Mejoramiento Pre-tratamiento Planta Desaladora Norte
Victor Gutierrez Aqueveque (Aguas de Antofagasta, Chile)
Leo Tua Parra (Piedmont Pacific, Estados Unidos)
Carlos Jorquera González (Fundamentales, Chile)
Situación
Los filtros de cartucho en plantas desaladoras de agua de mar son categorizados, normalmente, como elementos de seguridad, orientados a prevenir desperfectos en la etapa de osmosis inversa, pero no como elementos de pre-tratamiento activos encargados de la remoción de sólidos en suspensión. Sin embargo, los filtros de cartucho son una alternativa económica, simple y de fácil operación que permite alcanzar altos niveles de eficiencia en el pre-tratamiento del agua cruda, por lo que su utilización como elementos activos de pre-tratamiento puede ser una opción a considerar en instalaciones que estén sujetas a restricciones que impidan la implementación de mecanismos complejos de filtración.
La Planta Desaladora Norte de Aguas de Antofagasta, ubicada en Antofagasta (Chile), es la mayor instalación de desalinización de agua de mar por osmosis inversa para consumo humano en Latinoamérica. Con una capacidad nominal de 1.056 L/s (91.238 m3/día), abastece los requerimientos de agua potable de la ciudad de Antofagasta y Mejillones (en un 85% y un 100%, respectivamente), permitiendo el suministro de agua dulce de forma continua en el desierto más árido del mundo.
El diseño de la Planta Desaladora Norte consideró un pre-tratamiento de tipo convencional, compuesto por una (1) etapa de filtración rápida multimedia (utilizando una configuración estándar de antracita y arena de filtración) acompañado de una batería de filtración de seguridad por medio de filtros cartucho de capacidad de corte nominal de 5 µm. Aun cuando esta configuración estándar es efectiva y con altos niveles de confiabilidad, la realidad del sitio de emplazamiento de esta instalación hacía que el sistema de pre-tratamiento no alcanzara la eficiencia deseada en la remoción de los sólidos en suspensión (TSS) presentes de forma normal en el agua cruda, cuya distribución de partículas muestra que el 85% de los TSS del agua captada son inferiores a 5 µm (ver Ilustración 1). Esto tenía un efecto importante en la frecuencia de limpiezas químicas (CIP) que se debían ejecutar para controlar el ensuciamiento de las membranas de osmosis inversa.
El proyecto de mejoramiento del pre-tratamiento de la Planta Desaladora Norte, cuya experiencia de su primera etapa se expone en este caso de estudio, muestra los resultados de una iniciativa que, en la persecución de un objetivo específico (mejorar la eficiencia del sistema de pre-tratamiento), logró también generar otros efectos positivos en la explotación de la instalación, principalmente en los costos por concepto de recambio de elementos filtrantes.
Concepción del proyecto
Si bien la Planta Desaladora Norte (PDN) se encuentra emplazada en una zona favorable, alejada de las rutas de tránsito de barcos y lejos de puertos u otro tipo de industrias que utilice agua de mar para su producción, la riqueza biológica del agua de las costas chilenas hace que el agua cruda captada contenga una alta concentración de partículas orgánicas de pequeños tamaños, lo cual trae consigo efectos en la frecuencia requerida de lavados químicos de membranas (Clean In Place, CIP), que en el caso de la PDN ascienden a una limpieza cada 2 meses. Esta intermitencia en la producción y los efectos negativos del ensuciamiento tienen dos consecuencias sobre la instalación: variabilidad en la producción y altos costos de operación por la reposición de membranas.
La Ilustración 1 muestra la distribución de partículas del agua cruda de PDN, donde se aprecia que el 85% de las partículas es menor al diámetro de corte máximo nominal del sistema de filtración por cartuchos del pre-tratamiento existente, característica que motivó el desarrollo de un proyecto que permitiera mejorar la remoción de TSS y, así, mejorar la calidad del agua alimentada a los bastidores de osmosis inversa.
Ilustración 1: Distribución de partículas PDN (Fuente: Aguas de Antofagasta, 2019)
Este proyecto estaba sujeto a diferentes restricciones, entre las cuales destacan:
- Espacio: Al ser una instalación existente, cualquier tipo de intervención debía considerar el espacio real disponible, respetando el área necesaria para continuar con la operación de la planta mientras se desarrollaba este proyecto de mejora.
- Procesos: Como la PDN fue diseñada con ciertos criterios de ingeniería, la solución a implementar debía adecuarse lo más posible a los elementos disponibles en la instalación. Dentro de las restricciones de procesos están: presión disponible, caudal máximo disponible, diámetros de tuberías existentes, potencia eléctrica disponible, tamaño de canalizaciones eléctricas, etc.
- Normativas: La solución propuesta debía enmarcarse en las autorizaciones legales con las que contaba la instalación en esa fecha. Dentro de las más relevantes era la imposibilidad del uso de coagulante como químico en el pre-tratamiento.
- Operación: La PDN cumple un rol fundamental en el suministro de agua potable en la región de Antofagasta, por lo que su detención parcial o total no puede ser por tiempos prolongados (inferiores a 12 horas). La solución que se planteara debía considerar que, durante el proceso de construcción, comisionamiento y puesta en marcha, el resto de la PDN (o gran parte de ella) debía mantenerse en funcionamiento normal.
