A por el VERTIDO CERO: Secando FLUJOS.

Cuando hablamos de aguas, o incluso de flujos residuales de proceso, y de su tratamiento o depuración, a efectos prácticos en lo que estamos pensando es en un sistema orientado a la extracción de materiales disueltos o en suspensión dentro de ese flujo, del que realmente nos interesa recuperar el agua y, en algunas ocasiones, alguno de los materiales que han quedado integrados en ella.

Para ello da igual que utilicemos productos químicos que nos ayuden a precipitar, a coagular o a flocular los sólidos, que utilicemos técnicas para hacer flotar aquellos menos densos, que utilicemos filtros o membranas para separarlos de forma selectiva, o que hagamos uso de la biología para digerir los disueltos y generar "deposiciones de bacterias", todo es separar el agua de los sólidos que contiene.

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Al final

todo proceso de

depuración

consiste,

hablando de forma genérica,

en separar sólidos

del agua

a través de procesos físicos,

químicos

o biológicos.

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*Pido perdón por adelantado a todos los expertos en depuración por la licencia que me tomo en simplificar hasta estos extremos los sistemas de tratamiento, que conste que está hecho con la mejor de las intenciones, y creo que en esta ocasión el fin justifica los medios. 

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Sin embargo, al final ninguno de estos sistemas de extracción de sólidos es perfecto, y lo que siempre tenemos es un proceso de tratamiento que a partir de un agua residual genera dos flujos distintos:

• Un flujo diluido, formado por agua de la que se ha extraído la mayor parte del material disuelto que se pretendía, y que forma parte de la línea de aguas de una depuradora, siendo el que luego se remite a otros tratamientos posteriores o a vertido, reutilización, etc.

• Un flujo concentrado, formado por el contaminante retirado y un porcentaje de agua elevado, que normalmente forma parte de la línea de lodos o rechazos de una depuradora, y que luego seguirá un sistema de tratamiento similar orientado a extraer el agua del lodo y generar un flujo aún más concentrado.

Si lo pensamos fríamente, al hablar de sistemas para el tratamiento de aguas residuales realmente de lo que estamos hablando es de una sucesión o ramificación de procesos bajo los criterios vistos anteriormente, orientados fundamentalmente a disponer de un agua lo más pura posible y de un residuo que alcance la mayor sequedad.

Sin embargo, es en parte este afán por alcanzar un agua lo más depurada posible y eliminar aquellos contaminantes más problemáticos y recalcitrantes, o la necesidad de "estrujar" los lodos hasta el extremo, lo que hace que la tecnología tienda actualmente a adoptar sistemas cada vez más exigentes en la calidad del resultado final y que, sin embargo, son "menos eficientes" de cara a la concentración del efluente de rechazo.

En este sentido, por ejemplo, las técnicas más avanzadas de ósmosis inversa, intercambio iónico, ultrafiltración, etc, ya permiten obtener un agua prácticamente pura con una excelente calidad, pero por contra generan un rechazo muy diluido que se vuelve un problema tanto por su alta concentración de contaminantes, que impiden su tratamiento por métodos tradicionales, como por su alto volumen, debido a un alto contenido en agua, que hace que aún presenten un estado líquido.

La última frontera: los PROCESOS TÉRMICOS.

Así, cuando llegamos a los límites de la depuración de flujos nos encontramos fácilmente con el problema de tener rechazos líquidos que constituyen esencialmente un problema debido a que ya no existen alternativas de tratamiento viable por medios físico-químicos o biológicos convencionales. A estos flujos les espera normalmente uno de estos destinos:

• En el mejor de los casos su disposición en balsas para promover la evaporación o evapotranspiración natural, en ocasiones favorecida por algún sistema de aspersión, para tratar y concentrar de forma natural estos flujos residuales. Una alternativa que sin embargo requiere espacio, tiempo y unas condiciones climatológicas favorables, entre otros aspectos a cubrir.

