Estrategias para minimizar el vertido de aguas residuales - Veolia
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AR<br />
TraTamIenTO De aguaS reSIDuaLeS<br />
76 IngenIería QuímIca<br />
W. A. Shaw,<br />
J. D. Brosdal<br />
HPD – <strong>Veolia</strong> Water<br />
Solutions & Technologies<br />
(ee.uu.)<br />
S. Echeandia<br />
HPD – <strong>Veolia</strong> Water<br />
Solutions & Technologies<br />
(españa)<br />
<strong>Estrategias</strong> <strong>para</strong> <strong>minimizar</strong><br />
<strong>el</strong> <strong>vertido</strong> <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong><br />
Procesos <strong>de</strong> <strong>vertido</strong> líquido cero<br />
La presión medioambiental y la preocupación<br />
por <strong>el</strong> suministro <strong>de</strong> agua están forzando a<br />
muchas industrias a evaluar la viabilidad <strong>de</strong><br />
los procesos <strong>de</strong> <strong>vertido</strong> líquido cero. En estos<br />
procesos <strong>de</strong>ben consi<strong>de</strong>rarse la evaporación y la<br />
cristalización, especialmente cuando las <strong>aguas</strong><br />
<strong>residuales</strong> contienen sales muy solubles que <strong>de</strong>ben<br />
ser <strong>el</strong>iminadas. El presente artículo repasa las<br />
diferentes fuentes <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> con sales<br />
solubles, <strong>para</strong> luego examinar los tratamientos<br />
convencionales y avanzados existentes <strong>para</strong><br />
<strong>el</strong> tratamiento <strong>de</strong> estas <strong>aguas</strong>. Finalmente,<br />
se centra en las tecnologías <strong>de</strong> evaporación y<br />
cristalización, y propone un proceso a baja<br />
temperatura <strong>para</strong> reducir la inversión y los costes<br />
operativos <strong>de</strong> estas tecnologías.<br />
Los nuevos mo<strong>de</strong>Los LegisLativos, la sensibilidad<br />
medioambiental y <strong>el</strong> aumento <strong>de</strong> la preocupación<br />
por <strong>el</strong> suministro <strong>de</strong> agua, a largo plazo, están haciendo<br />
estudiar a las industrias <strong>de</strong> procesos químicos (Chemical<br />
Process Industries, CPi) distintas vías <strong>para</strong> reducir<br />
sus <strong>vertido</strong>s <strong>de</strong> agua. <strong>de</strong> hecho, más y más compañías<br />
están evaluando la viabilidad <strong>de</strong> los procesos <strong>de</strong> <strong>vertido</strong><br />
líquido cero (Zero Liquid Discharge, ZLd). esto normalmente<br />
implica la consi<strong>de</strong>ración <strong>de</strong> tecnologías <strong>de</strong><br />
evaporación y cristalización, las cuales pue<strong>de</strong>n ser muy<br />
costosas en cuanto a aspectos operacionales y <strong>de</strong> capital.<br />
sin embargo, nuevas propuestas, especialmente la<br />
evaporación a baja temperatura, pue<strong>de</strong>n proporcionar<br />
opciones extras al diseño <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong> evaporación<br />
<strong>para</strong> procesos ZLd. este artículo examina procesos<br />
convencionales, así como proceso avanzados <strong>de</strong> tratamiento<br />
<strong>de</strong> <strong>aguas</strong>, centrándose en <strong>el</strong> problema presentado<br />
por las sales altamente solubles y cómo la evaporación<br />
a baja temperatura pue<strong>de</strong> resolver este reto.<br />
en muchas instalaciones <strong>de</strong> industrias <strong>de</strong> procesos<br />
químicos <strong>el</strong> sistema <strong>de</strong> refrigeración <strong>de</strong> agua es<br />
responsable <strong>de</strong> la mayor parte d<strong>el</strong> consumo <strong>de</strong> agua<br />
y <strong>de</strong> su <strong>vertido</strong>. Históricamente la evaporación ha sido<br />
Nº 495
utilizada eficazmente <strong>para</strong> anular <strong>el</strong> <strong>vertido</strong> <strong>de</strong> purga<br />
<strong>de</strong> la torre <strong>de</strong> enfriamiento, concretamente en la industria<br />
<strong>de</strong> generación <strong>de</strong> <strong>el</strong>ectricidad en <strong>el</strong> oeste <strong>de</strong><br />
los ee.uu., don<strong>de</strong> los sistemas ZLd han sido utilizados<br />
principalmente con <strong>el</strong> propósito <strong>de</strong> conservación<br />
d<strong>el</strong> agua. <strong>de</strong>bido a que la purga <strong>de</strong> la torre <strong>de</strong> enfriamiento<br />
está r<strong>el</strong>ativamente diluida, generalmente con<br />
menos <strong>de</strong> 10.000 mg/L <strong>de</strong> sólidos disu<strong>el</strong>tos (tds), las<br />
membranas <strong>de</strong> ósmosis inversas se pue<strong>de</strong>n emplear<br />
como pretratamiento antes <strong>de</strong> su concentración en<br />
un evaporador y reducción a un sólido en un cristalizador.<br />
Las sales presentes en <strong>el</strong> agua <strong>de</strong> refrigeración<br />
son comúnmente sulfato sódico y cloruro sódico, con<br />
pequeñas cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> sulfato <strong>de</strong> calcio, sulfato magnésico<br />
y bicarbonato. Éstas son las sales que pue<strong>de</strong>n ser<br />
fácilmente cristalizadas por evaporación d<strong>el</strong> agua. sin<br />
embargo, muchas instalaciones generan <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong><br />
que contienen sales muy solubles y que no son tan<br />
fáciles <strong>de</strong> cristalizar. estas <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> presentan<br />
problemas importantes <strong>para</strong> las instalaciones que se esfuerzan<br />
por cumplir con los requisitos <strong>de</strong> <strong>vertido</strong> más<br />
restrictivos. al consi<strong>de</strong>rar la <strong>el</strong>iminación d<strong>el</strong> <strong>vertido</strong> <strong>de</strong><br />
estas <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong>, las instalaciones se encuentran<br />
frecuentemente limitadas en las opciones <strong>de</strong> tratamiento<br />
con las que pue<strong>de</strong>n operar, así como con los altos<br />
costes <strong>de</strong> inversión y explotación. La evaporación a baja<br />
temperatura es una solución medioambientalmente<br />
respetuosa que permite reducir los costes <strong>de</strong> inversión<br />
y explotación en com<strong>para</strong>ción con otras opciones ZLd<br />
<strong>de</strong> soluciones salinas muy solubles.<br />
1<br />
Fuentes <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> saladas<br />
La <strong>de</strong>nominación “altamente soluble o muy soluble”<br />
generalmente significa solubilidad, por lo menos hasta<br />
<strong>el</strong> grado <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> soluciones acuosas 10 molar.<br />
Las sales altamente solubles discutidas en este artículo<br />
incluyen cloruros <strong>de</strong> calcio y magnesio, nitratos <strong>de</strong><br />
amonio y sodio y ciertas sales <strong>de</strong> ácidos orgánicos, como<br />
