Un intercambiador de presión transfiere energía de presión de una corriente de fluido de alta presión a una corriente de fluido de baja presión. Muchos procesos industriales funcionan a presiones elevadas y tienen corrientes de desechos de alta presión. Una forma de proporcionar un fluido de alta presión a un proceso de este tipo es transferir la presión de los desechos a una corriente de baja presión mediante un intercambiador de presión.
Un tipo de intercambiador de presión particularmente eficiente es el intercambiador de presión rotatorio. Este dispositivo utiliza un rotor cilíndrico con conductos longitudinales paralelos a su eje de rotación. El rotor gira dentro de un manguito entre dos tapas de extremo. La energía de presión se transfiere directamente de la corriente de alta presión a la corriente de baja presión en los conductos del rotor. Parte del fluido que permanece en los conductos actúa como una barrera que inhibe la mezcla entre las corrientes. Esta acción rotatoria es similar a la de una ametralladora antigua que dispara balas de alta presión y se rellena continuamente con nuevos cartuchos de fluido . Los conductos del rotor se cargan y descargan a medida que se repite el proceso de transferencia de presión.
El rendimiento de un intercambiador de presión se mide por la eficiencia del proceso de transferencia de energía y por el grado de mezcla entre las corrientes. La energía de las corrientes es el producto de sus volúmenes de flujo y presiones. La eficiencia es una función de los diferenciales de presión y las pérdidas volumétricas (fugas) a través del dispositivo calculadas con la siguiente ecuación:
donde Q es el caudal, P es la presión, L es el caudal de fuga, HDP es el diferencial de alta presión, LDP es el diferencial de baja presión, el subíndice B se refiere a la alimentación de baja presión al dispositivo y el subíndice G se refiere a la alimentación de alta presión al dispositivo. La mezcla es una función de las concentraciones de las especies en las corrientes de entrada y la relación de los volúmenes de caudal con el dispositivo.
Una aplicación en la que se utilizan ampliamente los intercambiadores de presión es la ósmosis inversa (OI). En un sistema de OI, los intercambiadores de presión se utilizan como dispositivos de recuperación de energía (ERD). Como se ilustra, el concentrado de alta presión de las membranas [C] se dirige [3] al ERD [D]. El ERD utiliza esta corriente de concentrado de alta presión para presurizar la corriente de agua de mar de baja presión (la corriente [1] se convierte en la corriente [4]), que luego fusiona (con la ayuda de una bomba de circulación [B]) en la corriente de agua de mar de mayor presión creada por la bomba de alta presión [A]. Esta corriente combinada alimenta las membranas [C]. El concentrado sale del ERD a baja presión [5], expulsado por el flujo de agua de alimentación entrante [1].
Los intercambiadores de presión ahorran energía en estos sistemas al reducir la carga en la bomba de alta presión . En un sistema de ósmosis inversa de agua de mar que funciona a una tasa de recuperación de agua de membrana del 40 %, el intercambiador de calor de membrana suministra el 60 % del caudal de alimentación de la membrana. La energía la consume la bomba de circulación, sin embargo, como esta bomba simplemente circula y no presuriza el agua, su consumo de energía es casi insignificante: menos del 3 % de la energía consumida por la bomba de alta presión. Por lo tanto, casi el 60 % del caudal de alimentación de la membrana se presuriza con casi ningún aporte de energía.
Las plantas de desalinización de agua de mar producen agua potable desde hace muchos años. Sin embargo, hasta hace poco, la desalinización se había utilizado sólo en circunstancias especiales debido al alto consumo de energía del proceso. [ cita requerida ]
Los primeros diseños de plantas de desalinización utilizaban diversas tecnologías de evaporación. Las más avanzadas son las desalinizadoras de agua de mar por evaporación mediante destilación flash multietapa , que utilizan múltiples etapas y tienen un consumo de energía de más de 9 kWh por metro cúbico de agua potable producida. Por este motivo, las grandes desalinizadoras de agua de mar se construyeron inicialmente en lugares con bajos costes energéticos, como Oriente Medio, o junto a plantas de proceso con calor residual disponible.
En la década de 1970 se desarrolló el proceso de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO), que convertía el agua de mar en agua potable al hacerla pasar a alta presión a través de una membrana hermética, filtrando así las sales y las impurezas. Estas sales e impurezas se descargan del dispositivo SWRO como una solución de salmuera concentrada en una corriente continua, que contiene una gran cantidad de energía a alta presión. La mayor parte de esta energía se puede recuperar con un dispositivo adecuado. Muchas de las primeras plantas SWRO construidas en la década de 1970 y principios de la de 1980 tenían un consumo de energía de más de 6,0 kWh por metro cúbico de agua potable producida, debido al bajo rendimiento de la membrana, las limitaciones de la caída de presión y la ausencia de dispositivos de recuperación de energía.
Un ejemplo de aplicación de un motor de intercambio de presión es la producción de agua potable mediante el proceso de membrana de ósmosis inversa. En este proceso, se bombea una solución salina de alimentación a un conjunto de membranas a alta presión. A continuación, el conjunto de membranas divide la solución salina de entrada en una solución supersalina (salmuera) a alta presión y agua potable a baja presión. Aunque la salmuera a alta presión ya no es útil en este proceso como fluido, la energía de presión que contiene tiene un gran valor. Se emplea un motor de intercambio de presión para recuperar la energía de presión de la salmuera y transferirla a la solución salina de alimentación. Después de la transferencia de la energía de presión en el flujo de salmuera, la salmuera se expulsa a baja presión para drenar.
Casi todas las plantas de ósmosis inversa que se utilizan para la desalinización de agua de mar con el fin de producir agua potable a escala industrial están equipadas con un sistema de recuperación de energía basado en turbinas. Estas se activan con el concentrado (salmuera) que sale de la planta y transfieren la energía contenida en la alta presión de este concentrado, generalmente de forma mecánica, a la bomba de alta presión. En el intercambiador de presión, la energía contenida en la salmuera se transfiere hidráulicamente [1] [2] y con una eficiencia de aproximadamente el 98% a la alimentación. [3] Esto reduce significativamente la demanda energética para el proceso de desalinización y, por lo tanto, los costos operativos. De esto resulta una recuperación económica de energía, con tiempos de amortización para tales sistemas que varían entre 2 y 4 años dependiendo del lugar de operación.
La reducción de los costes de energía y de capital significa que, por primera vez, es posible producir agua potable a partir de agua de mar a un coste inferior a un dólar por metro cúbico en muchos lugares del mundo. Aunque el coste puede ser un poco más elevado en las islas con costes de energía elevados, la PE tiene el potencial de ampliar rápidamente el mercado de la desalinización de agua de mar.
Mediante la aplicación de un sistema de intercambio de presión, que ya se utiliza en otros campos, se puede conseguir una eficiencia considerablemente mayor en la recuperación de energía de los sistemas de ósmosis inversa que con el uso de bombas o turbinas de funcionamiento inverso. El sistema de intercambio de presión es adecuado, sobre todo, para plantas de mayor tamaño, es decir, con una producción de permeado de aproximadamente ≥ 2000 m3/d.
