Concentrador de salmuera: dimensionamiento y energía por m³
Un concentrador de salmuera se dimensiona desde el balance hídrico del sitio, no desde un catálogo: para una alimentación típica de 25 m³/h con 45,000 mg/L de TDS concentrada a 180,000 mg/L, la unidad debe retirar 18.75 m³/h de agua en forma de vapor, y ese solo número fija el suministro de calor, la aleación y la factura energética de 18–30 kWh por m³ (MVR) o 0.30–0.40 t de vapor por m³.
Puntos clave
- Dimensione desde el balance: la tasa de remoción de agua, no el caudal de alimentación, fija la carga del evaporador.
- Las unidades MVR consumen 18–30 kWh/m³ de agua removida; las de vapor, 0.30–0.40 t de vapor/m³.
- La aleación sigue al cloruro y a la temperatura de ebullición: dúplex 2205, superdúplex 2507 o titanio.
- La incrustación de sulfato de calcio y la solubilidad de la sílice —no la capacidad de sal— suelen limitar la concentración.
- Verifique el rango de regulación contra las variaciones de caudal aguas arriba antes de comprometer una máquina MVR.
Qué es y dónde se ubica en ZLD
Es un evaporador de simple efecto que retira agua de una corriente salina hasta que los sólidos disueltos se acercan al límite de saturación, descargando salmuera concentrada a un cristalizador aguas abajo y un destilado de calidad casi desionizada de vuelta a la planta. En un flujograma ZLD es el mayor consumidor individual de energía, y por eso su selección es una decisión de sistema. Tres definiciones anclan el resto: la tasa de remoción de agua es la masa evaporada por unidad de tiempo y es la base real de dimensionamiento —25 m³/h de rechazo de RO a 30,000 mg/L es una carga mucho menor que 25 m³/h de concentrado a 80,000 mg/L—; la elevación del punto de ebullición (BPE) es la diferencia entre la salmuera hirviendo y el agua pura a la misma presión, y llega típicamente a 1.5–3 K a 180,000 mg/L de sales mixtas de sodio; y el factor de concentración es el cociente TDS de alimentación a TDS de concentrado, fijado por el balance hídrico y por los límites de solubilidad de la especie menos soluble, no por el volumen del recipiente.
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La posición importa: aguas arriba recibe rechazo de RO, residuo de regeneración de intercambio iónico o salmuera minada tras pretratamiento, con 30,000–200,000 mg/L; aguas abajo alimenta un cristalizador —a menudo de circulación forzada— que lleva el licor el último tramo hasta saturación y produce sólido. Dividir así la carga mantiene cada máquina en su punto eficiente; llevar un solo recipiente de 45,000 mg/L hasta una pulpa sólida desperdicia energía e invita a la incrustación.
Cómo dimensionar desde el balance hídrico
El dimensionamiento es un balance de masa de sal seguido de una división: la sal no se evapora, se queda en el licor, así que la sal que entra iguala a la que sale en el concentrado y todo lo demás sale como vapor.
- Sal que entra = 25 m³/h × 45 kg/m³ = 1,125 kg/h
- Caudal de concentrado = 1,125 ÷ 180 kg/m³ = 6.25 m³/h (base volumétrica de TDS)
- Remoción de agua = 25 − 6.25 = 18.75 m³/h (unos 18.8 t/h de vapor)
- Factor de concentración = 180,000 ÷ 45,000 = 4.0×
Dos correcciones honestas: los 6.25 m³/h se calculan en base de volumen constante, pero la salmuera caliente a 180 g/L tiene densidad de 1.10–1.15 t/m³, así que el caudal real es más bien 5.5–5.7 m³/h; y cualquier gota arrastrada al destilado devuelve sal al lado equivocado del balance, por lo que el desempeño del separador de niebla es un punto de garantía. Ambas se resuelven con ensayos piloto sobre el licor real.
| Parámetro | Unidad | Rango típico | Ejemplo resuelto |
|---|---|---|---|
| Caudal de alimentación | m³/h | 5–200 | 25 |
| TDS de alimentación | mg/L | 30,000–200,000 | 45,000 |
| TDS de concentrado | mg/L | 150,000–250,000 | 180,000 |
| Tasa de remoción de agua | m³/h | 0.8× la alimentación en corrientes diluidas; baja al subir TDS | 18.75 |
| Factor de concentración | × | 2–6 | 4.0 |
| Caudal de concentrado | m³/h | resultado del balance | 6.25 |
La remoción de agua aparece en todo cálculo posterior: dimensiona el compresor de vapor o el suministro de vapor, el condensador y la carga de enfriamiento. También explica por qué el TDS de alimentación domina el costo por metro cúbico, y por qué cotizar por m³ de alimentación en vez de por m³ de agua removida es la fuente más común de comparaciones confusas entre proveedores.
