ESTADO DEL ARTE DE LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUA DE PROCESO
belencp199022 de Mayo de 2015
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El incremento de la demanda de agua en los procesos e industrias junto con la
disponibilidad hídrica global y la escasez de agua ha acentuado la importancia del
agua como un recurso crucial y eleva la necesidad de adoptar medidas para su
reutilización y recirculación.
El agua es un componente clave en las industrias. De acuerdo al estudio realizado
por el programa del medioambiente de las naciones unidas (UNEP), la industria es
la mayor consumidora de agua después de la agricultura, mientras que el agua
fresca constituye el 1% de los recursos de agua del mundo. Por otro lado, cada vez
se están haciendo más estrictas las regulaciones de descarga de agua al
medioambiente, esto hace necesario llevar a cabo la optimización de los procesos.
En vista de esta situación, se realizan numerosos estudios sobre la recuperación del
agua. La idea de la recuperación del agua incluye los términos de reutilización,
regeneración y recirculación, tal y como se observa en la Figura 1.
La combinación óptima de estos esquemas es lo que se conoce como el problema
de síntesis de redes de agua de proceso.
Se han realizado numerosos estudios, desde el trabajo de Takama et al., hasta el
estudio publicado hace casi 15 años por Bagajewicz, basado en el análisis pinch del
agua y en técnicas de programación matemática, para los problemas individuales y
de múltiples contaminantes, incluyendo las redes de agua de calor integrado. Casi
una década después Foo realiza un estudio exclusivamente centrado en el análisis
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pinch para un único contaminante y caudal fijo. El estudio realizado por Jezowski sirve como un compendio de los trabajos en la zona clasificada alfabéticamente con información clave sobre el alcance del problema (formulación del modelo) y métodos de solución empleada. Gouws presenta una revisión de los sistemas de agua en discontinuo, que abarca tanto los métodos de diseño basados en reglas heurísticas, así como los enfoques de programación matemática.
2. PROBLEMA DE SÍNTESIS DE REDES DE AGUA
Hay tres clases de problemas en la síntesis de redes de agua:
i) Reutilización directa que considera la reutilización de aguas residuales sin tratamiento transfiriéndolo directamente desde la unidad de proceso donde se produce el agua.
ii) Síntesis de la red de agua de regeneración, que considera un tratamiento parcial de agua o de aguas residuales para facilitar su posterior reutilización o reciclaje.
iii) Síntesis de la red de agua total, que considera las dos unidades que utilizan el agua y el agua o las operaciones de tratamiento de aguas residuales de forma simultánea.
El objetivo básico es sintetizar una red que integre las unidades de proceso y las operaciones de regeneración de agua y conseguir la optimización en términos ambientales, basados en la sostenibilidad (minimizando el daño ecológico y cumpliendo las restricciones marcadas por los límites de vertido final al medio ambiente) y económicos (minimización de costes).
Hasta hace unos años, el problema del tratamiento de agua se consideraba como un conjunto de operaciones secuenciales de una sola corriente de aguas residuales, (desaladoras, strippers, etc) (Fig. 2 (a)).
Una forma de obtener mejores diseños es la reutilización de las aguas residuales de un proceso, que consiste en alimentar la corriente residual a otra corriente sin enviarla a tratamiento. Esto reduce el coste debido a que el consumo de agua en general es menor (Fig. 2 (b)).
El siguiente paso es introducir diseños paralelos a la unidad de tratamiento de aguas residuales sin fusionar todas las corrientes de aguas residuales (Fig. 2 (c)). Finalmente, el tratamiento puede ser descentralizado de tal manera que algunos contaminantes se eliminan de las aguas residuales del proceso seleccionado, lo que permite su reutilización (Fig. 2 (d)).
El concepto de vertido cero se aplica alternativamente a la eliminación total de
sustancias peligrosas o con el concepto de un circuito cerrado de agua.
Los circuitos cerrados son atractivos debido a que la regeneración de la corriente final
no tiene que ser llevada a cabo con tanto rigor, ya que el agua se puede reutilizar con
mayor nivel de contaminantes (Fig. (3)). Además, la ausencia de una descarga elimina
los costos asociados a la aplicación de tratamientos para cumplir con las exigencias de
la legislación medioambiental, así como la relación con otras agencias
gubernamentales.