• En ocasiones su recirculación para su dilución junto a otros vertidos de proceso, lo cual es un evidente error y un coste añadido si se lleva a la cabecera de una depuradora, e incluso en ocasiones una práctica con escaso amparo legal si se lleva a vertido.

• En muchos otros casos, se termina tratando como un residuo líquido, destinándolo a su retirada por parte de un gestor autorizado, que en algunas ocasiones puede llegar a gestionarlo como residuo peligroso, con los costes que ello supone.

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Pero estos rechazos siguen siendo en su mayor parte agua. Agua con una alta concentración de contaminantes disueltos, de difícil eliminación, pero al fin y al cabo agua en hasta un 95% o más, que sin embargo se trata como un residuo o un vertido y se convierte en un coste adicional.

Sin embargo, la tecnología nunca tira la toalla, y movida esencialmente por algunas iniciativas industriales que buscan la máxima recuperación de flujos e incluso tienden al "vertido cero", e inspirada en los procesos naturales de evaporación, cambia el concepto y lo que busca en este punto es extraer el agua del flujo residual mediante procesos térmicos de alto rendimiento, que aceleren de forma rentable los procesos naturales de evaporación.

La extracción del agua se lleva a cabo en estos procesos térmicos, como ya se ha mencionado, por evaporación, consiguiendo así concentrar los sólidos disueltos en el flujo residual hasta prácticamente el punto de saturación, y pudiendo llegar en algunos casos incluso al denominado como residuo seco. 

Haciéndole el VACÍO a los Flujos Residuales.

Pero evaporar agua por si sólo es muy caro, se necesita aportar mucha energía para calentar el agua hasta los 100ºC y luego aplicar el calor necesario para evaporarla (el calor latente del agua además es alto, entorno a 2.300 kJ/kg). 

Esta es la razón de que hayan surgido en este punto los evaporadores al vacío. Estos equipos, utilizados originalmente en la industria alimentaria desde el siglo XIX, han servido para conseguir evaporar el agua de ciertos alimentos pero sin afectar a los componentes básicos que los forman, debido a las bajas temperaturas utilizadas, y ahora se desvelan como la solución a estos flujos problemáticos gracias a su alta eficiencia.

El principio es bien sencillo y es aplicable a cualquier proceso de evaporación. La temperatura de ebullición del agua baja considerablemente en función de la presión a la que esté sometida, por lo que a menor presión menor temperatura es necesaria para evaporar el agua, principio en el que se basan los evaporadores, y que puede incrementar la eficiencia en la evaporación del agua contenida en un flujo residual gracias a que previamente se hace el vacío.

De hecho, los evaporadores industriales que podemos aplicar hoy en día a nuestros flujos residuales permiten alcanzar presiones de unos 33 mbar, que dejan la temperatura de ebullición del flujo contaminado en unos 31 a 35ºC, lo que lleva a una menor necesidad de aporte calórico para conseguir llegar al punto de ebullición, pudiendo incluso compensar el incremento del calor latente que se da con la disminución de la presión.

Evaporador al vacío de serpentin inmerso - By Condorchem Envitech

Por otro lado, una temperatura tan baja permite diversas opciones para su obtención, y pueden llegar a aplicarse principios de funcionamiento a baja temperatura que serían impensables a altas temperaturas. De esta forma, podemos encontrarnos con evaporadores al vacío que funcionan: 

• Mediante bombas de calor, utilizando únicamente el ciclo frigorífico de un gas refrigerante a baja temperatura, con unos rendimientos muy atractivos que van actualmente de los 130 W a los 230 W por litro destilado y unas aplicaciones a nivel industrial que llegan a caudales de hasta 50 m3/día.

• Mediante compresión mecánica del vapor, recuperando así el calor latente de la evaporación mediante la condensación del vapor obtenido, gracias a su compresión mecánica, utilizando dicho calor como fuente para calentar el flujo entrante, llegando así a rendimientos muy atractivos que van de 36 W a 50 W por litro destilado, y que además permite tratar mayores volúmenes, llegando incluso a los 250 m3/día.