<strong>el</strong> formiato <strong>de</strong> sodio.<br />
existen muchos sectores industriales que generan<br />
<strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> que contienen sales muy solubles,<br />
incluidas las centrales <strong>el</strong>éctricas que utilizan carbón,<br />
coque <strong>de</strong> petróleo o biomasa como combustible, y <strong>el</strong><br />
empleo <strong>de</strong> lavadores húmedos <strong>de</strong> gases en <strong>el</strong> proceso<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>sulfuración <strong>de</strong> los gases <strong>de</strong> combustión (Fgd) o<br />
en un proceso <strong>de</strong> ciclo combinado <strong>de</strong> gasificación integrada<br />
(igCC); plantas químicas y <strong>de</strong> fabricación <strong>de</strong><br />
fertilizantes; producción <strong>de</strong> gas y petróleo y lugares <strong>de</strong><br />
perforación; verte<strong>de</strong>ros y plantas que utilizan <strong>aguas</strong><br />
<strong>residuales</strong> municipales tratadas como agua <strong>de</strong> aporte/<br />
ajuste (make up water)<br />
1.1<br />
Aguas <strong>residuales</strong> <strong>de</strong> FGD y IGCC<br />
La incineración o la gasificación d<strong>el</strong> carbón o coque <strong>de</strong><br />
petróleo producen un gas que contiene so 2 , HCl, HF,<br />
no x , cenizas volantes y muchas otras especies químicas.<br />
en las centrales térmicas <strong>de</strong> carbón, la <strong>de</strong>sulfuración <strong>de</strong><br />
los gases <strong>de</strong> combustión se emplea <strong>para</strong> <strong>de</strong>purar estos<br />
contaminantes <strong>de</strong> la corriente gaseosa. d<strong>el</strong> mismo modo,<br />
se utiliza una etapa <strong>de</strong> lavado <strong>de</strong> gases en la mayor<br />
parte <strong>de</strong> los procesos <strong>de</strong> gasificación d<strong>el</strong> carbón y d<strong>el</strong> co-<br />
Junio 2011<br />
eSTraTegIaS Para mInImIzar eL VerTIDO De aguaS reSIDuaLeS<br />
que <strong>de</strong> petróleo. La mayoría <strong>de</strong> los procesos <strong>de</strong> <strong>de</strong>puración<br />
utilizados implican lavado húmedo con un agente<br />
alcalino que se disu<strong>el</strong>ve en <strong>el</strong> agua y reacciona <strong>el</strong>iminando<br />
una parte importante <strong>de</strong> los componentes gaseosos<br />
mencionados. Los lavadores húmedos habitualmente<br />
requieren una purga continua, <strong>para</strong> limitar la acumulación<br />
<strong>de</strong> sales corrosivas y sólidos en suspensión absorbidos<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> la corriente gaseosa. aunque la composición<br />
<strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> d<strong>el</strong> lavador es muy variable, se<br />
trata, sobre todo, <strong>de</strong> una solución <strong>de</strong> cloruros cuando <strong>el</strong><br />
carbón es la fuente <strong>de</strong> combustible, o una solución <strong>de</strong><br />
formiatos cuando <strong>el</strong> coque <strong>de</strong> petróleo es <strong>el</strong> combustible.<br />
también pue<strong>de</strong> haber una gran concentración <strong>de</strong><br />
nitrato en función <strong>de</strong> las condiciones <strong>de</strong> combustión.<br />
<strong>el</strong> anión dominante en las <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> <strong>de</strong>pen<strong>de</strong><br />
d<strong>el</strong> sorbente utilizado como reactivo en <strong>el</strong> lavador;<br />
tradicionalmente se utilizan carbonato cálcico (caliza),<br />
hidróxido sódico, hidróxido amónico, hidróxido cálcico<br />
(cal apagada) o hidróxido magnésico. Por lo tanto,<br />
las <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> proce<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong> Fgd y igCC son<br />
generalmente soluciones <strong>de</strong> sales muy solubles, como<br />
cloruro sódico o formiato sódico, las cuales su<strong>el</strong>en encontrarse<br />
en <strong>el</strong> rango <strong>de</strong> 30.000 a 60.000 mg/L. <strong>el</strong> <strong>vertido</strong><br />
<strong>de</strong> estas <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> está regulado, <strong>de</strong>bido a<br />
la presencia <strong>de</strong> pequeñas cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> contaminantes<br />
tóxicos, que incluyen metales pesados, s<strong>el</strong>enio, boro y<br />
compuestos orgánicos. Con frecuencia se requiere <strong>de</strong><br />
algún tipo <strong>de</strong> tratamiento <strong>para</strong> reducir o <strong>el</strong>iminar estas<br />
toxinas d<strong>el</strong> agua residual antes <strong>de</strong> que pueda ser vertida<br />
al medioambiente.<br />
1.2<br />
Aguas <strong>residuales</strong> <strong>de</strong> la fabricación <strong>de</strong> productos<br />
químicos y fertilizantes<br />
Los fabricantes <strong>de</strong> fertilizantes y productos químicos<br />
usualmente usan o producen ácido sulfúrico, ácido<br />
clorhídrico, ácido nítrico, amoniaco, urea, nitrato amónico<br />
y sulfato amónico, y generan <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> que<br />
contienen un alto contenido <strong>de</strong> nitrógeno en forma <strong>de</strong><br />
amonio, así como nitrógeno en forma <strong>de</strong> nitrato. muchas<br />
<strong>de</strong> las sales <strong>de</strong> amonio y nitrato presentes en las<br />
<strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> generadas en estas industrias tienen<br />
<strong>el</strong>evada solubilidad. <strong>el</strong> <strong>vertido</strong> <strong>de</strong> estas <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong><br />
al medioambiente está normalmente legislado, ya que<br />
los compuestos <strong>de</strong> nitrógeno pue<strong>de</strong>n causar proliferación<br />
<strong>de</strong> algas que dan como resultado la eutrofización.<br />
1.3<br />
Agua producida en la perforación <strong>de</strong> gas y petróleo<br />
Cuando <strong>el</strong> petróleo y <strong>el</strong> gas son llevados a la superficie<br />
en las operaciones <strong>de</strong> perforación, también se generan,<br />
en diferentes etapas <strong>de</strong> la obtención, “agua producida”.<br />
esta agua normalmente contiene altas concentraciones<br />
(<strong>de</strong> 60.000 mg/L a 100.000 mg/L) <strong>de</strong> calcio,<br />
cloruro magnésico o ambas. Hasta ahora, en muchas<br />
lugares, <strong>el</strong> agua producida era simplemente reinyectada<br />
en <strong>el</strong> su<strong>el</strong>o o transportadas en cisternas hasta instalaciones<br />
publicas <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> agua (PotW).<br />
sin embargo, la gestión eficaz d<strong>el</strong> agua producida se<br />
está convirtiendo en un <strong>de</strong>safío económico, ambiental<br />
y <strong>de</strong> funcionamiento <strong>para</strong> los productores <strong>de</strong> petróleo<br />
y gas. esto se <strong>de</strong>be a los altos costos <strong>de</strong> transporte <strong>para</strong><br />