Estas soluciones de procesos de descarga cero nunca se han intentado, ni en estudios
académicos ni en la práctica, por lo que constituyen uno de los restos de la industria
química.
3. ENFOQUES EN LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUA
En general, los dos enfoques principales para abordar un problema de síntesis de
redes de agua se pueden clasificar en técnicas basadas en reglas heurísticas y en
métodos de optimización. El primer enfoque implica el análisis pinch del agua
(WPA), mientras que el enfoque de optimización permite el manejo de los
problemas de síntesis de redes de agua en toda su complejidad, considerando
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funciones de representación de costes, múltiples contaminantes y diversas limitaciones topológicas, aunque con frecuencia presenta problemas ya que requiere de una alta carga computacional para lograr el óptimo.
4. REGLAS HEURÍSTICAS
Problemas de carga fija y caudal fijo
En el desarrollo de técnicas basadas en reglas heurísticas para la síntesis de redes de agua hay dos enfoques. Uno de ellos es el que se centra principalmente en la transferencia de masa de los procesos que utilizan agua. En estos procesos, el agua se utiliza principalmente como agente de separación para eliminar una cierta cantidad de la carga de impurezas de la corriente rica en contaminante. Ejemplos típicos de estos procesos son la extracción con disolvente, absorción de gas, etc. La principal preocupación de esta técnica es la eliminación de carga de impurezas de la corriente rica, el requisito de caudal de agua del proceso es una preocupación secundaria. Por lo tanto, el problema es más comúnmente conocido como el problema de carga fija. Una de las características de este método es que dado que el agua se utiliza como un agente de separación en los procesos de transferencia de masa, la pérdida de agua y la ganancia se suponen despreciables, y por lo tanto, el flujo de entrada y de salida del proceso se supone que son uniformes.
Por otro lado, el otro enfoque estudia modelos basados en la transferencia de masa. Las herramientas de síntesis desarrolladas en esta técnica abordan el problema del agua de sumidero y fuente. La mayor restricción en este método es la velocidad de flujo. Una característica típica de este modelo es que los caudales de entrada y salida de los procesos que utilizan agua pueden ser no uniformes, lo cual es totalmente diferente a los problemas de carga fija. Este modelo se conoce generalmente como el problema de caudal fijo.
Sin embargo, el objetivo de los dos tipos de problemas es el mismo: minimizar la tasa de flujo del agua externa.
4.1 Técnicas para la reutilización del agua
Se han propuesto diversas técnicas gráficas y numéricas para la reutilización del agua.
4.1.1 Técnicas para problemas de carga fija.
La curva compuesta presentada en el trabajo de Wang y Smith es quizás la técnica más conocida para el análisis del pinch del agua. El método se conoce como pinch del agua para destacar su estrecho parecido al pinch de calor.
El concepto sobre el que se basa el pinch del agua es similar al desarrollado para la curva compuesta en el pinch de calor. En particular, la construcción de una curva compuesta de agua con el objetivo de determinar la tasa de flujo de agua fresca mínimo.
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El modelo se basa en los siguientes supuestos:
- Las corrientes disponibles para el tratamiento se pueden dividir y enviar
a diferentes operaciones de tratamiento. Es decir, se asume que no hay
fusión de estas corrientes. El caudal de agua a través de los procesos es
constante.
- Cada unidad de tratamiento fija el ratio de eliminación de
contaminantes.
- El costo del tratamiento se supone proporcional al flujo de velocidad de
la corriente.
Sobre la base del modelo de transferencia de masa, se usa agua como agente
de separación de masas en la eliminación de impurezas utilizando agua
procesos. Para construir la curva compuesta, los perfiles de los procesos
individuales se representan en un diagrama en los que se representa la
concentración de impurezas vs diagrama de carga. Como se muestra en la
Figura 4 a), los perfiles de agua se trazan en función de sus concentraciones de
entrada y de salida que definen los intervalos de concentración.
La carga de impurezas se añade entonces dentro de cada intervalo de
concentración para formar la curva compuesta limitante (figura 4b). La curva
compuesta limitante es la representación del sistema de red de agua. La
velocidad de flujo mínima de alimentación de agua fresca para todo el sistema
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