• Mediante sistemas multiefecto. En estos sistemas se disponen varios evaporadores en batería en los que el vacío va siendo progresivamente mayor (cada vez hay menos presión) de forma que calentando el primer evaporador a alta temperatura (unos 90ºC) en el resto  se aprovecha el calor latente del vapor generado en el anterior para calentar el flujo entrante a menores temperaturas y condensarlo parcialmente.

En todos ellos el resultado final es la obtención de un flujo concentrado, resultado de llevar prácticamente hasta el punto de saturación el flujo residual, pudiendo en algunos casos llegar al residuo seco (5% de agua) utilizando equipos de concentración especiales, denominados cristalizadores.

Se debe tener en cuenta que, en cualquier caso, el calor latente de cualquier flujo que queramos tratar con un evaporador se incrementa con el descenso de la presión, y que el punto de ebullición aumenta en función de la concentración de sólidos disueltos que vaya alcanzando, por lo que el rendimiento de la máquina va disminuyendo según se va evaporando el líquido, llegando a alcanzarse un punto de concentración crítica a partir del cual la evaporación al vacío ya no es rentable, y que comúnmente sirve para definir el ciclo de trabajo de un evaporador.

En cualquier caso, los evaporadores al vacío consiguen así reducciones del volumen del flujo entrante que van del 90% al 95%, por lo que la reducción en los costes de gestión posterior de dicho flujo es considerable, llegando a permitir incluso plazos de amortización del equipo inferiores a los 2 años actualmente.

De esta forma se consigue dar una salida a flujos residuales como taladrinas, soluciones oleosas, lixiviados de vertedero, aguas de desengrase, rechazos de ósmosis inversa, intercambio iónico o ultrafiltración, recuperación de baños galvánicos, concentración de tintas, etc. Flujos que hasta el momento presentaban una problemática ambiental y económica más que relevante para las empresas.

Una vuelta de tuerca más: el "SPRAY  DRYER".

Sin embargo, muchos estarán pensando ahora mismo que la evaporación al vacío no deja de ser un sistema de minimización, con una cierta mejora en la eficiencia energética, pero que también tiene un flujo de rechazo líquido que se tiene que tratar ya como un residuo. 

En cierta forma no les falta razón, a pesar de que podría llegarse a la cristalización, la evaporación al vacío es rentable sólo para la reducción del volumen, pues sigue dando como resultado un flujo líquido saturado, aunque eso si en unas cantidades mucho más reducidas. Y por eso he querido agregar en este artículo una nueva tecnología que complementa, y en algunas ocasiones incluso puede llegar a sustituir, la tecnología de evaporación al vacío "convencional", encontrándose dentro de las tecnologías de secado térmico para el tratamiento de flujos problemáticos que propone este artículo.

Se trata del secado por spray, también conocido como secado por atomización o por dispersión, una interesante alternativa tecnológica, prácticamente desconocida en el mundo ambiental, que sin embargo tiene un amplio bagaje en determinados entornos industriales como el alimentario o el farmacéutico, donde se ha utilizado desde principios del siglo XX para secar totalmente productos líquidos y obtenerlos en formato polvo o incluso encapsularlos (tales como la leche en polvo, los concentrados, los extractos, o el jabón, entre otros) sin que estos pierdan sus propiedades características.

Un proceso de secado que poco a poco empieza a tener cabida también en el tratamiento final de flujos problemáticos como los que hemos visto anteriormente, e incluso rechazos finales como el de la evaporación, recuperando el agua que contienen, y obteniendo un residuo totalmente seco (de hasta el 4% en agua) con cabida en el sector del tratamiento de aguas para obtener el tan ansiado "vertido cero".

Innospray - Equipo de Secado de flujos residuales por spray de CADE Engineering.

