EL BOMBEO DEL HIDROCARBURO RECUPERADO

Para buscar una solución al problema de la enorme cantidad de agua recuperada junto a los hidrocarburos necesitamos saber cómo éstos son bombeados desde los skimmers, pues su conocimiento nos ayudará a encontrar la mejor manera para integrar los métodos de separación industriales presentados en la entrada anterior.

Una vez recuperado el hidrocarburo derramado con los diferentes tipos de skimmer existentes necesitamos bombearlo hasta los tanques de almacenamiento temporal.

En ocasiones el lugar de trabajo del skimmer y la ubicación del operador aconsejan el uso de una bomba de aspiración o por el contrario de una bomba de impulsión.

Cuando el acceso a la zona del derrame es complicado puede resultar más interesante el uso de skimmers ligeros trabajando junto a una bomba autoaspirante situada en las cercanías de éstos pero ubicada en tierra o en la cubierta de la embarcación de limpieza. Esta configuración tiene una limitación importante, la altura de aspiración máxima de las bombas. Una bomba autoaspirante nunca podrá salvar un desnivel superior a los 9,8 metros, altura que se ve reducida conforme aumenta la viscosidad del producto a bombear.

Para evitar este hándicap los skimmers pueden ir equipados con bombas de trasiego que desde el propio skimmer bombeen el fluido recuperado. De esta manera la limitación de la altura se convierte en un problema menor. Surge sin embargo un problema logístico, para desplazar y elevar estos skimmers es necesario usar grúas.

Entre el primer tipo de bombas, las más utilizadas son las bombas de lóbulos, bombas peristálticas y las bombas de membrana. Todas ellas son bombas autoaspirantes de desplazamiento positivo capaces de trabajar con fluidos de elevadas viscosidades incluso en presencia de sólidos. Las diferencias entre ellas se centran en el mantenimiento necesario, diámetro de los sólidos, capacidad de trabajar en seco y el precio. En cualquier caso, son bombas voluminosas y pesadas, características que dificultan, aunque no impiden, su uso como bomba de trasiego en los skimmers.

Habitualmente los skimmers equipados con bomba de impulsión utilizan los siguientes tipos:

• Bombas de lóbulos: su elevado peso no las convierte en la mejor solución

• Bombas centrífugas axiales de rodete abierto: emulsionan la mezcla agua-hidrocarburo y trabajan especialmente mal con hidrocarburos viscosos.

• Bombas de tornillo de Arquímedes con disco de sellado: las más utilizadas y que mejores prestaciones ofrecen para su uso con mezcla agua-hidrocarburo e hidrocarburos viscosos.

MÉTODOS INDUSTRIALES DE SEPARACIÓN

En esta entrada presentaremos los diferentes métodos de separación de agua y aceite y analizaremos su posible uso para mejorar la eficiencia de los skimmers y los grupos de bombeo.

Separación por gravedad: Es el método de separación más antiguo y extendido. Suele ser un primer paso en el tratamiento de aguas aceitosas. Gobernado por la ley de Stoke se basa en la diferente densidad de los fluidos inmiscibles. Cuanto más diferentes son las densidades mejor separa. Para lograr un eficiencia media se necesitan largos tiempos de residencia y gotas de aceite grandes. No obstante, para acelerar el proceso se puede hacer uso de la coalescencia. La eficiencia de la separación oscila entre el 20% y el 60%. Tipos:

•       Separadores API
•       Separadores circulares
•       Separadores de placas (paralelas y corrugadas)
•       Separadores de placas curvas

Separación rotacional: Fue concebida para acelerar el proceso de separación por gravedad, ya que la fuerza centrífuga es muy superior a la fuerza de la gravedad. Una diferencia de un 5% entre las densidades es suficiente para separar los fluidos, pero cuanto mayor es esta diferencia más rápida y con menor consumo energético es la separación. La eficiencia de separación oscila entre el 77% y el 91%. Con el uso de la coalescencia estos valores pueden aumentar. Tipos:

• Centrifugadoras: Se transmite un movimiento giratorio al fluido contenido en un depósito rotatorio.
• Ciclones: Se inyecta a presión el fluido tangencialmente en el ciclón forzando de esta manera el movimiento giratorio.
• Ciclones axiales: Por medio de una hélice estática o dinámica el fluido adopta una trayectoria helicoidal a lo largo del tubo que provoca la separación de los fluidos.

