Diseño de un equipo de electrodiálisis inversa para su aplicación en esquemas híbridos de desalinización de agua de mar.

Abstract

En esta tesis se presenta un estudio del diseño de un equipo de Electrodiálisis Inversa (RED) para la recuperación de energía de la salmuera resultante de la desalinización de agua de mar. Para ello, se discuten modelos termodinámicos usados en el cálculo teórico de la energía disponible en un gradiente salino, y se plantea un modelo multiescala que considera fenómenos propios de una celda y de la interacción entre varias celdas, como corrientes parásitas y caídas de presión, lo cual es un acople novedoso en el modelamiento de RED. El modelo se apoya en dinámica de fluidos computacional para la estimación de caídas de presión en ramificaciones y combinaciones de flujo. Se encontró que los cálculos termodinámicos se pueden hacer más rigurosos estimando adecuadamente las moles del solvente y los coeficientes de actividad; por otro lado, la comparación del modelo multiescala con diferentes experimentaciones reportadas en la literatura indica que el modelo predice satisfactoriamente la potencia bruta, pero subestima las pérdidas por bombeo y, por ende, las potencia neta. Se recomienda mayor estudio en la estimación de las caídas de presión en RED. Tanto el modelo termodinámico como el multiescala se usaron en un estudio paramétrico de 18 combinaciones para un equipo operando a condiciones típicas de RED con soluciones de 171 y 1000 mol.m-3 (salmuera de desalinización). Los resultados sugieren que un equipo de 500 celdas con 7 ductos (de cada solución) de 6.35x10-3 m de diámetro y con espaciadores de 330x10-6 m de espesor, entregan mayor densidad de potencia neta que equipos con combinaciones de diámetros mayores o empaques más delgados. Los resultados de este estudio paramétrico deben ser validados experimentalmente. (Texto tomado de la fuente)

This thesis addresses the design of a Reverse Electrodialysis stack for its application in the recovery of energy from the brine resulting in seawater desalination. Thermodynamic models for the theoretical calculations of the available energy in a Salinity gradient are discussed, also, a multi-scale model considering unitary cell and overall stack phenomena, such as parasitic currents and pressure drop, is proposed. The coupling of these three approaches: unitary cell, parasitic currents, and pressure drop in the same model is a novelty in the RED field. The model uses computational fluid dynamics for the estimation of pressure drops associated to flow branching and combination. It was found that thermodynamics calculation might be more accurate by the proper estimation of the solvent moles and the activity coefficients; on the other hand, the comparison of the multi-scale model with some experimentation reported on literature depicts that the model predicts gross power correctly, however pressure drops are underestimated, consequently, the net power is overestimated. Deeper research in RED pressure drops is recommended. Both, the thermodynamic and multi-scale models were used in a parametric study of 18 different configurations for a RED stack operating at typical conditions with NaCl solutions of 171 and 1000 mol.m-3 (desalination brine). The results suggest that a higher net power density can be achieved with a stack with 500 cells, 7 ducts (of each type of solution) with 6.35x10-3 m diameter, and spacers with 330x10-6 m thickness, than with stacks with higher diameters and thinner spacers. The results of this parametric study still must be validated experimentally.