Plantas de intercambio iónico

Algunos principios de diseño

No encontrará aquí un método completo de diseño. Solo unas recomendaciones generales para diseñar un sistema de intercambio iónico de manera económica y obtener buenas prestaciones, y un ejemplo sencillo pero detallado. Presentamos los tipos de columnas más populares en otra página en inglés.

Las compañías especializadas en tratamiento de agua tienen sus propias tecnologías y métodos de diseño. Esta página muestra algunos de los parámetros básicos necesarios para diseñar una planta.

Estos parámetros son:

• El análisis del agua de alimentación de la planta
• El caudal de producción
• La duración del ciclo
• La calidad deseada del agua tratada
• La tecnología de regeneración
• El tamaño de las columnas
• La selección de las resinas

Nos centramos principalmente en los sistemas de desmineralización, pero la mayoría de los principios y recomendaciones se aplican a otros procesos de intercambio de iones: ablandamiento, descarbonatación, eliminación de nitratos, y otros.

Análisis del agua de alimentación

Todos los sistemas de intercambio de iones son diseñados para un agua de alimentación dada. Algunas variaciones de los análisis de agua de alimentación son aceptables, y deben tenerse en cuenta, pero un sistema de intercambio de iones no se puede diseñar de manera eficiente para muy diferentes tipos de agua. Por ejemplo, un sistema de desmineralización diseñado para el tratamiento de agua de pozo es completamente diferente de un sistema diseñado para el tratamiento del permeado de una ósmosis inversa.

La primera etapa es obtener un análisis correcto del agua bruta. Detalles se encuentran aquí.

Cuando el análisis de agua no es constante, debido por ejemplo a unas variaciones estacionales, no tome una "composición media" como la base de su diseño. En su lugar, utilice el caso "más probable", haga el diseño con esta agua, y compruebe en un segundo paso lo que ocurrirá (duración del ciclo) con las aguas "mínima" y "máxima". Todos los análisis de agua deben ser perfectamente equilibrados, tal como se ilustra en el ejemplo de la derecha.

Basado en el análisis del agua bruta se determinará la combinación más favorable de resinas, y si un desgasificador se puede instalar.

Caudal de producción

Es importante saber si la planta debe funcionar con un caudal constante o variable. Algunos diseños necesitan un caudal mínimo (por ejemplo Amberpack^TM). Naturalmente, el sistema debe funcionar con el caudal máximo y mínimo.

En general, no es aconsejable operar de forma intermitente, es decir, detener la producción en el medio del ciclo y volver a iniciarla. La calidad del agua tratada puede verse afectada después de una parada no seguida de una regeneración.

Duración del ciclo

Un ciclo corto es deseable en la mayoría de los casos. El límite práctico es que el período de producción debe ser por lo menos tan largo como el proceso de regeneración. Como la mayoría de los sistemas de intercambio iónico se regeneran de forma automática, la duración del ciclo de producción no tiene que ser "al menos un día", como era la regla en el momento (hace muchas décadas) cuando el turno de la mañana regeneraba la planta manualmente todos los días a las 7 de la mañana. Se han diseñado sistemas eficientes con tiempos de funcionamiento tan corto como 3 horas.

Los límites del tiempo de funcionamiento también están relacionados con la cinética de la resina. Al leer las hojas técnicas de las resinas, normalmente se ve que el caudal específico en el tratamiento del agua debe estar entre 5 y 50 volúmenes de lecho por hora (m³/h por m³ de resina, o h^–1). A caudales más bajos, la distribución hidráulica en el lecho de resina puede ser insuficiente, y con tasas de flujo más altas, los efectos cinéticos pueden afectar la velocidad de intercambio, resultando en ambos casos en una pérdida de calidad del agua tratada.

Así, en la práctica el tiempo de funcionamiento debe ser seleccionado como una función de los siguientes parámetros:

• Caudal específico entre 5 y 50 volúmenes por hora (Vol/h o h^–1).
• Lechos mezclados se diseñan con un caudal de 12 a 15 h^–1.
• Diseño del sistema tan pequeño como sea posible por razones económicas (menor inversión de equipos y resinas).
• Con lechos compactados, asegurarse que el lecho de resina esté compactado correctamente en el período de producción (por ejemplo Amberpack^TM) como durante la regeneración (Upcore^TM y similares).

Con aguas de salinidad baja, como permeado de ósmosis inversa, el ciclo puede durar varios días. Los lechos mezclados de pulimiento detrás de una planta principal de desmineralización pueden funcionar varias semanas antes que haya que regenerarlos.

Véase la descripción de un ciclo completo.

Calidad del agua tratada

En el proceso de intercambio iónico, la calidad del agua tratada es casi independiente del análisis de agua bruta. Los factores que afectan esta calidad están esencialmente relacionados con el proceso de regeneración.

No obstante, la temperatura puede afectar a la fuga de sílice residual en el agua tratada: a temperaturas mayores de aproximadamente 50 ºC, la sílice casi no se elimina por resinas de intercambio aniónico fuertemente básicas (SBA).