Filtración: Es uno de los métodos más antiguos que se utilizan. Es muy eficaz para la eliminación materia en suspensión especialmente hidrocarburos

• Multicapa/media: consiste en hacer pasar el agua contaminada a través de un conjunto de capas de diferentes materiales sólidos de diferente tamaño y densidad. Su mayor ventaja es la menor pérdida de carga para caudales importantes a tratar sin disminuir la calidad del efluente.
• Filtros de adsorción absorción: El carbón activo y en los últimos años el grafeno han demostrado una gran capacidad de adsorción. La saturación de los cartuchos y su regeneración son los principales problemas que están afrontando los investigadores en la actualidad para vencer la barrera de la factibilidad. Eficiencia entre 95 y 100%

Membrana: En las últimas décadas se han desarrollado membranas de materiales hidrorepelentes e hidrófilos. La membrana para ser efectiva tiene que ser elegida en función de las características de la sustancia a separar y encuentra dificultades con aceites o hidrocarburos viscosos. Es todavía una tecnología muy cara y se justifica como última etapa de filtración para eliminar las últimas trazas de hidrocarburo del agua.

Electrodialisis: La separación tiene lugar gracias a la aplicación de una corriente eléctrica. Ha encontrado mayor aplicación en el sector de las desaladoras.

Osmosis inversa: Aplicando una gran presión a la sustancia a tratar el aceite y el agua se separan en la superficie de la membrana ya que las primeras tienen una dimensión molecular superior a la del agua que puede atravesar la membrana.

Ultrafiltración: Similar a la osmosis inversa trabaja a presiones muy inferiores.

Coalescencia: Se utiliza para agrupar hidrocarburos dispersos en solución acuosa. Generalmente ayuda a acelerar los procesos de separación anteriormente citados (gravitacional, rotacional, filtración). En algunos casos se puede llegar a valores de eficiencia del 90-98%

Otros:

•         Separación electromagnética
•         Separación térmica
•         Separación por ultrasonidos
•         Separación cromática

Para lograr una casi perfecta separación se necesitan la sucesión de diferentes métodos utilizados en cascada con la adecuada combinación para responder a las necesidades de cada caso.

Osmosis inversa, ultrafiltración y adsorción mediante carbón activo o grafeno son los métodos de mayor potencial pero conllevan elevados costes de operación, energéticos fundamentalmente) y equipos auxiliares. Por su parte la separación por gravedad necesita volúmenes de trabajo importantes y tiempos largos por lo que no deja de ser utilizado como un pretratamiento. Mientras que los filtros, a causa de su facilidad para saturarse y su elevado coste en ciertos casos, son adecuados para una última etapa de separación en la que alcanzar así el 100% de eficiencia.

De este análisis de las tecnologías de separación se deduce que las más adecuadas para mejorar el rendimiento de los skimmers son la coalescencia y la separación rotacional.

LA APERTURA DE UNA NUEVA VÍA

El objetivo está claro: Queremos aumentar la eficiencia de los skimmers y mejorar el balance energético de las operaciones de descontaminación.

Podríamos analizar operación por operación intentando adoptar mejores técnicas e integrando motorizaciones con menor consumo, lo haremos, pero hay un trabajo que podemos hacer antes y que contribuirá más que ninguna otra cosa a la mejora global que buscamos: Necesitamos separar la máxima cantidad de agua posible dentro del skimmer y antes de bombear. 

Para ello analizaremos las diferentes técnicas de separación que existen en la industria y buscaremos la manera de integrarlas en los equipos de recuperación.

SOLUCIONES AL PROBLEMA DE LA EFICIENCIA DE LA RECUPERACIÓN MECÁNICA

Como hemos comentado en anteriores post, la baja eficiencia de los medios de recuperación mecánica provoca un elevado sobrecoste de los trabajos de descontaminación y de depuración.

