partir de agua de mar a un costo inferior a 1 dólar por metro cúbico en muchos lugares del mundo. Si bien el costo puede ser algo mayor en islas con altos costos de energía, la tecnología PE tiene el potencial de expandir rápidamente el mercado de la desalinización de agua de mar.

Mediante la aplicación de un sistema de intercambio de presión, que ya se utiliza en otros ámbitos, se puede lograr una eficiencia de recuperación de energía considerablemente mayor en los sistemas de ósmosis inversa que con el uso de bombas o turbinas de funcionamiento inverso. El sistema de intercambio de presión es idóneo, sobre todo, para plantas de mayor tamaño, es decir, con una producción de permeado de aproximadamente ≥ 2000 m³/día.

• Richard Stover fue pionero en el desarrollo de un dispositivo de recuperación de energía que actualmente se utiliza en la mayoría de las plantas desalinizadoras de ósmosis inversa de agua de mar.

• Análisis del rendimiento de los dispositivos de recuperación de energía por Richard L. Stover, Ph. D.
• Planta Ghalilah SWRO por Richard L. Stover Ph. D.
• http://www.energyrecovery.com/news/documents/ERDsforSWRO.pdf
• http://www.energyrecovery.com/news/pdf/eri_launches_advanced_swro.doc
• https://archive.today/20130421173348/http://www.patentstorm.us/patents/7306437-description.html