<strong>de</strong>splazar <strong>el</strong> agua producida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> los sitios <strong>de</strong> perfora-<br />
IngenIería QuímIca 77
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES<br />
ción, la preocupación por la posible contaminación <strong>de</strong><br />
los acuíferos naturales cuando se reinyectan estas <strong>aguas</strong><br />
en <strong>el</strong> su<strong>el</strong>o, y la reticencia <strong>de</strong> los PotW a continuar<br />
aceptando <strong>aguas</strong> altamente salinas, a menudo contaminadas<br />
con hidrocarburos, los cuales generan un exceso<br />
<strong>de</strong> especies químicas o límites <strong>de</strong> concentración autorizados<br />
en sus límites <strong>de</strong> <strong>vertido</strong>.<br />
1.4<br />
Lixiviados <strong>de</strong> verte<strong>de</strong>ro<br />
<strong>el</strong> almacenamiento <strong>de</strong> residuos sólidos en instalaciones<br />
controladas implica un paso ad<strong>el</strong>ante en la protección<br />
d<strong>el</strong> medio ambiente. sin embargo, ha dado lugar<br />
a un problema: la generación <strong>de</strong> lixiviados altamente<br />
contaminados, que resultan <strong>de</strong> la entrada <strong>de</strong> agua que<br />
se filtra hacia abajo a través d<strong>el</strong> material <strong>de</strong> <strong>de</strong>secho,<br />
disolviendo muchos compuestos altamente solubles.<br />
Las características <strong>de</strong> las corrientes <strong>de</strong> los lixiviados d<strong>el</strong><br />
verte<strong>de</strong>ro son muy variables, pero su<strong>el</strong>en tener una alta<br />
<strong>de</strong>manda química <strong>de</strong> oxígeno (Cod) y contienen concentraciones<br />
significativas <strong>de</strong> sales muy solubles, especialmente<br />
sales <strong>de</strong> amonio, nitratos y cloruros.<br />
1.5<br />
Tratamiento <strong>de</strong> efluentes municipales<br />
Los efluentes <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> municipales tratadas<br />
son cada vez más utilizados como agua <strong>de</strong> aporte por<br />
las industrias. esta es una solución rentable y respetuosa<br />
con <strong>el</strong> medio ambiente <strong>para</strong> la práctica en muchas<br />
plantas industriales, especialmente <strong>para</strong> <strong>el</strong> aporte <strong>de</strong> la<br />
torre <strong>de</strong> refrigeración. sin embargo, existen pequeñas<br />
concentraciones <strong>de</strong> un número <strong>de</strong> sales muy solubles,<br />
incluyendo sales <strong>de</strong> amonio, nitratos y cloruros, las<br />
cuales están presentes en <strong>el</strong> efluente <strong>de</strong> agua tratada.<br />
estas se concentran en la torre <strong>de</strong> enfriamiento y la<br />
purga pue<strong>de</strong> requerir tratamiento <strong>para</strong> reducir estos<br />
contaminantes antes <strong>de</strong> que pueda ser vertida como<br />
agua residual.<br />
aunque estas <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> son muy variables<br />
en cuanto a composición química específica y concentración,<br />
todas tienen por lo menos dos características<br />
comunes: 1) poseen constituyentes que están estrictamente<br />
regulados y <strong>de</strong>ben ser reducidos a niv<strong>el</strong>es extremadamente<br />
bajos <strong>para</strong> po<strong>de</strong>rse verter, y 2) contienen<br />
predominantemente sales muy solubles. en general, la<br />
presencia <strong>de</strong> sales muy solubles en efluentes tratados<br />
no es, en si mismo, una preocupación significativa si <strong>el</strong><br />
agua residual pue<strong>de</strong> ser diluida con otras <strong>aguas</strong> antes<br />
d<strong>el</strong> <strong>vertido</strong> <strong>para</strong> satisfacer los limites <strong>de</strong> concentración<br />
especificados en <strong>el</strong> permiso <strong>de</strong> <strong>vertido</strong>. más recientemente,<br />
sin embargo, las autorida<strong>de</strong>s han establecido<br />
los límites <strong>de</strong> <strong>vertido</strong> en los permisos <strong>para</strong> regular estrictamente<br />
constituyentes minoritarios, tales como<br />
mercurio o s<strong>el</strong>enio, los cuales no son alcanzados o no<br />
son rentables <strong>de</strong> lograr con los métodos convencionales<br />
<strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> <strong>aguas</strong>. en otros pocos casos,<br />
particularmente en <strong>el</strong> oeste <strong>de</strong> ee.uu., las autorida<strong>de</strong>s<br />
han especificado que ciertas plantas industriales nuevas<br />
<strong>de</strong>ben reciclar y reutilizar toda <strong>el</strong> agua y no <strong>de</strong>ben<br />
verter nada <strong>de</strong> agua fuera <strong>de</strong> los límites <strong>de</strong> la planta.<br />
esto ha suscitado <strong>el</strong> <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> métodos avanzados<br />
<strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> que pue<strong>de</strong>n conseguir<br />
<strong>vertido</strong>s cero <strong>de</strong> líquido.<br />
78 IngenIería QuímIca<br />
2<br />
TraTamIenTOS cOnVencIOnaLeS De agua<br />
en muchas industrias <strong>el</strong> tratamiento <strong>para</strong> la <strong>el</strong>iminación<br />
en <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> <strong>de</strong> pequeñas concentraciones<br />
<strong>de</strong> contaminantes inorgánicos regulados a menudo implica<br />
problemas físicos y químicos utilizando precipitación<br />
y sedimentación. usualmente <strong>el</strong> agua residual es<br />
alimentada a una serie <strong>de</strong> tanques <strong>de</strong> reacción, don<strong>de</strong><br />
muchos metales pesados y <strong>de</strong> transición pue<strong>de</strong>n precipitar<br />
como hidróxidos insolubles y sulfuros por adición<br />
<strong>de</strong> sosa cáustica o cal y sulfuro <strong>de</strong> sodio u organosulfuros<br />
patentados. Cloruro férrico o alumbre, y polímeros<br />
especiales, se aña<strong>de</strong>n normalmente <strong>para</strong> coagular los<br />
precipitados y formar gran<strong>de</strong>s flóculos, los cuales serán<br />
rápida y eficazmente estabilizados en un clarificador.<br />
muchas veces se incluyen dos etapas <strong>de</strong> precipitación/<br />
floculación <strong>de</strong>bido a la amplia variación <strong>de</strong> los valores<br />
óptimos <strong>de</strong> pH <strong>para</strong> precipitar los metales presentes.<br />
Los precipitados metálicos estabilizados son recogidos<br />
d<strong>el</strong> fondo d<strong>el</strong> clarificador y filtrados.<br />
este método <strong>de</strong> tratamiento funciona eficazmente<br />
<strong>para</strong> reducir sólidos suspendidos, metales y aci<strong>de</strong>z en<br />
<strong>el</strong> agua residual, pero <strong>de</strong>ja las sales muy solubles en<br />
solución, incluyendo calcio, magnesio, sodio y amonio<br />