Entre los factores que más inciden sobre la eficienciade la recuperación mecánica hemos citado las condiciones climatológicas y latipología de skimmer. Mejorar las condiciones climatológicas no es algo que esté en nuestras manos pero sí mejorar las prestaciones de los skimmers existentes y crear nuevos sistemas de recuperación.

Skimmers

Varios fabricantes de skimmers y sistemas de recuperación mecánica están realizando importantes esfuerzos en materia de innovación para mejorar sus productos y proponer otros nuevos que mejoren las prestaciones de los anteriores. Por desgracia son solo unos pocos, quizá los más a la vanguardia, los fabricantes que han elegido el camino de la innovación frente a una mayoría que apuesta por los productos tradicionales sin apenas cambios desde su salida al mercado.

En la actualidad se busca el aumento de la eficiencia de los skimmer trabajando sobre la superficie de contacto con el hidrocarburo, material y geometría. En el caso de los skimmers de tambor creando acanaladuras perimetrales que aumentan la capacidad de recuperación y amplian el espectro de hidrocarburos recuperables según su viscosidad. En el caso de los skimmers de disco estas acanaladuras son laterales y aumentan principalmente la capacidad de recuperación.

Se han elegido estos dos tipos de skimmers porque son los que mayor eficiencia ofrecen, aunque en contrapartida están más limitados a la hora de trabajar con fluidos viscosos.

Por lo que respecta a los skimmers de cepillos, más adecuados para fluidos de mayor viscosidad que los anteriores, poco se ha conseguido. Los fabricantes presentan habitualmente cambios en la configuración de los cepillos que parecen más orientados a reducir costes que a aumentar la eficiencia.

Por último, haremos referencia a los skimmers de rebosadero, quizá los más vendidos a nivel mundial. Los avances tecnológicos experimentados por estos skimmers han sido a lo largo de su historia casi inexistentes.

Otros sistemas de recuperación

Para mejorar el rendimiento de los skimmers se puede actuar también sobre su entorno. Mejorar las condiciones de trabajo ayuda a aumentar el rendimiento.

En la actualidad hay diferentes sistemas que con la ayuda de barreras de contención y barcazas permiten concentrar el hidrocarburo creando en las inmediaciones del skimmer una capa lo suficientemente gruesa como para minimizar el contenido de agua en la sustancia recuperada.

Por desgracia, y por más que los buenos constructores de skimmers y otros sistemas se empeñen las condiciones meteorológicas acaban siendo determinantes y minimizando los avances conseguidos en materia de innovación. Son mejoras importantes pero no suficientes.

Llegados a este punto, ¿qué nos queda por hacer? ¿por qué no actuar sobre la fase de bombeo para reducir al máximo la presencia de agua?

BALANCE ENERGÉTICO DE LA RECUPERACIÓN MECÁNICA

Los trabajos de recuperación del hidrocarburo derramado tienen un elevado coste energético, además de provocar una contaminación secundaria causada por el uso de motorizaciones contaminantes.

Además del uso de tecnologías antidiluvianas, la mayor contribución al aumento de la energía consumida durante los trabajos de recuperación es causada por la disminución de la eficacia de los skimmers utilizados, o lo que es lo mismo, el aumento del volumen de agua en la sustancia recuperada.

Por ejemplo, un skimmer de rebosadero sabemos que recupera una elevada cantidad de agua que oscila entre el 50% (espesores de capa superiores a 25 mm) y el 90% (espesores de capa entre 1 y 8 mm), esto significa que si estamos haciendo frente a un derrame de 1.000 m³ de hidrocarburo estaremos recogiendo entre 1.000 m³ y 9.000 m³ de agua. Entre otras cosas, estamos multiplicando por 10 el tiempo invertido en la recuperación.

Un skimmer selectivo (cepillos, discos, tambor) puede trabajar con una eficacia máxima del 95% (5% de agua en la sustancia recuperada) que se verá muy perjudicada por el movimiento de las olas, hasta reducirla a un 50%. En este caso estaremos recuperando entre 50 m³ y 1.000 m³ de agua, siendo este último el caso más probable.