MVR o vapor vivo
| Suministro de calor | Energía por m³ removido | Servicio requerido | Mejor encaje |
|---|---|---|---|
| MVR (accionamiento eléctrico) | 18–30 kWh/m³ | Electricidad, 0.4–1.0 kV | Red eléctrica disponible; vapor caro |
| Vapor (simple/múltiple efecto) | 0.30–0.40 t vapor/m³ | Vapor, típicamente 3–10 bar(g) | Vapor residual barato; tarifa eléctrica baja |
| Híbrido (termocompresión) | intermedio | Vapor + electricidad | Excedente de vapor a carga variable |
La recompresión mecánica de vapor comprime el vapor generado con un pequeño salto de presión —típicamente 20–60 kPa, fijado por la elevación del punto de ebullición y por la diferencia de temperatura necesaria en la superficie de intercambio— para condensarlo en el lado caliente y reutilizar su calor latente. Una unidad que remueve 18.75 m³/h a 22 kWh/m³ consume unos 410 kW eléctricos. Tres reglas deciden a nivel de sistema: con red estable y vapor caro —la mayoría de los retrofits ZLD— gana MVR; donde ya se produce vapor de baja presión parcialmente desperdiciado —fundiciones, sitios con caldera excedente— una unidad de vapor convierte un servicio existente en remoción de agua sin añadir infraestructura eléctrica; y la energía siempre debe compararse por m³ de agua removida, al TDS de diseño y con la BPE medida en el licor real.
En dos frases: para un retrofit con red fiable y sin vapor excedente se prefiere el concentrador MVR, porque 18–30 kWh/m³ eléctricos son un portador más barato que 0.30–0.40 t de vapor comprado por metro cúbico en la mayoría de las tarifas; y para una fundición o cogeneración con vapor de baja presión excedente se prefiere la unidad de vapor, porque ese servicio ya está pagado y desaparece la carga de mantenimiento del compresor.
Materiales para salmuera caliente concentrada
| Zona / condición | Aleación típica | Envolvente de cloruro y temperatura (indicativa) | Norma |
|---|---|---|---|
| Cuerpo, servicio moderado | Dúplex 2205 (UNS S32205) | Hasta ~50,000–70,000 mg/L Cl⁻ a ≤110 °C | ASTM A240 |
| Cuerpo, servicio severo | Superdúplex 2507 (UNS S32750) | Hasta ~100,000–150,000 mg/L Cl⁻ a ≤120 °C, PREN mayor | ASTM A240 |
| Tubos de intercambio, lo más agresivo | Titanio Gr 2 | Cloruros y temperaturas máximos; inmune al picado por cloruro | ASTM B265/B338 |
| Internos, separadores, bombas | Superdúplex 2507 o titanio | Según la peor condición local | según código |
El número equivalente de resistencia al picado (PREN) ordena estas aleaciones: 2205 ronda 34–35, 2507 ronda 40–42, y el titanio queda fuera del ranking porque no pica en medios clorurados a estas temperaturas. El cuerpo en 2205 es el valor por defecto económico para rechazos de RO; 2507 justifica su prima al subir TDS y temperatura; el tubo de titanio es la respuesta estándar en las zonas más calientes y concentradas. Las partes a presión se diseñan a ASME BPVC Sección VIII División 1 o al código local. Y una nota práctica: especifique la aleación por zona mojada, no por recipiente; la cabeza de vapor y el separador ven la salmuera más caliente y concentrada, mientras la entrada de alimentación y el destilado ven condiciones mucho más suaves.
Incrustación y rango de regulación
| Especie incrustante | Comportamiento de solubilidad (indicativo) | Control en el concentrador |
|---|---|---|
| Sulfato de calcio (yeso) | Solubilidad retrógrada —menos soluble en caliente—; riesgo sobre ~2,000–2,500 mg/L equivalentes en el concentrado | Antincrustante, siembra de cristales de yeso, limitar el factor de concentración |
| Sílice (SiO₂) | Solubilidad amorfa ~100–150 mg/L al pH de operación, poco dependiente de la temperatura; polimeriza al sobresaturarse | Pretratamiento, purga controlada, evitar sobresaturación local en paredes calientes |
| Sulfato de sodio (Na₂SO₄) | Cristaliza como mirabilita bajo ~32 °C; permanece en solución en caliente y luego se libera en el cristalizador | Mantener el lado caliente sobre la transición; dejar que el cristalizador lo maneje con siembra |
La incrustación de yeso es el modo de falla clásico: unos milímetros de capa pueden recortar un tercio la transferencia de calor y obligar a operar con menor remoción hasta la limpieza química. La caja de herramientas —antincrustantes fosfonados, siembra de yeso para mantener el licor en saturación y no en sobresaturación, y purga deliberada— está en nuestra guía de control de incrustación en evaporadores. La sílice es menos indulgente aún, porque la polimerizada no se redisuelve: si la sílice de alimentación supera ~60–80 mg/L, planifique una etapa de remoción aguas arriba en lugar de esperar a atravesarla.