La solución planteada fue la de reforzar y mejorar el sistema de pre-tratamiento existente mediante la reducción del diámetro de corte de los filtros de cartucho, idea que cubría a cabalidad las restricciones del proyecto y que permitía, además, hacer una transición paulatina manteniendo el 100% de la instalación en funcionamiento durante todo el proceso de implementación.
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| Ilustración 2: Retiro de carcasas antiguas (Cortesía de Leo Tua Parra, Piedmont Pacific) | Ilustración 3: Carcasas Nuevas (Cortesía de Leo Tua Parra, Piedmont Pacific | Ilustración 4: Instalación de nuevas carcasas, planta en funcionamiento el 100% del tiempo (Cortesía de Leo Tua Parra, Piedmont Pacific) |
El desafío que tenía la reducción del diámetro de corte era el aumento de la velocidad de saturación de los cartuchos, pudiendo llegar hasta niveles impracticables para la operación de la planta. Este obstáculo debía ser superado con el aumento del área de filtración (utilizando más elementos por filtro), cambio que era altamente riesgoso de implementar en las carcasas existentes. El diseño de una nueva carcasa, debía cumplir con: ocupar el mismo espacio físico que las carcasas antiguas para facilitar su reemplazo sin detener la instalación; resolver problemas estructurales de las carcasas existentes (derivados de la corrosión y la incompatibilidad de materiales); y contar con un mecanismo que permitiera su modificación para reducir la cantidad de cartuchos a utilizar o cambiar el tipo de tecnología (pasando de filtros tradicionales a filtros de alto caudal).
El desarrollo de las nuevas carcasas fue asumido por la empresa Piedmont Pacific, especialista mundial en filtración y tratamiento de agua. El diseño de los equipos se hizo a medida en cada caso y la labor de ingeniería desarrollada permitió que todas las restricciones del proyecto se cumplieran a cabalidad.
La instalación de las nuevas carcasas se hizo durante el último trimestre de 2020 y fue liderado por personal técnico especialista del cliente, Aguas de Antofagasta, en conjunto con contratistas locales de montaje de la ciudad de Antofagasta.
Ejecución y Resultados
Dadas las características estacionales de la instalación y tomando en consideración que los cambios esperados son lentos de evidenciar en parámetros de campo, es que se ha hecho un análisis por trimestre en cada periodo, antes y después de la instalación de las nuevas carcasas. El análisis de recambio de cartuchos se ha hecho entre los años 2019 y 2021.
1. Recambio de filtros.
El cambio de carcasas comenzó a tener impactos en el sistema a partir de enero de 2021. La reducción de este trimestre es de 28% respecto de lo proyectado, lo cual, respetando la estacionalidad de la instalación, representa una reducción en el uso de 4.760 cartuchos al año.
Adicional a este efecto, se observa una disminución de la frecuencia de cambio de filtros de cartucho, pasando de una media de 15 días a un promedio de 60 días. Esto le da disponibilidad al personal operativo para atender labores internas que aportan a disminuir fallas y mejorar la calidad operativa.
2. Ensuciamiento de membranas (estabilidad de producción)
Se compararon las cantidades de limpiezas químicas y la estabilidad de la producción entre 2020 y 2021, poniendo énfasis en el primer trimestre de ambos años.
Desde el punto de vista de la cantidad de limpiezas químicas, se visualiza una reducción significativa del 37,5% en la cantidad de limpiezas ejecutadas en este periodo de 2021.
Desde el punto de vista de la estabilidad de la producción, se utilizó como parámetro el Coeficiente de Variación con el objetivo de representar qué tan dispersa está la información de producción, es decir, qué tanta variabilidad tuvo el proceso en ambos periodos de análisis. Aquí también los resultados son positivos, pasando de tener una dispersión del 2,65% en 2020 a tener 1,87% en 2021, una reducción del 29,71% en la variabilidad de la producción.
Si bien estos impactos no se pueden atribuir en un 100% al cambio de carcasas de filtros de cartucho, sí está claro que es una combinación de factores donde este proyecto tiene un rol fundamental.
La reducción de diámetros de corte, actividad todavía pendiente de implementación en la Planta Desaladora Norte, debería potenciar aún más los resultados visualizados, poniendo un énfasis en la estabilidad de la producción y la reducción de necesidad de limpiezas químicas.
Propuesta de valor
El Caso de Éxito del proyecto de Mejoramiento del proceso de Pre-tratamiento en la Planta Desaladora Norte de Aguas de Antofagasta, en su primera fase, refleja la propuesta de valor de Fundamentales. Fundamentales se enfoca en la oferta de soluciones prácticas, que optimicen el uso de los recursos existentes, reduciendo así la inversión en activos fijos y dándole continuidad a la operación de las instalaciones.
Nuestro objetivo es poner al servicio de nuestros clientes el conocimiento técnico que nos caracteriza para que puedan transformar sus oportunidades en mejoras concretas en la explotación de sus inversiones y, de esta manera, crear las bases para la optimización continua de sus procesos productivos.
Fundamentales
21 de septiembre de 2021.
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