Clasificación y eficiencia de procesos de destilación

Clasificación de los Procesos de Destilación
Aunque existen diversos criterios para clasificar los diferentes procesos de desalación,
un modo útil y claro de clasificarlos es dividirlos en dos grupos:
1) procesos que implican un cambio de fase en el agua.
2) procesos que funcionan sin cambio de fases.
Entre los procesos que implican un cambio de fases están los siguientes: Destilación
simple , Destilación en Múltiple Efecto, Flashing en Múltiple Efecto, Congelación y
Compresión de vapor.
Los procesos que no realizan un cambio de fases incluyen: Osmosis Inversa y
Electrodialisis, etc.

Consumo energético en Destilación
1. El consumo energético de los procesos que usan energía térmica se da
mediante un parámetro llamado "Factor de Rendimiento (FR) o Relación
de Economía (RE)", que nos da la cantidad de agua pura producida (en Kg)
por cada 2.300 KJ (la energía requerida para evaporar un Kg de agua en
condiciones normales de presión y temperatura) de energía térmica
consumida. Por lo tanto, puede decirse que el proceso será tanto más
eficiente cuanto mayor sea su FR o RE.
2. Para los procesos que requieren energía mecánica, el consumo energético
se da en términos del número de kWh consumidos por cada Kg de agua
producida. Por lo tanto, el proceso será tanto más eficiente cuanto menor
sea su consumo específico (Kwh/m3 de agua producida).

Destilación. Consideraciones
1. La destilación como proceso de desalación es efectiva porque la mayoría de las
especies químicas que se encuentran en las aguas saladas son no volátiles a las
temperaturas habitualmente empleadas, y por tanto permanecen en la salmuera no
evaporada.
2. Habría que aclarar en el aspecto terminológico, que el término destilación no se
emplea aquí en el sentido habitual en ingeniería química, de separación de dos o mas
líquidos volátiles que son mutuamente solubles.
3. Para la separación del agua de una solución acuosa con componentes no volátiles se
suele emplear el término evaporación en ingeniería química.
4. Sin embargo, en desalación a esta operación se le denomina habitualmente
destilación.

Destilación simple (simple efecto)
El proceso de destilación simple
implica tres pasos discretos para alcanzar el objetivo:
1. formación de vapor debido a la adición de calor a una masa de agua
agua salada.
2. separación de este vapor del contacto con el líquido del que
proviene
3. condensación del vapor por eliminación de calor, normalmente por
contacto con una superficie fría

Esquema del proceso de destilación simple
Entrada de
vapor de
calefaccion
EVAPORADOR CONDENSADOR
Caja de agua
Tubos
Vapor
Salida de salmuera
Salida de condensado
Salida de agua
de refrigeracion
Entrada de agua de mar
Salida de destilado
Carcasa
Agua de mar caliente

SECCION DE UN EVAPORADOR SIMPLE
Entrada de
vapor de
calefaccion
Caja de agua
Tubos
Vapor
Salida de salmuera
Salida de agua
de refrigeracion
Entrada de agua
de mar
Salida de destilado
Carcasa
Aparecen dos cámaras, un evaporador en el que se forma vapor a partir del agua de mar caliente, y un
condensador para condensar el vapor a destilado.
Cada cámara consiste en un haz de tubos envuelto en una carcasa o virola, con cajas de agua a los
extremos de los tubos para permitir la conducción de fluidos hacia y desde aquellos.
El vapor se forma en los tubos del evaporador, debido a la condensación del vapor de una fuente
externa en las paredes exteriores de los tubos (denominado lado carcasa).

SECCION DE UN EVAPORADOR SIMPLE
Entrada de
vapor de
calefaccion
Caja de agua
Tubos
Vapor
Salida de salmuera
Salida de agua
de refrigeracion
Entrada de agua
de mar
Salida de destilado
Carcasa
El vapor sale del evaporador y entra al lado carcasa del condensador, donde se licúa en contacto con la
superficie fría de los tubos del condensador, y se descarga como destilado.
Por el interior de los tubos del condensador circula agua fría para absorber el calor de la condensación,
y por tanto este agua se calienta.
Al salir del condensador, esta cantidad de agua ligeramente caliente se divide en dos corrientes, una
parte va a los tubos del evaporador y el resto se descarga como rechazo de calor.