El principio del proceso es incrementar la superficie libre del líquido a tratar al máximo posible mientras se pone en íntimo contacto con aire caliente, lo que permite que la cantidad de agua sometida a evaporación en el momento sea la máxima posible, optimizando así su secado.

Para cumplir con este fin el corazón de los secadores de spray está en el sistema de atomización del flujo, que puede ser de distintos tipos: 

• Centrífugo, mediante discos rotatorios que pueden girar hasta a 25.000 RPM (a mas revoluciones menor tamaño de partícula), para los que el mercado presenta una gran variedad de caudales y tamaños, y con los que se pueden alcanzar tamaños de partícula de 15 µm a 250 µm.

• De boquillas a presión, hidráulicas o neumáticas, donde las primeras bombean directamente el flujo para que pase a presión por una boquilla que puede tener entre 0,5 y 3 mm, mientras que en las segundas el bombeo se produce por interacción del aire comprimido y el fluido.

• Ultrasónico, el más novedoso y aún en desarrollo, basado en hacer pasar el flujo líquido por una superficie sometida a vibración ultrasónica, generando así, mediante fenómenos de ondas capilares y cavitación, burbujas de vapor que al escapar del fluido generan gotas microscópicas de tamaños que pueden ser incluso inferiores a los 10 µm.

Además de las múltiples opciones para la atomización que pueden existir, el secado por spray también ofrece distintas alternativas posibles en cuanto a la mezcla con el aire caliente, ya sea en paralelo, atomizando el flujo residual junto con la corriente de aire caliente en el momento de su ingreso a la cámara de secado, a contracorriente, atomizando el flujo residual en la parte superior de la cámara mientras una corriente de aire caliente asciende a través de ella, o mediante flujo mezclado o en fuente.

En cualquier caso la intención será siempre que atomizador y cámara de secado se diseñen de tal forma que la mezcla aire caliente / gota sea íntima, y el patrón de flujo de ambos disponga de un tiempo suficiente de contacto como para que se evapore todo el líquido.

En este sentido, las cámaras de secado tendrán siempre en cuenta que la microgota generada, en contacto con el aire caliente (entre 100ºC y 400ºC), comienza a evaporar el agua en toda su superficie, concentrando en su interior los sólidos disueltos. 

Esta evaporación provoca una cesión de calor del aire entrante (que se enfría) para conseguir una evaporación rápida, mientras que el núcleo de la partícula generada, donde se concentran los sólidos, permanece a temperaturas bajas gracias al efecto de la propia evaporación del agua.

El secado total se garantiza gracias a la disposición de zonas adicionales de enfriamiento de la partícula dentro de la propia cámara de secado, en las que se incrementa el tiempo de permanencia consiguiendo que la partícula se enfríe y de tiempo a la difusión de líquidos desde su interior.

La temperatura y el modo de generar el gas de secado dependerán del tipo de flujo a tratar y de lo que se quiera hacer con el. Si el flujo no es termosensible ni requiere una posterior recuperación (como sucede en muchos flujos residuales), no existirá límite en la temperatura del gas de entrada, y además será posible introducir en la cámara los propios gases de escape del quemador, algo que no sería recomendable en caso contrario (cuanto se utiliza para el secado de ciertos alimentos, por ejemplo, en los que se requiere de un intercambiador para calentar aire).

Al final lo que se consigue es una partícula totalmente seca (cerca del 4% de humedad) de granulometría controlada, que se puede manejar perfectamente gracias a su pequeño volumen y estado sólido sin que se generen los riesgos de contaminación de un líquido, y teniendo un coste de gestión mucho menor debido a su menor volumen. Todo ello sin contar con las posibilidades que se abren con el potencial de recuperación de compuestos o de recuperación del flujo de agua, que también se puede condensar para su aprovechamiento.

photo credit: JD Hancock via photopin cc

Los Spray-dryer 
se convierten 
así en 
la solución 
que promete 
dar 
la vuelta de tuerca 
al secado 
de 
flujos residuales.

