Research Progress on Thermal Error Compensation ···················

Con objeto de disminuir la limitación arriba indicada del sistema en una etapa, se ha propuesto un sistema con dos etapas y recirculación interna Figura 4.35. Este diseño permite más flexibilidad, ya que es posible ajustar simultáneamente la concentración deseada en el permeado de la primera etapa (agua para su reutilización) y la deseada en el producto final (retenido de la segunda etapa). Lógicamente, esta flexibilidad tiene también un coste, ya que la instalación precisaría de un doble sistema de bombeo. El tamaño de la instalación (y -por tanto- el área de membrana instalada) dependen en gran medida de la recirculación generada para satisfacer las dos especificaciones de proceso indicadas.

Figura 4.35. Esquema de operación de un sistema de dos etapas “feed and bleed” con recirculación interna para la concentración de tiocianato amónico a partir de condensados de gas de baterías

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Este sistema multietapa es frecuente en instalaciones industriales, ya que permite trabajar con un flujo promedio mayor que el del sistema de una etapa, manteniendo el tratamiento en continuo. Por ello, las plantas a gran escala operan frecuentemente con varias etapas individuales de alimentación-recirculación. Las etapas operan en serie siendo la alimentación del segundo módulo el concentrado de la primera. La etapa final opera con el factor de concentración más elevado y con el flujo de permeado más bajo, mientras que la primera etapa mantiene un flujo de filtración alto, al concentrar sólo parcialmente la alimentación.

Las ecuaciones son análogas a las descritas en el apartado anterior, pero se formulan para cada etapa por separado y se incluyen los balances de materia global y al soluto en el proceso global.

En cuanto a las variables de diseño, se ha de especificar el caudal de alimentación que seguirán siendo 50 m3_{/día tratados en 24 o 8 horas. Se deben definir para este caso la} concentración del permeado de la primera etapa (con un valor máximo de 300 ppm, para permitir su posterior tratamiento biológico) y de la segunda etapa, siendo ésta última igual a la concentración de la alimentación.

Se han evaluado diferentes casos, para alimentaciones contiendo 1 y 3 g/L, y con elevadas recuperaciones en todos los casos. Los resultados se muestran en la Tabla 4.25.

Tabla 4.25. Resultados de los cálculos de diseño en dos etapas para la concentración por ósmosis inversa de tiocianato amónico presente en los condensados de gas de baterías (tiempo de operación de 24 h). Los subíndices corresponden a la etapa a la que se refiere el dato o resultado.

Concentración de tiocianato Retención1/2 (%) Recuperación de agua (%) Área de membrana 1/2 (m2) Alimentación (g/L) Permeado1 (ppm) Concentrado2 (g/L) 1 50 26 98.9 / 96.2 96.3 50 / 41 1 100 26 98.7 / 96.2 96.5 63 / 19 1 300 26 97.9 / 96.2 97.2 98 / 4 3 50 37 98.9 / 91.9 92.0 48 / 666 3 100 37 98.7 / 91.9 92.1 60 / 220 3 300 37 97.9 / 91.9 92.6 93 / 60

De forma general, el sistema en doble etapa permite una elevada recuperación de agua y a su vez, elevada concentración de tiocianato amónico en el retenido que abandona el sistema. En cualquier caso, la instalación no es de gran tamaño, lo que permitiría alcanzar una concentración elevada de tiocianato con costes razonables.

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De forma más específica, atendiendo a los resultados mostrados en la Tabla 4.25, se puede observar, de nuevo, cómo a medida que la calidad de permeado es menor, aumenta ligeramente la cantidad de agua recuperada.

En la primera etapa se produce la recuperación de agua, que está limitada por la máxima concentración de tiocianato admisible en el permeado. Por tanto, a medida que se es menos restrictivo, más agua se puede recuperar, sin embargo se necesitará más área de membrana para lograr dicha recuperación.

Por otro lado, en la segunda etapa se produce la concentración de la alimentación para obtener la máxima cantidad de tiocianato en el retenido. Este valor viene limitado por la concentración del permeado de la segunda etapa, que es el valor de la concentración de la alimentación inicial. De esta forma, como la concentración a la que se llega es siempre la de la alimentación, cuanto menos restrictivo se sea en la segunda etapa, menor será el área requerida en la segunda para llegar a esas especificaciones.