Aparte de eso, se puede esperar que la calidad del agua tratada de un sistema de regeneración regenerado en contracorriente sea:

• Conductividad: ~ 1 µS/cm
• Sílice residual: 10 a 25 µg/L

Los lechos mezclados de pulido producen generalmente una conductividad de 0.1 µS/cm, y una fuga de sílice menor de 10 µg/L. Lechos mixtos cuidadosamente diseñados y operados pueden producir una conductividad similar a la del agua pura (0.055 µS/cm) y sílice de unos µg/L o a veces menos.

Tecnología de regeneración

Detalles de los métodos de regeneración se encuentran en una página separada. Otra página (en inglés) ilustra los varios diseños de columnas correspondientes.

Salvo las unidades de intercambio iónico muy pequeñas (las de descarbonatación con una resina WAC solamente), las plantas deben siempre estar diseñadas usando la regeneración en contracorriente. Columnas de lecho compacto son particularmente útiles, ya que ofrecen un diseño compacto y económico, y muy buena la calidad del agua tratada. Normalmente se dimensionan con ciclos relativamente cortos.

Sin embargo hay que prestar atención a los puntos siguientes:

Columnas Amberpack^TM y tipos similares de lechos flotantes

Estas funcionan de abajo hacia arriba y se regeneran de arriba hacia abajo. El caudal de producción debe ser suficiente para mantener el lecho de resina compactado hacia la placa de boquillas superior de la columna. Con resinas fuertemente ácidas (SAC), las que tienen la mayor densidad, la velocidad de producción tiene que ser más de 25 m/h (a 20 °C). Otras resinas tienen una densidad menor y la velocidad mínima es de 16 m/h.

Columnas Upcore^TM y similares

Con producción de arriba hacia abajo y regeneración de abajo hacia arriba, la velocidad de regeneración tiene que ser suficiente para mantener el lecho compacto. Esto se consigue con las medidas siguientes:

• Un paso inicial de compactación se realiza durante unos minutos a la velocidad de 30 m/h antes de inyectar el regenerante.
• La solución de regeneración debe a veces ser reducida de manera que el ácido se pueda inyectar a más de 7 m/h y la sosa a más de 5 m/h en la columna de intercambio aniónico.
• A menudo, el tiempo de contacto del regenerante se debe bajar.

Tiempos de contacto cortos y concentraciones bajas de las soluciones de regeneración pueden afectar, sin embargo, la eficiencia de la regeneración.

Tamaño de las columnas

Para un volumen dado de resina, es generalmente más barato construir una columna estrecha y alta en lugar de una columna ancha y baja: en la ilustración, las dos columnas contienen el mismo volumen de resina. La columna B es más barata, ya que los principales componentes de los costos de la columna son los fondos cóncavos y las placas de boquillas.

No hay límite en altura, excepto que la pérdida de carga a caudal máximo no debe ser más de 100 a 150 kPa (1 a 1,5 bar) a caudal máximo con resinas limpias.

Cuando se selecciona el diámetro de las columnas, los límites de la sección anterior (tecnología de regeneración) también deben ser considerados.

Selección de las resinas

Habrá que consultar al fabricante de resina. Sin embargo, se pueden hacer algunas recomendaciones generales:

• Resinas macroporosas normalmente no se requieren para la desmineralización o ablandamiento
• Una excepción: todas las resinas débilmente básicas (WBA) de estireno son macroporosas
• Se requieren tamaños de partículas especiales dependiendo de la tecnología de diseño:
  • resinas uniformes o semi-uniformes son necesarias para lechos compactados
  • calidades especiales se requieren para lechos estratificados (por ejemplo Stratabed^TM o Stratapack^TM)
  • calidades especiales son también necesarias para lechos mezclados
• Con aguas de alto contenido de materia orgánica, se recomiendan resinas aniónicas acrílicas

 

Cálculo manual aproximado

Podemos hacer un cálculo manual sin usar programas ni ordenadores, ni siquiera los datos de diseño de los productores de resina. El resultado será solo aproximado pero muy útil para una estimación básica de la planta. Es también un buen ejercicio para entender y practicar los principios enunciados arriba.

Este cálculo se puede hacer para ablandadores o plantas sencillas de desmineralización que incluyen una columna de resina catiónica fuerte, una torre de desgasificación opcional y una columna de resina aniónica fuerte.