Sobre el origen del CALOR:

Secar flujos de agua, más o menos concentrada, supone evaporar agua, y esto, en cualquier caso, implica siempre un gasto energético. Pero este aspecto, que en muchas ocasiones supone un problema cuando se plantea a las empresas que precisan de estos tratamientos, puede ser un reto de interés para encontrar fuentes alternativas de suministro.

En este sentido es en el que se mueven muchas de las empresas del sector que promueven este tipo de tecnologías: la utilización de nuevas fuentes de energía y el uso de energía residual.

El uso de flujos residuales de calor de proceso es una de las líneas de trabajo más interesantes. Si recordamos el artículo de este Blog "Gestionando el Calor Residual" nos daremos cuenta de la enorme cantidad de energía que se desperdicia en nuestras empresas y actividades diarias, lo que justifica que sea una de las opciones y líneas de trabajo que contempla la oferta tecnológica existente en la actualidad.

Por un lado, las bajas temperaturas a las que se mueve la Evaporación al Vacío permiten utilizar el calor residual generado en circuitos de refrigeración de baja temperatura o en circuitos con aguas calientes (a 90ºC aprox) y frías (a 25ºC aprox) del propio proceso, que se pueden utilizar en el circuito del evaporador, integrando así el equipo en el proceso productivo, sin que apenas suponga coste energético para la empresa, permitiendo el tratamiento de flujos residuales de proceso.

Por otro lado, la ausencia de requerimientos específicos para la recuperación de flujos residuales permite en procesos como los secados por spray usar no sólo los gases de escape directamente generados por una caldera, con la ventaja además de no requerirse un combustible especialmente limpio (pues al fin y al cabo se le somete a un lavado del gas con microgotas), sino que además es posible utilizar el gas residual de los procesos productivos que se emite directamente a la atmósfera con un calor residual que, en muchas ocasiones, es más que suficiente para la evaporación de los flujos residuales de los que estamos hablando.

A estas alturas es fácil que más de un lector haya visto en esta última opción una segunda variable más que interesante: usar el flujo residual de agua y el propio spray dryer como sistema de depuración de emisiones atmosféricas de proceso (la sinergia perfecta: tratamiento de vertidos con emisiones y viceversa). 

Efectivamente esto es posible, y de hecho algunas marcas como GEA-Niro ya venden Spray-dryers como sistemas de absorción de contaminantes atmosféricos de alto rendimiento, con diseños específicos para el tratamiento de emisiones, y alcanzando rendimientos por encima de sistemas tradicionales como los lavados de gases con scrubber, con los que además compiten en situación de ventaja al no generar agua residual y poder utilizar aguas sin requerimientos específicos de calidad de entrada.

Si llegado el punto no se pueden utilizar fuentes de energía residual, ya sea por inexistencia o por requerimientos del propio proceso, o estas son incompletas en su aporte de calor, la utilización de energías alternativas es otra de las opciones que se están ofertando actualmente. El uso de energías renovables, con especial hincapié en propuestas como la termosolar orientada a la generación de calor y frío de proceso, son otra de las alternativas que parece que podrían triunfar en los mercados.

Fuente propia

Empresas como CADE Engineering ya ofrecen esta opción como integración de sus tecnologías, y prometen interesantes rendimientos en el aprovechamiento del calor generado de esta forma. La energía termosolar, y en concreto la CSP como abanderada, se desvelan de esta forma como nuevos métodos de generación de calor y frío de proceso que bien pueden utilizarse más allá de la generación energética en procesos como el secado de flujos residuales.

Páginas para consulta sobre este tema:
Condorchem Envitech, una empresa de tecnología ambiental cuyo producto estrella son los evaporadores al vacío.
Veolia, empresa de referencia en el sector, con equipos de última generacion para la evaporación.
GEA-Niro, decanos en la construcción de equipos para el secado por spray en proceso.
CADE Engineering, con su tecnología Innospray para el secado de flujos problemáticos.
Spray Process, tecnología de secado por spray para distintas aplicaciones.