combinados con cloro y nitrato, así como cualquier<br />
compuesto orgánico.<br />
<strong>el</strong> tratamiento biológico antes <strong>de</strong> la <strong>de</strong>scarga pue<strong>de</strong><br />
reducir nitratos, amoniaco, productos orgánicos y<br />
<strong>de</strong>manda <strong>de</strong> oxigeno, ya que ciertas bacterias pue<strong>de</strong>n<br />
usar estas moléculas como alimento, convirtiéndolas<br />
en agua, Co 2 y n 2 . algunas bacterias son capaces <strong>de</strong><br />
reducir aniones oxigenados <strong>de</strong> algunos metales tóxicos<br />
(como s<strong>el</strong>eniatos y arseniatos) al metal insoluble. Las<br />
bacterias frecuentes utilizadas en sistemas comerciales<br />
<strong>de</strong> tratamiento biológico, sin embargo, no afectan la<br />
concentración <strong>de</strong> muchas <strong>de</strong> las sales <strong>de</strong> cloro; <strong>de</strong> hecho,<br />
las <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> que contienen mucho cloruro<br />
<strong>de</strong> calcio y magnesio a menudo <strong>de</strong>ben ser diluidas <strong>para</strong><br />
evitar la muerte <strong>de</strong> las bacterias. Los métodos <strong>de</strong> tratamiento<br />
químico y biológico también producen lodos,<br />
que pue<strong>de</strong>n ser costosos <strong>de</strong> transportar y situar, y que<br />
contribuyen <strong>de</strong> manera significativa a los costos <strong>de</strong> funcionamiento<br />
<strong>de</strong> estos procesos.<br />
3<br />
eSQuemaS De TraTamIenTOS aVanzaDOS<br />
aunque los métodos <strong>de</strong> tratamiento físico, químico y<br />
biológico han servido apropiadamente a las industrias<br />
interesadas por muchos años, no pue<strong>de</strong>n reducir las<br />
concentraciones <strong>de</strong> ciertos componentes <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong><br />
<strong>residuales</strong>, como metales pesados o ciertos compuestos<br />
<strong>de</strong> nitratos o amonio, a los niv<strong>el</strong>es requeridos actualmente.<br />
Por ejemplo, <strong>el</strong> agua residual proveniente d<strong>el</strong><br />
proceso <strong>de</strong> lavado <strong>de</strong> gases <strong>de</strong> combustión pue<strong>de</strong> contener<br />
niv<strong>el</strong>es <strong>de</strong> mercurio en <strong>el</strong> rango <strong>de</strong> partes por<br />
millón (ppm). un buen diseño y operación <strong>de</strong> un sistema<br />
<strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> físico-químicobiológico<br />
pue<strong>de</strong> propiamente disminuirlo hasta niv<strong>el</strong>es<br />
<strong>de</strong> partes por billón (ppb). sin embargo, cuando a una<br />
instalación se le exige alcanzar valores permitidos <strong>de</strong><br />
niv<strong>el</strong>es <strong>de</strong> mercurio en <strong>el</strong> rango <strong>de</strong> partes por trillón<br />
(ppt) – lo cual es cada vez más común -, estos sistemas<br />
convencionales resultan ina<strong>de</strong>cuados.<br />
Nº 495
Los métodos <strong>de</strong> tratamiento físico,<br />
químico y bioLógico no pue<strong>de</strong>n<br />
reducir Las concentraciones <strong>de</strong><br />
ciertos componentes a Los niveLes<br />
requeridos actuaLmente<br />
<strong>de</strong>bido a que las exigencias <strong>de</strong> <strong>vertido</strong> son cada<br />
vez más estrictas, se necesitan nuevas propuestas. Para<br />
muchas <strong>aguas</strong> <strong>de</strong> <strong>vertido</strong>, ciertos procesos, como la<br />
filtración por membrana, no son opciones realistas.<br />
mientras las tecnologías basadas en membranas se utilizan<br />
habitualmente en la recuperación <strong>de</strong> agua en recirculación,<br />
reutilización y esquemas ZLd, y mientras<br />
la ciencia <strong>de</strong> las membranas continúe avanzando, las<br />
tecnologías basadas en membranas están generalmente<br />
limitadas al tratamiento <strong>de</strong> corrientes diluidas <strong>de</strong> <strong>aguas</strong><br />
<strong>residuales</strong>. en <strong>el</strong> caso d<strong>el</strong> tratamiento <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong><br />
provenientes <strong>de</strong> lavadores <strong>de</strong> gases <strong>de</strong> combustión,<br />
por ejemplo, la opción <strong>de</strong> utilizar membranas <strong>de</strong> osmosis<br />
inversa (Ro) <strong>de</strong>be <strong>el</strong>iminarse porque la presión osmótica<br />
requerida es <strong>de</strong>masiada alta <strong>de</strong>bido a la <strong>el</strong>evada<br />
concentración <strong>de</strong> sales disu<strong>el</strong>tas (30.000-60.000 mg/L).<br />
una vez que la concentración <strong>de</strong> sales disu<strong>el</strong>tas en<br />
<strong>el</strong> agua residual alcanza un pequeño porcentaje en peso,<br />
la evaporación <strong>de</strong>be utilizarse <strong>para</strong> lograr una mayor<br />
recuperación <strong>de</strong> agua y concentración <strong>de</strong> sales. La<br />
evaporación pue<strong>de</strong> ser un método <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong><br />
<strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> altamente efectivo, porque, en teoría,<br />
Junio 2011<br />
eSTraTegIaS Para mInImIzar eL VerTIDO De aguaS reSIDuaLeS<br />
se pue<strong>de</strong>n se<strong>para</strong>r completamente todas las especies disu<strong>el</strong>tas<br />
(favorables, p<strong>el</strong>igrosas y toxicas) d<strong>el</strong> agua, produciendo<br />
un sólido estable que pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>positado<br />
en un verte<strong>de</strong>ro. <strong>el</strong> agua que se evapora en <strong>el</strong> evaporador<br />
pue<strong>de</strong> recuperarse normalmente y reutilizarse en<br />
otro proceso <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la planta<br />
4<br />
eVaPOracIón y crISTaLIzacIón<br />
Los evaporadores han sido utilizados durante muchos<br />
años en un número <strong>de</strong> aplicaciones <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong><br />
industriales <strong>para</strong> reducir sustancialmente <strong>el</strong> volumen<br />
<strong>de</strong> <strong>vertido</strong>, y los cristalizadores evaporativos son utilizados<br />
habitualmente <strong>para</strong> conseguir ZLd. su uso es<br />
cada vez mayor, <strong>de</strong>bido a que los límites normativos se<br />
vu<strong>el</strong>ven progresivamente más estrictos en la <strong>de</strong>finición<br />
<strong>de</strong> qué especie química y concentración pue<strong>de</strong> ser vertida.<br />
en algunos casos las autorida<strong>de</strong>s no permitirán<br />
ningún <strong>vertido</strong> acuoso proveniente <strong>de</strong> plantas nuevas<br />
o ampliadas.<br />
existen múltiples diseños <strong>de</strong> evaporadores y cristalizadores<br />
disponibles, y su <strong>el</strong>ección <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> múltiples<br />