El rango de regulación es la relación entre el caudal de diseño y el mínimo estable, y en ZLD lo fija el balance aguas arriba: las minas, las ampliaciones y los trenes de RO estacionales oscilan. Las máquinas MVR bajan típicamente a 50–60% del caudal de diseño en continuo, limitadas por el bombeo del compresor y por el área fija de intercambio; por debajo, la respuesta es recirculación en espera caliente o máquinas por etapas. Las unidades de vapor toleran algo más porque la válvula modula sin línea de bombeo, pero la estabilidad de ebullición y el separador imponen un piso de ~40–50%. Dos respuestas de diseño: dos trenes pequeños para flexibilidad, o una máquina con rodete amplio y garantía verificada contra el histograma mensual de caudales, no contra el promedio anual. La segunda es más barata si el histograma es angosto; la primera es la única respuesta si es bimodal.
Secuencia de selección y costo por m³
- Cierre el balance hídrico del sitio. Tabule cada corriente de salmuera, su caudal y TDS, y la variación mensual.
- Fije la concentración objetivo por la química de incrustación, no por ambición. Modele saturaciones (yeso, sílice, sales de sodio) sobre el licor real.
- Calcule la remoción de agua. Sal entrante dividida por TDS objetivo da el caudal de concentrado; la diferencia con la alimentación es la carga de vapor; corrija por densidad.
- Elija el suministro de calor. Compare MVR a 18–30 kWh/m³ con vapor a 0.30–0.40 t/m³ con las tarifas del sitio y verifique la infraestructura eléctrica.
- Seleccione materiales por zona mojada con cloruro y temperatura de ebullición.
- Verifique el rango de regulación contra el histograma de caudales.
- Confirme con ensayos antes de la garantía: BPE, densidad, tendencia a espumar y velocidad de incrustación son específicos del licor.
Sobre costos de operación, con base explícita: para MVR a 22 kWh/m³ y electricidad a 0.08–0.12 USD/kWh, la energía cuesta aproximadamente 1.8–2.6 USD por m³ de agua removida; para una unidad de vapor a 0.35 t/m³ con vapor a 15–25 USD/t, el equivalente es 5.3–8.8 USD/m³. Con tarifas típicas, MVR cuesta cerca de un tercio por metro cúbico, lo que explica su dominio en proyectos ZLD nuevos conectados a red, mientras las unidades de vapor ganan exactamente donde el vapor es un subproducto real. Mantenimiento, antincrustante y mano de obra añaden otros 0.3–0.8 USD/m³.
Caso anonimizado e indicativo: un sitio de procesamiento de metales envió rechazo mixto de RO y residuo de regeneración —25 m³/h a 45,000 mg/L— a un tren ZLD nuevo. La configuración elegida fue un solo concentrador MVR en superdúplex 2507 concentrando a 180,000 mg/L, alimentando un cristalizador de circulación forzada: remoción de 18.75 m³/h, compresor cerca de 410 kW a 22 kWh/m³, destilado de retorno al pretratamiento de RO bajo 50 mg/L de TDS y recuperación global superior a 95% de la corriente de salmuera. El margen de saturación de yeso fijó el factor en 4.0× en lugar del 4.5× solicitado inicialmente: el balance hídrico y la química de incrustación deben coincidir antes de emitir la orden de compra.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el consumo energético típico por metro cúbico removido?
Las unidades MVR corren típicamente a 18–30 kWh por m³ de agua removida, con el extremo alto en alimentaciones de TDS elevado donde la elevación del punto de ebullición consume capacidad del compresor. Las de vapor necesitan 0.30–0.40 t de vapor por m³. Ambos son rangos indicativos al TDS de diseño; los valores reales dependen de la BPE del licor y de la diferencia de temperatura seleccionada.
¿Cuánto rango de regulación hay que especificar?
Ajuste la máquina al histograma de caudales aguas arriba, no al promedio anual. Las MVR bajan típicamente a 50–60% del diseño en continuo y las de vapor algo más. Si el histograma es bimodal —temporada húmeda y seca, operación por campañas— dos trenes pequeños suelen superar a una máquina grande, porque hacer trabajar un compresor grande muy por debajo del diseño invita a bombeo y a un mal desempeño del separador.