La consecuencia de esta ineficacia de los skimmers es un aumento del coste energético de las operaciones de recuperación desglosado como sigue:

1. Aumento del tiempo de funcionamiento de los skimmers. En el caso de un skimmer trabajando al 50% de eficacia tendremos que operar el doble de tiempo respecto a un funcionamiento ideal (eficacia 100%). Un skimmer selectivo trabajando al 50% consumiría 66 kWh frente a los 35 kWh de un skimmer con una eficacia del 95%.
2. Aumento del consumo total de las bombas de trasiego entre skimmers y tanques de almacenamiento temporal. En el caso de un skimmer de rebosadero trabajando con un espesor de capa superior a 25 mm la energía necesaria para impulsar 1.000 m³ de hidrocarburo derramado más otros 1.000 m³ de agua será de 1.120 kWh mientras que en el caso de espesores inferiores a un centímetro el consumo se dispara hasta los 5.600 kWh. En una situación ideal, considerando una eficacia del 95%, el consumo sería de 590 kWh, entre un 50% y un 90% inferior a los casos reales.
3. Aumento del consumo total de las bombas de trasiego entre los tanques de almacenamiento temporal y el separador de hidrocarburos. Nos encontraremos en una situación similar a la del punto 2.
4. Coste energético de la separación de los dos fluidos. Ya en la embarcación de trabajo separaremos la mayor parte del agua de los hidrocarburos. Este agua deberá tener un contenido en hidrocarburos inferior a 15 ppm, para ello la trataremos en un separador. El coste energético de esta operación asciende a 1.800 kWh en el primer caso estudiado y a 16.200 kWh en el segundo. Si hubiéramos trabajado con un skimmer verdaderamente eficiente (95%) hubiéramos gastado 100 kWh para 1.000 m³ de hidrocarburo derramado.

Los cálculos anteriores son tremendamente aproximativos y pueden sufrir sensibles variaciones en función de innumerables factores pero nos ofrecen una contundente confirmación de la necesidad de mejorar los métodos de recuperación del hidrocarburo derramado, ya que no sólo estamos hablando de un coste económico sino de un coste elevadísimo en términos de operatividad, capacidad de reacción y autonomía de los medios desplazados al lugar del derrame.

EL PROBLEMA DE LA EFICACIA DE LA RECUPERACIÓN MECÁNICA (II)

Como consecuencia a la limitada eficiencia de los medios de recuperación en condiciones reales de trabajo y en presencia de olas la cantidad de agua en los tanques de almacenamiento de la sustancia recuperada es elevada.

En función del entorno de trabajo las consecuencias negativas se acrecientan.

En un ambiente industrial aumenta proporcionalmente el coste de tratamiento (separación / purificación) de los hidrocarburos/grasas ya que los gestores de residuos nos cobrarán por metro cúbico tratado: con la presencia de agua multiplicamos el coste. Además, en caso de que la sustancia recuperada venga tratada in situ, los costes de operación se disparan ya que los grupos de bombeo aumentan su consumo proporcionalmente al aumento de volumen tratado y las depuradoras empeoran su rendimiento amén de aumentar los tiempos de procesado.

En ambiente marítimo, como respuesta a un derrame de hidrocarburos, además de los problemas citados en industria se produce un empeoramiento y aumento notable de la complejidad de las condiciones de operación. Pensemos en los tanques de almacenamiento temporal de las naves presentes en las operaciones de limpieza, claramente ven reducida su autonomía ya que una parte importante del volumen es agua. Para evitar este problema las naves se ven obligadas a tener en dotación un sistema de separación agua/hidrocarburos de tal manera que el agua separada pueda ser devuelta al mar. Este sistema de separación debe ser homologado por las autoridades marítimas internacionales, certificado IMO MEPC y cumplir con las normativas internacionales (como la MARPOL 73/78) y locales, que pueden ser más restrictivas que las primeras.

En cualquier caso, y como veremos más adelante, los tiempos de separación se alargan o resultan caros sea en su implementación que en su operación.