factores, tanto <strong>de</strong>s<strong>de</strong> <strong>el</strong> punto <strong>de</strong> vista económico<br />
como operativo. Con <strong>el</strong> fin <strong>de</strong> simplificar y abreviar, se<br />
expone a continuación un ejemplo <strong>de</strong> un tipo <strong>de</strong> sistema<br />
<strong>de</strong> evaporación y cristalización que se su<strong>el</strong>e utilizar<br />
en <strong>el</strong> tratamiento <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> <strong>para</strong> lograr ZLd.<br />
en <strong>el</strong> proceso <strong>de</strong> evaporación, la primera etapa<br />
incluye adición química, precalentamiento, <strong>de</strong>saireación<br />
y evaporación primaria (Fig.1). La corriente <strong>de</strong><br />
agua residual fluye hasta <strong>el</strong> tanque <strong>de</strong> alimentación d<strong>el</strong><br />
evaporador, don<strong>de</strong> se aña<strong>de</strong> <strong>el</strong> ácido <strong>para</strong> neutralizar<br />
la alcalinidad y así la solución pueda ser precalentada<br />
Figura 1<br />
<strong>el</strong> proceso <strong>de</strong> evaporación incluye adición química, precalentamiento, <strong>de</strong>saireación y evaporación primaria<br />
Productos químicos<br />
Alimentación<br />
Tanque <strong>de</strong> alimentación<br />
Agua recuperada<br />
Precalentador<br />
<strong>de</strong> la alimentación<br />
Venteo <strong>de</strong> gases<br />
Desaireador<br />
Tanque<br />
<strong>de</strong> niv<strong>el</strong><br />
Concentrador<br />
<strong>de</strong> salmuera<br />
Bomba <strong>de</strong><br />
recirculación<br />
Mecanismo<br />
<strong>de</strong> compresión<br />
Salmuera<br />
concentrada<br />
Recirculación<br />
IngenIería QuímIca 79
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES<br />
en un intercambiador <strong>de</strong> calor <strong>de</strong> platos con mínima<br />
incrustación <strong>de</strong> carbonato cálcico. diferentes formulaciones<br />
<strong>de</strong> antiincrustante se aña<strong>de</strong>n normalmente <strong>para</strong><br />
evitar la incrustación en los precalentadores <strong>de</strong>bido a<br />
la baja solubilidad <strong>de</strong> las especies presentes en la solución.<br />
La corriente precalentada es <strong>de</strong>saireada <strong>de</strong>spués<br />
usando una pequeña cantidad <strong>de</strong> vapor proveniente<br />
d<strong>el</strong> evaporador <strong>para</strong> extraer <strong>el</strong> dióxido <strong>de</strong> carbono<br />
disu<strong>el</strong>to en la reducción <strong>de</strong> alcalinidad y cualquier<br />
oxígeno disu<strong>el</strong>to. este se realiza <strong>para</strong> <strong>minimizar</strong> <strong>el</strong> potencial<br />
<strong>de</strong> corrosión en <strong>el</strong> evaporador. La mayor parte<br />
<strong>de</strong> la evaporación se realiza en <strong>el</strong> evaporador <strong>de</strong> p<strong>el</strong>ícula<br />
<strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte, <strong>el</strong> cual consigue altos coeficientes <strong>de</strong><br />
transferencia <strong>de</strong> calor, con una pequeña cantidad <strong>de</strong><br />
líquido. La energía introducida al proceso es energía<br />
<strong>el</strong>éctrica empleada en <strong>el</strong> ciclo mecánico <strong>de</strong> compresión<br />
d<strong>el</strong> vapor (mvC). don<strong>de</strong> <strong>el</strong> mvC recicla <strong>el</strong> calor<br />
latente <strong>de</strong> vaporización, la energía aportada es muy baja,<br />
en <strong>el</strong> rango <strong>de</strong> 18 a 35 kWh por ton<strong>el</strong>ada métrica <strong>de</strong><br />
agua evaporada. Para <strong>minimizar</strong> <strong>el</strong> tamaño y <strong>el</strong> costo<br />
d<strong>el</strong> se<strong>para</strong>dor <strong>de</strong> vapor y d<strong>el</strong> compresor, la evaporación<br />
se realiza a presión atmosférica.<br />
<strong>el</strong> evaporador <strong>de</strong> p<strong>el</strong>ícula <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte es a<strong>de</strong>cuado<br />
<strong>para</strong> concentrar <strong>el</strong> agua residual, pero no <strong>para</strong> cristalizar<br />
gran<strong>de</strong>s cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> sales disu<strong>el</strong>tas. La cristalización<br />
se realiza en un evaporador-cristalizador <strong>de</strong><br />
circulación forzada (Fig. 2), en <strong>el</strong> que <strong>el</strong> diseño d<strong>el</strong><br />
evaporador se ajusta especialmente a la propagación<br />
y crecimiento <strong>de</strong> los cristales <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la solución<br />
80 IngenIería QuímIca<br />
bruta. este evaporador-cristalizador está integrado<br />
con un dispositivo <strong>de</strong> <strong>de</strong>shidratación <strong>de</strong> sólidos (como<br />
una centrífuga o un filtro <strong>de</strong> presión), que se<strong>para</strong> los<br />
cristales <strong>de</strong> sal d<strong>el</strong> producto <strong>de</strong> mezcla. <strong>el</strong> licor madre<br />
es <strong>de</strong>vu<strong>el</strong>to al cristalizador <strong>para</strong> una mayor concentración.<br />
<strong>el</strong> evaporador <strong>de</strong> circulación forzada esta dirigido<br />
normalmente por vapor, <strong>de</strong>bido a la alta <strong>el</strong>evación d<strong>el</strong><br />
punto <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong> la solución a la cual la cristalización<br />
<strong>de</strong> las sales disu<strong>el</strong>tas tiene lugar. <strong>el</strong> cristalizador requiere<br />
ligeramente algo más <strong>de</strong> una ton<strong>el</strong>ada métrica<br />
<strong>de</strong> vapor <strong>para</strong> evaporar una ton<strong>el</strong>ada métrica <strong>de</strong> agua.<br />
5<br />
La PrObLemáTIca y DeSaFíO De La PreSencIa<br />
De SaLeS<br />
Para la mayoría <strong>de</strong> las <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> que contienen<br />
entre un 1-5% <strong>de</strong> sólidos disu<strong>el</strong>tos es r<strong>el</strong>ativamente fácil<br />
<strong>el</strong>iminar entre un 75-95% <strong>de</strong> agua en un evaporador <strong>de</strong><br />
p<strong>el</strong>ícula <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte. Cuando sales muy solubles se encuentran<br />
presentes en <strong>el</strong> agua residual, <strong>el</strong> último 5-25%<br />
d<strong>el</strong> agua pue<strong>de</strong> ser difícil <strong>de</strong> evaporar. Cuando <strong>el</strong> agua es<br />
evaporada <strong>de</strong> una solución, la concentración y la fuerza<br />
iónica <strong>de</strong> las sales aumentan al igual que lo hace la temperatura<br />
<strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong> la solución. <strong>el</strong> aumento <strong>de</strong> la<br />
temperatura <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong> la solución por encima <strong>de</strong><br />