1. Debe tenerse en cuenta que el agua descargada para rechazo de calor debe ser suficiente en
cantidad y nivel de temperatura (en relación al de entrada), para llevarse todo el calor que fue
previamente aportado por la condensación del vapor externo.
2. El caudal que circula al evaporador debe ser igual a la suma de vapor producido mas la salmuera
que se descarga como rechazo.
3. A su vez la cantidad de salmuera rechazada debe estar en función del objetivo de evitar la
acumulación de sales disueltas por encima de un determinado valor.
4. Para que el dispositivo mostrado en la figura funcione, y para que efectivamente se transfiera
calor desde el vapor condensando en el exterior de los tubos del evaporador al agua del interior,
la temperatura del vapor exterior debe ser mayor que la temperatura de ebullición del agua dentro
de los tubos.
5. Debido a la relación entre el punto de ebullición y la presión del agua, se deduce que la presión
dentro de los tubos debe ser menor que en el lado carcasa, y que el calor de evaporación del agua
interior debe ser mayor que el calor de condensación del vapor exterior, que esta a mas
temperatura y presión.
6. Como consecuencia de esta diferencia en el calor de cambio de fase, la condensación de cada kg
de vapor externo proporcionará menos de un kg de vapor en este proceso simple.
Consideraciones del proceso

Destilación multiefecto
Si se disponen varios evaporadores en serie, se puede aumentar la cantidad de
vapor producida por una cantidad inicial de vapor externo, siempre que la presión
en los lados de evaporador de las cámaras sucesivas se mantenga decreciente
para asegurar el flujo de calor.
SECCION DE UNA PLANTA DE DESTILACION DE TRIPLE EFECTO
Primer efecto Segundo efecto Tercer efecto Condensador
Entrada
vapor
Salida
condensado
Salida salmuera
Salida de agua
de refrigeracion
A bomba
de vacio
Salida de
destilado
Entrada de
agua mar
Vapor

Destilación Multiefecto
El primer evaporador, como en el simple efecto, recibe calor de una fuente externa de
vapor, con la única condición de que la temperatura del vapor en el lado carcasa sea
mayor que la temperatura de ebullición en los tubos del evaporador.
El vapor producido en los tubos del primer evaporador se condensa en el lado de
carcasa de los tubos del segundo evaporador, proporcionando de esa manera el calor
para la evaporación, de parte del agua que esta en el interior de los tubos.
Para que se produzca este flujo de calor desde el vapor condensante hacia el agua
dentro de los tubos, es necesario que esta última este mas fría que el vapor.
El vapor formado tendrá la misma temperatura del agua, de forma que el vapor en este
segundo efecto tendrá una temperatura y presión menor que los del primero.
Entrada
vapor
Salida
condensado
Salida salmuera
Salida de agua
de refrigeracion
A bomba
de vacio
Salida de
destilado
Entrada de
agua mar
Vapor

El vapor formado en el segundo efecto condensa sobre los tubos del tercero,
produciéndose un tercer incremento de la cantidad de vapor que condensa sobre el lado
de carcasa del condensador.
En tanto que la condensación de cada kg de vapor da como resultado ligeramente
menos de 1 kg de vapor (y luego de condensado), esta claro que la condensación de 1
kg de vapor en el primer evaporador producirá algo menos de 3 kg de agua en el
momento en que el último vapor sea licuado en el condensador.
Esta multiplicación del efecto de condensación en los sucesivos evaporadores es lo que
lleva a la designación de este proceso como destilación "multiefecto".
Entrada
vapor
Salida
condensado
Salida salmuera
Salida de agua
de refrigeracion
A bomba
de vacio
Salida de
destilado
Entrada de
agua mar
Vapor

El diagrama no muestra todo el equipo auxiliar necesario para operar este tipo de
evaporador.
Hay una bomba de vacío conectada al condensador, y su función es doble, ya que por
una parte elimina aire (gases no condensables) del sistema, y por otro lado produce un
gradiente de presión en la planta, de forma que el vapor y la salmuera se muevan de un
efecto a otro.
En una planta real probablemente habrían conexiones a la bomba de vacío en uno o
mas efectos, donde pudiera desprenderse aire de la salmuera.
También por causa del vacío, se requieren bombas para descargar el destilado y la
salmuera del sistema.
Entrada
vapor
Salida
condensado
Salida salmuera
Salida de agua
de refrigeracion
A bomba
de vacio
Salida de
destilado
Entrada de
agua mar
Vapor