He aquí el proceso de cálculo de una planta de desmineralización sencilla:

1. Examinar el análisis del agua bruta
2. Calcular la concentración de cationes C_c [meq/L]
3. ¿Necesitamos una torre o no?
   Si la concentración de bicarbonato es de 0.6 a 1.0 meq/L o más, se justifica una torre de desgasificación
4. Calcular la concentración de aniones C_a [meq/L]: con
   Cl^—, SO₄⁼, NO₃^—, SiO₂, HCO₃^— o CO₂ residual detrás de la torre si existe aquella
5. Seleccionar una duración de ciclo razonable t entre regeneraciones (en horas).
6. Con el caudal f en m³/h calcular la producción neta Q [m³]:
   Q = f · t [m³]
7. Calcular la carga iónica de un ciclo en eq (concentración en meq/L multiplicada por el volumen producido en m³):
   • Carga catiónica [eq] = C_c · Q
   • Carga aniónica [eq] = C_a · Q
8. Tomaremos unos valores de capacidad útil aproximados:
   • SAC: cap_c = 1.0 eq/L con regeneración de HCl o
     SAC: cap_c = 0.8 eq/L con regeneración de H₂SO₄
   • SBA: cap_a = 0.5 eq/L
9. El volumen V de resina (en litros) es igual a la carga iónica [eq] dividida por la capacidad útil [eq/L]:
   • SAC: V_c = C_c · Q / cap_c [L]
   • SBA: V_a = C_a · Q / cap_a [L]
10. Antes de terminar el cálculo, tenemos que averiguar que la carga volúmica de ambas columnas de resina sea compatible con los valores recomendados por los productores de resina. Esta carga volúmica en h^–1 es igual al caudal dividido por el volumen de resina. El rango usual es 5 a 50 h^–1. Para diseñar una planta con costo mínimo de inversión, utilice una carga volúmica de 30 a 35 h^–1.
    Si las cargas volúmicas calculadas con los volúmenes V_c y V_a son demasiado altas, aumente la duración del ciclo t, y si son bajas redúzcala.

Está claro: este cálculo es muy aproximado, por que tomamos en el punto 8 una capacidad estimada que no toma en cuenta varios parámetros que afectan la capacidad: nivel de regenerantes, composición precisa del agua, temperatura, valor de fuga al fin del ciclo, etc.

Además, tampoco se calculó aquí la carga iónica adicional procurada por las aguas de servicio necesitadas para la dilución de los regenerantes y las etapas de lavado. Según la salinidad del agua bruta, las aguas de servicio pueden aumentar la carga iónica de 2 a 10 %.

El cálculo de parejas de resinas débiles y fuertes (WAC/SAC o WBA/SBA) no se puede hacer manualmente porque necesita iteraciones para optimizar el "overrun".
Cálculos exactos se pueden hacer con programas especializados tales como el IXCalc^TM para resinas producidas por Dow.

Ejemplo

Utilizando el esquema de 10 puntos de arriba.

1. Análisis de agua [meq/L]
   

   Cationes			Aniones
   Ca	3.2		Cl	1.1
   Mg	0.7		SO4	0.6
   Na	0.9		NO3	0.2
   			HCO3	2.9
   Σ Cationes	4.8		Σ Aniones	4.8
   			SiO2	0.4

2. C_c = 4.8 meq/L
3. HCO₃ = 2.9 meq/L — utilizar una torre
   CO₂ residual detrás torre = 0.25 meq/L
4. C_a = 1.1 + 0.6 + 0.2 + 0.25 = 2.15 meq/L
5. Tiempo de operación t = 12 h
6. Caudal 60 m³/h
   Volumen producido 60 · 12 = 720 m³
7. Carga iónica
   • Catiónica [eq] = 4.8 · 720 = 3456 eq
   • Aniónica [eq] = 2.15 · 720 = 1548 eq
8. Capacidad útil estimada
   • Regeneración con HCl: cap_c = 1.0 eq/L
   • Regeneración con NaOH: cap_a = 0.5 eq/L
9. Volúmenes de resina
   • SAC: V_c = 3456 / 1.0 = 3456 L
   • SBA: V_a = 1548 / 0.5 = 3096 L
10. Carga volúmica
    • SAC: 60 / 3.456 = 16.9 h^–1
    • SBA: 60 / 3.096 = 19.4 h^–1

Las cargas volúmicas son totalmente aceptables, pero se podría reducir el ciclo hasta digamos 8 horas para una planta más pequeña. Los nuevos datos serían:

• Volumen producido 60 · 8 = 480 m³
• Carga catiónica [eq] = 4.8 · 480 = 2304
• Carga aniónica [eq] = 2.15 · 480 = 1032 eq
• Volumen de SAC: V_c = 2304 / 1.0 = 2304 L
• Volumen de SBA: V_a = 1032 / 0.5 = 2064 L
• Carga volúmica SAC: 60 / 2.304 = 26.0 h^–1
• Carga volúmica SBA: 60/2.064 = 29.1 h^–1

En la mayoría de los casos la planta de desmineralización tiene dos cadenas de servicio alternativo con regeneración automática, de manera que un ciclo más corto es una ventaja.

Hemos considerado en nuestro ejemplo que las columnas de resina son de tipo Amberpack, lo que resulta en una calidad excelente del agua tratada, con una conductividad típica de 1 µS/cm o menos y una fuga de sílice de 10 µg/L o menos.

Amberpack, Upcore, Stratabed y Stratapack son marcas de Dupont / Dow Chemical.