la d<strong>el</strong> agua a una presión dada es <strong>de</strong>scrita como aumento<br />
d<strong>el</strong> punto <strong>de</strong> ebullición (BPR). <strong>el</strong> BPR aumenta al<br />
igual que la concentración <strong>de</strong> las sales disu<strong>el</strong>tas aumenta<br />
cuando se evapora agua <strong>de</strong> la solución.<br />
Figura 2<br />
La cristalización se realiza en un evaporador-cristalizador <strong>de</strong> circulación forzada, <strong>el</strong> cual se ajusta<br />
a la propagación y crecimiento <strong>de</strong> los cristales <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la solución bruta<br />
Vapor<br />
Venteo<br />
<strong>de</strong> gases<br />
Calentador d<strong>el</strong><br />
cristalizador<br />
Con<strong>de</strong>nsado<br />
<strong>de</strong> vapor<br />
Alimentación<br />
Cuerpo <strong>de</strong> vapor<br />
d<strong>el</strong> cristalizador<br />
Bomba <strong>de</strong><br />
recirculación<br />
Con<strong>de</strong>nsador<br />
Tanque <strong>de</strong><br />
alimentación<br />
al cristalizador<br />
Agua <strong>de</strong><br />
refrigeración<br />
Agua<br />
recuperada<br />
Dispositivo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>shidratación<br />
Sólidos <strong>para</strong><br />
disposición<br />
Nº 495
Figura 3<br />
temperatura <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong> soluciones <strong>de</strong> cloruro<br />
cálcico puro, superpuesta a su diagrama <strong>de</strong> fase<br />
Temperatura, ºC<br />
La figura 3 muestra la temperatura <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong><br />
una solución <strong>de</strong> cloruro cálcico puro superpuesta a su<br />
curva <strong>de</strong> solubilidad a presión atmosférica. se pue<strong>de</strong><br />
ver que, al igual que la concentración <strong>de</strong> cloruro cálcico<br />
aumenta, así lo hace la temperatura <strong>de</strong> ebullición.<br />
Las dos curvas se cruzan en <strong>el</strong> límite <strong>de</strong> solubilidad d<strong>el</strong><br />
Junio 2011<br />
Punto <strong>de</strong><br />
ebullición<br />
Solución<br />
Solución<br />
y hi<strong>el</strong>o<br />
Hi<strong>el</strong>o y<br />
eSTraTegIaS Para mInImIzar eL VerTIDO De aguaS reSIDuaLeS<br />
cloruro cálcico en una solución hirviente. Como se ve<br />
en la figura, <strong>el</strong> cloruro cálcico es muy soluble en agua;<br />
pero cuando la solución se concentra por evaporación<br />
a 1 atmósfera, su punto <strong>de</strong> ebullición continúa aumentando<br />
hasta que se alcanza <strong>el</strong> límite <strong>de</strong> solubilidad d<strong>el</strong><br />
75%. La figura también muestra que la solución <strong>de</strong><br />
cloruro cálcico saturada a 1 atmósfera <strong>de</strong> presión tiene<br />
un punto <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong> casi 350ºF (176ºC), lo<br />
que significa un BPR <strong>de</strong> 138ºF (77ºC). a esta <strong>el</strong>evada<br />
temperatura, tanto <strong>el</strong> cloruro <strong>de</strong> calcio como <strong>el</strong> cloruro<br />
<strong>de</strong> magnesio y <strong>el</strong> cloruro <strong>de</strong> amonio experimentan<br />
hidrólisis en <strong>el</strong> agua, esto es, emiten ácido clorhídrico,<br />
<strong>el</strong> cual es muy agresivo.<br />
<strong>el</strong> grado <strong>de</strong> hidrólisis aumenta con la temperatura,<br />
así que los materiales <strong>de</strong> construcción d<strong>el</strong> cuerpo <strong>de</strong><br />
vapor d<strong>el</strong> evaporador y la superficie <strong>de</strong> transferencia<br />
<strong>de</strong> calor <strong>de</strong>ben <strong>el</strong>egirse cuidadosamente <strong>para</strong> resistir<br />
la naturaleza extremadamente corrosiva <strong>de</strong> estas sales<br />
a altas temperaturas y concentraciones. La experiencia<br />
muestra que los materiales con suficiente resistencia a<br />
la corrosión a estas altas concentraciones y temperaturas<br />
son aleaciones nobles muy caras. La necesidad <strong>de</strong><br />
utilizar estos materiales tan caros hace que <strong>el</strong> uso <strong>de</strong> un<br />
cristalizador final sea económicamente discutible en la<br />
mayoría <strong>de</strong> las aplicaciones ZLd <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong>.<br />
6<br />
eVacuacIón De LaS OPcIOneS<br />
en <strong>el</strong> caso en <strong>el</strong> que <strong>el</strong> uso <strong>de</strong> un cristalizador no es<br />
económicamente posible, aún se pue<strong>de</strong> utilizar un evaporador<br />
<strong>de</strong> p<strong>el</strong>ícula <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte <strong>para</strong> recuperar en<br />
torno al 75-95% d<strong>el</strong> agua y concentrar <strong>el</strong> agua residual.<br />
existen varias opciones que pue<strong>de</strong>n ser consi<strong>de</strong>radas<br />
<strong>para</strong> hacer frente al restante 5-25% d<strong>el</strong> volumen origi-<br />
Figura 4<br />
<strong>el</strong> ablandamiento químico utilizando cal y carbonato sódico pue<strong>de</strong> ser utilizado <strong>para</strong> <strong>el</strong>iminar los iones <strong>de</strong><br />
magnesio y calcio en las <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> como precipitados <strong>de</strong> hidróxido magnésico y carbonato cálcico<br />
Alimentación<br />
y<br />
solución<br />
y solución<br />
y solución<br />
y solución<br />
Porcentaje en peso <strong>de</strong> cloruro cálcico<br />
Clarificador<br />
inicial<br />
Flujo<br />
residual<br />
Lodo <strong>de</strong> Mg(OH) 2<br />
y CaCO 3<br />
Temperatura, ºF<br />
Tanque<br />
<strong>de</strong> mezcla<br />
Tanque<br />
<strong>de</strong> mezcla<br />
Cal Polímero Carbonato<br />
sódico<br />
Tanque<br />
<strong>de</strong> mezcla<br />
Filtro<br />
prensa Espesador<br />
Clarificador Al<br />
evaporador<br />
IngenIería QuímIca 81
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES<br />
nal d<strong>el</strong> agua residual. Por ejemplo, pue<strong>de</strong> ser posible y<br />
económicamente atractivo consi<strong>de</strong>rar la construcción<br />
<strong>de</strong> un embalse superficial <strong>para</strong> almacenar <strong>el</strong> concentrado.<br />
alternativamente, un “spray dryer” pue<strong>de</strong> utilizarse<br />
<strong>para</strong> <strong>el</strong>iminar la humedad restante d<strong>el</strong> concentrado y<br />
producir un producto seco <strong>para</strong> disponerlo en verte<strong>de</strong>ro.<br />
un “spray dryer” requeriría un suministro <strong>de</strong> fu<strong>el</strong><br />
o gas natural y probablemente permisos <strong>de</strong> emisión a<br />
la atmósfera. son posibles otros métodos <strong>de</strong> secar <strong>el</strong><br />
concentrado evaporado. estos incluyen astilladoras, torres<br />
<strong>de</strong> granulación y métodos adicionales comunes a<br />
la producción industrial <strong>de</strong> sales. <strong>el</strong> inconveniente común<br />