Destilación Flash
Otro método de llevar a efecto la economía en destilación es por medio de las plantas de
destilación flash (destilación súbita).
La evaporación flash es la producción de vapor por una repentina reducción de presión en un
líquido caliente, que inicialmente esta cerca de su temperatura de ebullición.
Al reducirse la presión, se reduce la temperatura, con lo cual se reduce el calor sensible en el
líquido y se dispone de calor para la producción de una pequeña cantidad de vapor.
Las plantas de destilación flash, utilizando este principio, se diseñan de forma que el agua de
mar de alimentación se caliente en todo el rango de temperatura en condiciones de presión
que impidan la formación de vapor durante el calentamiento.
Cuando se ha alcanzado la máxima temperatura prevista, se reduce la presión del líquido en
un cierto número de etapas.
En cada etapa la reducción de presión va acompañada de una producción de vapor por
ebullición flash.
El condensado de todas estas pequeñas producciones es la capacidad global de la planta.
Fundamentos y Diseño de Plantas

Proceso de Destilación de Multietapa Flash (MSF)
Fundamento: La evaporación súbita (flash) esta en el hecho de que
un líquido que se ve repentinamente expuesto a una presión menor
que la de la saturación correspondiente a su temperatura, evapora
parcialmente de forma que el calor de evaporación necesario lo toma
del resto del líquido que se enfría
Cámara Flash
que tiene una
presión menor
que la de
saturación de
la salmuera
Agua de mar para
refrigeración
Tubos
Destilado
Separador
de gotas
Etapa 2 Etapa 1
Salmuera de
alimentación
caliente  Teb.
Salmuera de
rechazo a la
siguiente etapa
Placa inferior
Placa superior
En cada etapa se produce la evaporación súbita de parte del agua, que
arrastra gotas de humedad. Estas se separan en una malla y el vapor
condensa en el exterior del haz de tubos.

Agua de mar
Suministro de
vapor externo a
baja presión
Destilado
Salmuera
Calentador de salmuera
El agua de alimentación se precalienta en un condensador y va al
calentador de salmuera , de forma que a la salida de la misma se
encuentra a la temperatura máxima admisible bajo condiciones
de presión que no permitan la formación de vapor (ebullición) en
los tubos que la llevan a la cámara.
.
Esquema simple de Flash

Agua de mar
Suministro de
vapor externo a
baja presión
Destilado
Salmuera
Calentador de salmuera
Al entrar en la cámara de flashing, se encuentra con una presión
de vacío menor que se mantiene con un eyector y una parte de la
salmuera se evapora y los vapores producidos pasan por una
malla (demister) y condensan en la superficie de los tubos del
condensador y el resto de salmuera no evaporada pasa a la
siguiente etapa.
Esquema simple de Flash

Destilación y Flashing en Múltiple Efecto
•La destilación y el flashing en múltiple efecto se conocen internacionalmente
con las siglas MED (Multi Effect Distillation) y MSF (Multi Stage Flash).
•En ambos procesos, a partir del agua salada se obtiene agua destilada de
una gran pureza.
•Mediante la destilación se logra reducir la salinidad típica del agua hasta
una diezmilésima parte.
•Así, mientras la salinidad del agua de mar es de 35.000 ppm, la del destilado
es del orden de 4 ppm o inferior.

Planta de Desalinización por Evaporación Instantánea o Repentina
(MSF)

 Evaporación instantánea utilizados a comienzos del siglo pasado
 Sus orígenes se remontan para la obtención de sal a partir de
salmueras
Patente del proceso MSF: Silver y Frankel
 Planta que emplea la evaporación instantánea en la que el nº de
etapas es mayor que 2 veces la relación de funcionamiento. (En la
práctica suele ser del orden de 3 veces)
 El dominio del MSF fue total a partir de 1977
Breve historia del proceso MSF

 Cuando la salmuera caliente se introduce en una cámara flash
(que se encuentra a una presión menor que la que le corresponde a
la de la saturación de salmuera), la temperatura de ebullición
disminuye proporcionalmente y su calor sensible que se aprovecha
para producir vapor.
 Se aceptaba la formación de incrustaciones o precipitaciones en
los evaporadores, aún a pesar de darle un apropiado pretratamiento.
Breve historia del proceso MSF

Principales características en MSF
Según el flujo
- MSF un solo sentido
- MSF con recirculación
Pretratamiento
- Polifosfatos
- Ácido
- Aditivos de alta temperatura
Configuración de los tubos en el condensador
- Cruzados
- Longitudinales
- Verticales
Cortesía de EMALSA

1. Pretratamiento
2. Evaporador multietapa (secciones de recuperación y rechazo de
calor)
3. Recalentador de salmuera (intercambiador de calor)
4. Eyectores de vacío
Secciones y equipos en una planta MSF