Realizando un análisis similar para las distintas concentraciones de la alimentación, se observa que en la primera etapa a medida que la concentración de alimentación aumenta, se requiere una menor área de membrana para llegar al límite de concentración del permeado, pero también se obtiene una menor recuperación de agua.

En la segunda etapa, tal y como se ha mencionado, se produce la concentración de la alimentación. Esto está limitado por el hecho de que la concentración del permeado que se recircula ha de ser igual a la de la alimentación para el diseño. De esta forma, a medida que la concentración de la alimentación aumenta, se puede realizar una mayor concentración a base de aumentar el área de membrana de la segunda etapa.

En los resultados se observa una gran diferencia en muchos de los casos propuestos en el área de membrana de la primera y de la segunda etapa. Cuando el área de la primera es mucho mayor que el de la segunda, la mayor parte de la concentración se está realizando en la primera etapa, indicativo de que en la práctica se puede suprimir la segunda etapa. Esto se ilustra comparando los resultados para el caso de la alimentación de 1 g/L y concentración del primer permeado de 300 mg/L, en donde se obtiene que el área de la primera etapa es de 98 m2 y el de la segunda 4 m2. Tal y como se describía anteriormente, la mayor parte de la concentración se lleva a cabo en la primera etapa. Si se observa el mismo caso pero para una sola etapa (Tabla 4.24) se observa que con un área de membrana de 95 m2 _{se puede llevar a cabo una recuperación del 95 % del agua sin} necesidad de una segunda etapa.

Por otro lado, cuando el área de la primera etapa es mucho menor que el de la segunda, es porque en la primera etapa se está siendo demasiado restrictivo con la concentración del permeado y eso provoca que la recuperación de agua sea muy baja y que toda la concentración se realice en la segunda requiriendo un gran área de membrana y trabajando a valores de retención más bajos.

De esta forma, los casos más equilibrados, y por tanto, los más realistas para un diseño industrial, corresponden al de la alimentación de 1 g/L y concentración del primer permeado de 50 mg/L de tiocianato, y al de la alimentación de 3 g/L y una

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concentración del primer permeado de 300 mg/L de tiocianato. (Ambos casos sombreados en la Tabla 4.25).

La forma de operación más habitual es aquella en la que las etapas de filtración tienen áreas de membrana similares debido a que las concentraciones se realizan en varias etapas y no en una sola. Además, esta forma de operar permite que los costes de operación asociados al bombeo no se disparen en una de las etapas siendo así más económico.

Por esta razón, en el apartado 4.5.5 se estudiará la influencia de distintas concentraciones de la alimentación en los diseños donde el área de la primera y de la segunda etapa es similar (diseños indicados anteriormente) y el diseño de una sola etapa indicado anteriormente con una recuperación del 95 % (caso sombreado en la Tabla 4.24)

Si se decidiese que la instalación operase durante un tiempo de 8 horas al día, los caudales se triplicarían y se requeriría el triple de área de membrana para cumplir las especificaciones (Tabla 4.26). El resto de variables se mantendrían igual que antes y los mismos razonamientos serían aplicables.

Tabla 4.26. Resultados de los cálculos de diseño en dos etapas para la concentración por ósmosis inversa de tiocianato amónico presente en los condensados de gas de baterías (tiempo de operación de 8 h)

Concentración de tiocianato Retención1/2 (%) Recuperación de agua (%) Área de membrana 1/2 (m2) Alimentación (g/L) Permeado1 (ppm) Concentrado2 (g/L) 1 50 26 98.9 / 96.2 96.3 150 / 123 1 100 26 98.7 / 96.2 96.5 188 / 57 1 300 26 97.9 / 96.2 97.2 293 / 13 3 50 37 98.9 / 91.9 92.0 143 / 1997 3 100 37 98.7 / 91.9 92.1 179 / 661 3 300 37 97.9 / 91.9 92.6 279 / 181

4.5.5. Influencia de la concentración de la alimentación en los diseños propuestos