En resumen, nos encontramos con una serie de problemas causados por la ineficacia de los medios de recuperación:

• Reducción de la autonomía de los medios de limpieza
• Aumento del tiempo de resolución del problema, ya que el proceso no acaba con el bombeo de la sustancia recuperada desde el skimmer al tanque de almacenamiento.
• Aumento de costes de instalación, ya que se requieren ulteriores y complejos sistemas de separación.
• Aumento de costes de operación, ya que la presencia de agua multiplica el gasto energético especialmente en bombeo y en la operación de los sistemas de separación.

EL PROBLEMA DE LA EFICACIA DE LA RECUPERACIÓN MECÁNICA (I)

La recuperación mecánica de los hidrocarburos derramados es la técnica de limpieza más utilizada a día de hoy. Se lleva a cabo mediante los dispositivos denominados “skimmer” que recuperan los hidrocarburos y las grasas que flotan en la superficie del agua.

Existen varios tipos de skimmer entre los que destacan por su gran difusión los skimmers de rebosadero y los skimmers oleofílicos.

Los primeros, gracias a la acción de una bomba generalmente instalada en el propio skimmer, generan un flujo de entrada a través de un anillo flotante tarado para flotar en el agua pero no en fluidos más ligeros, como es el caso de la mayoría de los hidrocarburos, de esta manera el fluido entrante es, en teoría, el hidrocarburo derramado.

 

Los segundos  realizan una recuperación más fina gracias a la adhesión del hidrocarburo a una superfice en movimiento, generalmente rotatoria, a la cual no se adhiere el agua. Los skimmers oleofílicos pueden utilizar diferentes superficies de contacto con la que recuperar el hidrocarburo, por ejemplo: cepillos, discos, tambor, mopa.

En todos los casos, tras la recuperación del hidrocarburo éste se bombea hacia unos tanques temporales donde se almacena el producto recuperado mientras se desarrollan las operaciones de limpieza.

A pesar de los esfuerzos de ciertos fabricantes por mejorar la eficacia de sus equipos, la realidad es que la Eficiencia de la Recuperación (RE = Recovery Efficiency, %) de los skimmers es muy inferior al 100%. (La eficiencia de la recuperación se define como el cociente entre el volumen de hidrocarburo y el volumen total recuperado por el skimmer, expresado en puntos porcentuales)

Hay diferentes causas que justifican el variable e imperfecto rendimiento de los skimmers:

• Tipología: Los skimmers de rebosadero tienen una RE inferior a los skimmers oleofílicos. Entre los propios skimmers oleofílicos existen notables diferencias en función de la tipología.
• Material de construcción: En el caso de los skimmers oleofílicos diferentes estudios avalan las sensibles diferencias de RE en función del material utilizado en la construcción del material de contacto (polipropileno, polietileno, aluminio, pvc, acero inoxidable,...).
• Material de construcción: En el caso de los skimmers oleofílicos diferentes estudios avalan las sensibles diferencias de RE en función del material utilizado en la construcción del material de contacto (polipropileno, polietileno, aluminio, pvc, acero inoxidable,...).
• Velocidad de operación: Cada tipo de skimmer tiene una velocidad de operación ideal (dependiente de la viscosidad del fluido recuperado) superada la cual el contenido de agua en la sustancia recuperada aumentará, disminuyendo por lo tanto la RE.
• Viscosidad de la sustancia derramada en el momento de las operaciones de limpieza
• Estado de la mar y meteorología: Cuanto peor sea el estado de la mar y más altas las olas menor será la RE del skimmer.

En definitiva, si la Eficiencia en la Recuperación (RE) en condiciones ideales de los skimmer existentes actualmente en el mercado oscila entre el 50% y el 85-90% podemos afirmar que en condiciones reales la RE difícilmente superará el 50%. Las condiciones ideales sólo se pueden dar en situaciones de mar absolutamente calma y en presencia de una gran concentración de hidrocarburos, además de en instalaciones industriales.

La consecuencia es que la solución al problema del derrame provoca un problema ulterior: la presencia a partes iguales de agua en la sustancia recuperada y, por lo tanto, la necesidad de depurarla para poderla devolver al mar con concentraciones admisibles/legales de hidrocarburos.