• La evaporación tiene lugar en una serie de cámaras que se mantienen en el vacío.
• 20 a 30 etapas, divididas en dos secciones, rechazo y recuperación (mayor nº de
etapas)
• El proceso se inicia con el precalentamiento del agua de mar que sirve de
alimentación a la sección de rechazo de calor (la salmuera se enfría). Una parte del
agua de mar sirve para refrigerar y otra caliente se devuelve al mar. El resto se mezcla
en la última etapa con la salmuera de recirculación y sirve a su vez de refrigerante en
la sección de recuperación de calor.
• La salmuera llega a la primera etapa con la máxima temperatura (90-120 ºC)
mediante vapor externo, de forma que la salmuera en la 1ª etapa sufre el flash y
condensa en los tubos superiores.
• El resto de salmuera no evaporada pasa a la segunda etapa y se repite la secuencia.
Descripción de un planta MSF

Bomba de
recirculación
Sección de recuperación de
calor
Recalentador
de salmuera
Vapor
Condensado
Destilado
Pretratamiento
Sección de rechazo de
calor
Diagrama de flujo de una planta multietapa MSF (con recirculación)
A.mar
Rechazo
salmuera
Evaporador de N etapas
1ª etapa
T máxima
N etapa
T mínima
Eyector de venteo

Ventajas y desventajas del proceso
• El agua de alimentación requerida es del orden de 3-4 veces la
del producto.
• Facilidad de mantener el vacío, dado que aparecen menos GNC
• Menor problemas de corrosión
• Mayor transmisión efectiva de calor en las cámaras de flashing
• Posibilidad de operar entre 60 y 80 % de la capacidad de diseño
• Mayor concentración de salmuera y aumenta el peligro de
incrustaciones

Influencia del pretratamiento en el rango del flashing
Para incrementar el rango de temperatura de flashing se
plantean dos métodos
1. Disminuir la temperatura inferior, que viene prefijada de
forma natural (la que corresponda al agua de mar)
2. Elevar la temperatura máxima, sin que ello genere mayores
precipitaciones, sobre todo de sulfato cálcio, carbonatos
cálcicos e hidróxidos magnésicos.
- Pretratamiento químico: Polifosfatos (90 ºC)
Ácidos (120ºC)

Ver transparencias de disposición de los tubos

• Son plantas que no recirculan una parte de la salmuera.
• El agua de mar se bombea hasta la última etapa del evaporador
pasando por todos los tubos del condensador de todas las etapas
hasta llegar al calentador de salmuera.
• No son muy usadas pero son fáciles de operar porque no existe el
problemas de incrustaciones, ya que no se recircula salmuera.
• Requiere grandes cantidades de agua de mar
Agua de mar
Salmuera
Destilado
Recalentador de
salmuera
MSF un solo sentido

•Baja potencia de bombeo y no se requiere bomba de recirculación
• Gran cantidad de gases no condensables librados durante el
flashing
• Reducción en los coeficientes de transferencia de calor por
interferencia de los gases
• Alta corrosión por los gases liberados
• Necesidad de un eyector de gran capacidad Agua de mar
Salmuera
Destilado
Recalentador de
salmuera
MSF un solo sentido

Principales parámetros de operación en MSF
 MSF es insensible a la salinidad de la alimentación
 Requerimientos energéticos constante para cualquier TDS
 2 rangos de temperatura máxima de salmuera (90 y 120 ºC)
 Pretratamiento con ácido y anti-incrustantes
 Evaporación súbita en condiciones de vacío
 2 bar (120 ºC) 0,71 bar (90 ºC)
 Limitación de la conversión: 50 %
 Consumo de vapor alto
 R.E. De 8-10; 10-11 kg agua/kg vapor
 Problemas de materiales
 Sistema adecuado para agua de mar y no para salobres
 Requiere vapor de baja presión, normalmente de una turbina
 Plantas duales

Relación de economía (relación de producción) RE
Parámetro que se utiliza en las plantas de Destilación que utilizan vapor como fuente
de energía.
Definición: Es el número de kilogramos de agua obtenidos por cada 2330 kJ de
energía aportados en el vapor, que corresponden a la entalpía de condensación a
unos 70 ºC.
Expresión: RE= mp / (q/hfg) donde q = carga térmica del recalentador de
salmuera, hfg = calor de condensación.
Expresión simplificada: kg de agua producidos por kilogramo de vapor aportado. RE
= kg de agua producto/kg de vapor motriz.
En otros sistemas de Desalación, que utilizan la E.E., el consumo se mide en
unidades de energía por unidad de agua producida. (kWh/m3)
Comparación de consumos. Exergía o Energía útil = h – Tos (kJ/kg)
Parámetros de diseño