<strong>de</strong> las tecnologías <strong>de</strong> secado es que tienen una <strong>de</strong>manda<br />
energética muy alta (tan alta como 1.500kWh/<br />
tm <strong>de</strong> agua <strong>el</strong>iminada) y <strong>el</strong> costo d<strong>el</strong> combustible pue<strong>de</strong><br />
ser bastante <strong>el</strong>evado <strong>para</strong> <strong>el</strong>iminar una cantidad bastante<br />
pequeña <strong>de</strong> agua.<br />
en <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> don<strong>de</strong> las sales <strong>de</strong> cloruro <strong>de</strong><br />
calcio y magnesio son predominantes, como en la purga<br />
<strong>de</strong> lavadores Fgd o en <strong>el</strong> agua producida en la perforación<br />
<strong>de</strong> petróleo y gas, <strong>el</strong> ablandamiento químico<br />
utilizando cal (hidróxido cálcico) pue<strong>de</strong> emplearse<br />
<strong>para</strong> <strong>el</strong>iminar la mayor parte <strong>de</strong> los iones <strong>de</strong> calcio y<br />
magnesio en <strong>el</strong> agua residual como precipitados <strong>de</strong> hidróxido<br />
magnésico y carbonato cálcico (Fig. 4). estos<br />
precipitados pue<strong>de</strong>n trasladarse a un clarificador, y <strong>el</strong><br />
lodo resultante pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>shidratado y dispuesto en<br />
verte<strong>de</strong>ro. <strong>el</strong> resultado neto d<strong>el</strong> proceso <strong>de</strong> “ablandamiento”<br />
es que los iones <strong>de</strong> sodio son sustituidos por<br />
muchos <strong>de</strong> los iones <strong>de</strong> calcio y magnesio, con lo que<br />
resulta que la corriente “ablandada” se convierte principalmente<br />
en una solución <strong>de</strong> cloruro sódico.<br />
La corriente “ablandada” se evapora <strong>de</strong>spués en un<br />
evaporador <strong>de</strong> p<strong>el</strong>ícula <strong>de</strong>scen<strong>de</strong>nte y <strong>el</strong> agua se recupera.<br />
La concentración final pue<strong>de</strong> hacerse en un<br />
evaporador-cristalizador <strong>de</strong> circulación forzada, en <strong>el</strong><br />
cual <strong>el</strong> cloruro <strong>de</strong> sodio cristalice a una temperatura<br />
y concentración r<strong>el</strong>ativamente bajas (su solubilidad es<br />
d<strong>el</strong> 28% con un punto <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong> 227.6ºF (108.7<br />
ºC) a 1 atm.). esto permite <strong>el</strong> uso <strong>de</strong> aleaciones menos<br />
nobles y menos caras. <strong>el</strong> cloruro sódico solidificado es<br />
mezclado con <strong>el</strong> lodo ablandado y dispuesto en verte<strong>de</strong>ro.<br />
Los inconvenientes <strong>de</strong> este esquema <strong>de</strong> ZLd son<br />
los costes <strong>de</strong> los equipos adicionales requeridos <strong>para</strong><br />
Figura 5<br />
La concentración <strong>de</strong> sal pue<strong>de</strong> tener efectos<br />
dramáticos en <strong>el</strong> aumento d<strong>el</strong> punto <strong>de</strong> ebullición<br />
Temperatura, ºC<br />
82 IngenIería QuímIca<br />
Temperatura <strong>de</strong> ebullición vs.<br />
Concentración <strong>de</strong> CaCl 2<br />
Temperatura <strong>de</strong> ebullición<br />
Aumento d<strong>el</strong> punto <strong>de</strong> ebullición<br />
Concentración <strong>de</strong> saturación, % en peso<br />
“ablandar” <strong>el</strong> agua residual, <strong>el</strong> costo <strong>de</strong> los reactivos<br />
químicos y la colocación d<strong>el</strong> lodo y la complejidad adicional<br />
d<strong>el</strong> proceso global.<br />
7<br />
TraTamIenTO a baJaS TemPeraTuraS<br />
una mejor opción <strong>para</strong> tratar con sales muy solubles<br />
es realizar la cristalización final a bajas temperaturas y<br />
aprovechar <strong>el</strong> hecho <strong>de</strong> que la solubilidad <strong>de</strong> las sales<br />
muy solubles <strong>de</strong>scien<strong>de</strong> significativamente con la temperatura.<br />
utilizando <strong>el</strong> diagrama <strong>de</strong> fases <strong>de</strong> la solución<br />
<strong>de</strong> cloruro cálcico puro (Fig. 3), po<strong>de</strong>mos observar que<br />
se pue<strong>de</strong>n formar varias sales hidratadas <strong>de</strong> la solución<br />
<strong>de</strong> cloruro cálcico, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la temperatura. La<br />
concentración a la cual se forman estas sales hidratadas<br />
disminuye con la temperatura. Por ejemplo, <strong>el</strong> dihidrato<br />
<strong>de</strong> cloruro cálcico se forma a 350ºF (175.5ºC)<br />
a partir <strong>de</strong> una solución que contiene <strong>el</strong> 75% <strong>de</strong> Ca-<br />
Cl 2 , pero a 115ºF (45ºC) cristalizaría una solución con<br />
sólo <strong>el</strong> 56%. operando bajo vacío, la temperatura <strong>de</strong><br />
ebullición <strong>de</strong> la solución se reduce y <strong>el</strong> sólido pue<strong>de</strong><br />
obtenerse a una concentración r<strong>el</strong>ativamente baja. Las<br />
figuras 5 y 6 muestras que <strong>el</strong> aumento d<strong>el</strong> punto <strong>de</strong><br />
ebullición es también más bajo cuando se opera a bajas<br />
temperaturas bajo condiciones <strong>de</strong> vacío: al 75% <strong>de</strong><br />
CaCl 2 , <strong>el</strong> aumento d<strong>el</strong> punto <strong>de</strong> ebullición es <strong>de</strong> 75ºC<br />
(135 ºF); pero al 56% <strong>de</strong> CaCl 2 <strong>el</strong> aumento d<strong>el</strong> punto<br />
<strong>de</strong> ebullición es <strong>de</strong> solo 31ºC (56ºF)<br />
una mejor opción <strong>para</strong> tratar<br />
con saLes muy soLubLes es reaLizar<br />
La cristaLización finaL a bajas<br />
temperaturas<br />
Las figuras 5 y 6 <strong>de</strong>muestran que una solución saturada<br />
<strong>de</strong> CaCl 2 (58% CaCl 2 en peso) hervirá a 60ºC<br />
(140ºF) si la presión <strong>de</strong> vapor se mantiene cerca <strong>de</strong><br />
3.4 kPa (0.5 psia), encontrándose <strong>de</strong>ntro d<strong>el</strong> ámbito<br />
Figura 6<br />
<strong>el</strong> aumento d<strong>el</strong> punto <strong>de</strong> ebullición es menor<br />
cuando se opera bajo vacío a bajas temperaturas<br />
Temperatura, ºC<br />
Temperatura <strong>de</strong> ebullición vs.<br />
Presión, solución saturada <strong>de</strong> CaCl 2<br />
Temperatura <strong>de</strong> ebullición<br />
Aumento d<strong>el</strong> punto <strong>de</strong> ebullición<br />
Presión, kPa<br />
Nº 495
Junio 2011<br />
eSTraTegIaS Para mInImIzar eL VerTIDO De aguaS reSIDuaLeS<br />
Figura 7<br />
un cristalizador pue<strong>de</strong> diseñarse <strong>para</strong> operar a baja temperatura y presión, evitando <strong>de</strong> tal modo muchos<br />
problemas <strong>de</strong> procesamiento<br />
Calentador d<strong>el</strong><br />
cristalizador<br />
Alimentación<br />
Refrigerante Bomba<br />
<strong>de</strong> vacío<br />
Cuerpo <strong>de</strong><br />