Tm
Tn
T1
T1
Ta
Ta
Tm
Tn
Perfil de temperatura en el proceso MSF
Agua de mar
Rechazo de agua de mar
Etapas de recuperación
de calor
Etapas de rechazo
de calor

Análisis Termodinámico en el proceso MSF
F
=
T
-
T 1
m 
n
T
-
T
=
T
1
m
x
n
T
-
T
c
m
=
h
m
1
m
r
fg
n
m
h
n
)
T
-
T
(
c
=
m r
fg
1
m
n
h
n
)
T
-
T
(
c
=
y
fg
1
m
n r
m = y m
r
m (1- y)
y m (1- y)
r
r r
2
m (y + y (1- y)) = m (1 - (1- y) )
la suma del destilado en (n)+(n-1) es igual a
el rango total de temperaturas es:
la caída unitaria de temperatura, en cada etapa es
la cantidad de vapor producido en la etapa superior (n) se dtermina sobre un balance de energía:
despejando
simplificando
y es la fracción de vapor sobre el caudal de recirculación
El caudal de salmuera que entra a la etapa (n-1) es igual a
el destilado producido en (n-1) es

Relación de recirculación en MSF
r
2
r
2
m (1 - (1 - (1- y) )) = m (1- y)
la suma del destilado en (n)+(n-1) es igual a
la salmuera que entra a la etapa (n-2) es y m (1- y)
r
2
el destilado producido en (n-2) es r
2 2
r
3
m (1 - (1- y) + y (1- y) )
= m (1 - (1- y) )
la suma de destilado en las etapas (n)+(n-1)+(n-2) es r
s
m (1 - (1- y) )
En el total de (n) etapas tenemos:
r
n
p
m (1 - (1- y) ) = m
luego la suma de destilado en un número (s) de etapas será :
r
p
n
m
m
=
1
(1 - (1- y) )
lo que nos define el caudal de reciclado necesario para obtener una determinada producción.
Simplificación válida: el valor de y es del orden de 4.18x90/20/2500 = 0.007 (valor pequeño) y n>10 etapas
normalmente.
2
1
+
F
c
h
=
2
1
+
ny
1
m
m fg
p
r



Relación de economía en MSF
La aportación total de calor en el calentador de salmuera es
q = c m (T - T )
r rn rm
y la aportación de calor por unidad de producto es
q
m
=
h (T - T )
F
+
c (T - T )
2
p
fg rn rm rn rm

1
RE
=
q
m h
=
(T - T )
F
+
c
2 h
(T - T )
p fg
rn rm
fg
rn rm

La relación de economía es un parámetro fundamental en destilación, y es igual a
RE =
agua producida
calor utilizado
=
m
q
h
p
fg






El segundo término de esta última ecuación es bajo, de forma que RE es aproximadamente proporcional al
rango de evaporación.

Secciones de recuperación de calor y rechazo en MSF
El calor que debe ser rechazado en la sección correspondiente (de nj etapas) es igual al introducido en el
calentador de salmuera.
El calor eliminado en las corrientes de producto y de salmuera (la suma de mp y ms es igual a ma) es
a 1 a
m c (T - T )
el calor eliminado en sección de rechazo es r n m a 1 a
m c (T - T ) - m c (T - T )
que debe ser igual a r j+1 1
m c (T - T )
igualando las dos ecuaciones anteriores
a
p
1 a
r
p
n m j+1 1
m
m
c (T - T ) =
m
m
c (T - T - T - T )
En primera aproximación, y salvo una corrección menor, la relación de números de etapas es igual a la RE
RE
1
n
nj

La economía es aproximadamente igual al número total de etapas partido el número de etapas de rechazo.

Estudio de casos MSF
• MSF: mayor capacidad instalada
• Kuwait(1960) 2 uds. 4.540 m3/día.(19 etapas/ud. R.E= 5,7)
• Mayor del mundo, Doha West (Kuwait) de 392.400 m3/día
(12 ud de 32.700 m3/día)
• Las Palmas I y Las Palmas II
• 4 x 5.000 m3/día y 2 x 9.000 m3/día
• R.E de 5,8 y 9,1, respectivamente
• Nº de etapas: 22 y 26.
• Temperatura: 90 y 120 ºC
• Pretratamiento: polifosfatos y ácido

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