vapor d<strong>el</strong><br />
cristalizador<br />
Bomba <strong>de</strong> recirculación<br />
Válvula <strong>de</strong> expansión<br />
Vapor<br />
Compresor d<strong>el</strong><br />
refrigerante<br />
Con<strong>de</strong>nsador<br />
Agua<br />
recuperada<br />
Dispositivo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>shidratación<br />
Tanque <strong>de</strong><br />
la alimentación<br />
al cristalizador<br />
Sólidos <strong>para</strong><br />
disposición<br />
IngenIería QuímIca 83
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES<br />
Figura 8<br />
<strong>el</strong> agua residual <strong>de</strong> un lavador fgd (izquierda) es se<strong>para</strong>da en agua limpia y un sólido estable (<strong>de</strong>recha)<br />
utilizando la cristalización a baja temperatura<br />
típico <strong>de</strong> los sistemas <strong>de</strong> vacío industriales. <strong>el</strong> BPR <strong>de</strong><br />
la solución saturada <strong>de</strong> CaCl 2 a estas condiciones <strong>de</strong><br />
operación es <strong>de</strong> 33ºC (60ºF). esto significa que <strong>el</strong> vapor<br />
<strong>de</strong> agua, <strong>el</strong> cual se evapora <strong>de</strong> la solución, estará a 33ºC<br />
(60ºF) menos que la temperatura <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong> la<br />
solución o 27ºC (80ºF).<br />
La figura 7 representa un diseño esquemático <strong>de</strong><br />
un cristalizador <strong>para</strong> operar a baja temperatura y a la<br />
presión <strong>de</strong>scrita anteriormente. en este sistema <strong>el</strong> calor<br />
requerido <strong>para</strong> hervir la solución y <strong>el</strong> enfriamiento<br />
necesario <strong>para</strong> con<strong>de</strong>nsar <strong>el</strong> vapor <strong>de</strong> agua son suministrados<br />
por una bomba calorífica <strong>de</strong> ciclo cerrado.<br />
<strong>el</strong> fluido <strong>de</strong> refrigeración se calienta por compresión<br />
en <strong>el</strong> compresor <strong>de</strong> refrigeración. La energía <strong>el</strong>éctrica,<br />
que mueve <strong>el</strong> motor d<strong>el</strong> compresor, proporciona <strong>el</strong><br />
trabajo que es la fuente <strong>de</strong> calor <strong>para</strong> <strong>el</strong> cristalizador.<br />
Parte d<strong>el</strong> calor proporcionado al refrigerante por <strong>el</strong><br />
compresor es transferido a la solución <strong>de</strong> proceso en<br />
<strong>el</strong> intercambio <strong>de</strong> calor d<strong>el</strong> cristalizador por con<strong>de</strong>nsación<br />
d<strong>el</strong> refrigerante.<br />
<strong>el</strong> líquido <strong>de</strong> refrigeración fluye a través <strong>de</strong> la válvula<br />
<strong>de</strong> expansión al con<strong>de</strong>nsador, don<strong>de</strong> se evapora<br />
por transferencia <strong>de</strong> calor <strong>de</strong>s<strong>de</strong> <strong>el</strong> vapor <strong>de</strong> agua con<strong>de</strong>nsada<br />
d<strong>el</strong> cristalizador. <strong>el</strong> ciclo se cierra cuando <strong>el</strong><br />
flujo refrigerante vu<strong>el</strong>ve al compresor. <strong>el</strong> aporte <strong>de</strong><br />
energía es aproximadamente <strong>de</strong> 70 kWh/tm <strong>de</strong> agua<br />
evaporada. a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> una menor <strong>el</strong>evación d<strong>el</strong> punto<br />
<strong>de</strong> ebullición, la menor temperatura <strong>de</strong> operación<br />
origina una menor tasa <strong>de</strong> hidrólisis <strong>para</strong> las sales ácidas,<br />
como <strong>el</strong> cloruro cálcico. La menor temperatura <strong>de</strong><br />
operación hace una más fácil <strong>el</strong>ección <strong>de</strong> los materiales<br />
<strong>de</strong> construcción que cuando se hace frente a mezclas<br />
<strong>de</strong> sales <strong>de</strong> cloro, las cuales están sometida a hidrólisis.<br />
una menor temperatura <strong>de</strong> operación se traduce en<br />
una solución mucho menos agresiva y los materiales<br />
<strong>de</strong> construcción no necesitan ser altas aleaciones <strong>de</strong><br />
níqu<strong>el</strong> y molib<strong>de</strong>no.<br />
84 IngenIería QuímIca<br />
Las pruebas en laboratorio han probado la efectividad<br />
<strong>de</strong> este proceso en <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> comunes que<br />
contienen sales muy solubles. La disolución representada<br />
en la figura 8 es la <strong>de</strong> un agua residual <strong>de</strong> un lavador<br />
Fgd en una central <strong>el</strong>éctrica <strong>de</strong> combustión <strong>de</strong><br />
carbón. <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la evaporación a baja temperatura<br />
(55ºC, 131ºF), <strong>el</strong> agua residual fue se<strong>para</strong>da en agua<br />
<strong>de</strong>stilada <strong>de</strong> alta calidad y <strong>el</strong> sólido estable mostrados<br />
en la figura.<br />
8<br />
cOncLuSIOneS<br />
Los problemas prácticos están forzando a muchas industrias<br />
a evaluar la viabilidad <strong>de</strong> los tratamientos ZLd<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> los objetivos <strong>de</strong> los proyectos. La efectividad<br />
operacional y simplicidad <strong>de</strong> la evaporación a baja<br />
temperatura proporciona nuevas oportunida<strong>de</strong>s <strong>para</strong><br />
aplicar los procesos ZLd a más corriente <strong>de</strong> <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong>.<br />
Las barreras previas al ZLd, como <strong>el</strong> alto capital<br />
o costes operacionales, pue<strong>de</strong>n mitigarse usando este<br />
proceso. La disminución <strong>de</strong> los requisitos metalúrgicos<br />
y la escasez <strong>de</strong> instalaciones <strong>de</strong> pretratamiento, como<br />
una planta <strong>de</strong> ablandamiento, permiten menores costes<br />
<strong>de</strong> capital. adicionalmente, la evaporación a baja<br />
temperatura no necesita d<strong>el</strong> uso <strong>de</strong> reactivos químicos<br />
<strong>de</strong> pretratamiento y reduce enormemente la cantidad<br />
<strong>de</strong> lodo manejado. <strong>el</strong> uso <strong>de</strong> una bomba <strong>de</strong> calor <strong>el</strong>imina<br />
la necesidad <strong>de</strong> vapor y reduce extremadamente los<br />
requerimientos energéticos <strong>para</strong> evaporar agua. este<br />
resultado en costes operacionales es significativamente<br />
menor que los <strong>de</strong> una instalación dada. La evaporación<br />
a baja temperatura va a permitir a las industrias<br />
con <strong>aguas</strong> <strong>residuales</strong> que contengan sales muy solubles<br />
alcanzar <strong>el</strong> ZLd, mientras mantienen o disminuyen <strong>el</strong><br />
capital y los costes operacionales en com<strong>para</strong>ción con<br />
anteriores opciones <strong>de</strong> ZLd.<br />
Nº 495