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Dosificación de sulfato de alúmina en el tratamiento del agua residual en la Refinería Camilo Cienfuegos

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA “Dosificación de sulfato de alúmina en el tratamiento del agua residual en la Refinería Camilo Cienfuegos.” Autor: Yanier Basulto Rodríguez. Tutor: Dr. Boris Luis Martínez Jiménez Ing. Ariel A. Hernández Pérez. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA “Dosificación de sulfato de alúmina en el tratamiento del agua residual en la Refinería Camilo Cienfuegos.” Autor: Yanier Basulto Rodríguez ybasulto@uclv.edu.cu. Tutor: Ing. Ariel A. Hernández Pérez aahernandez@refcfg.cuvenpetrol.cu Refinería “Camilo Cienfuegos” Departamento AIT. Dr. Boris Luis Martínez Jiménez boris@uclv.edu.cu Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas Departamento de Automática y Sistemas Computacionales Facultad de Ingeniería Eléctrica. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Nuestra recompensa se encuentra en el esfuerzo y no en el resultado. Un esfuerzo total es una victoria completa. Mahatma Gandhi.

(5) ii. DEDICATORIA. Este trabajo está dedicado a todas aquellas personas que a lo largo de toda mi vida me han dado su apoyo y confianza, muy en especial a:  Mis padres Rosario y Marx por todo el sacrificio y el apoyo para poder llegar hasta aquí y a mi hermana Yadianez que me hace esforzarme cada día más para que vea en mi un ejemplo a seguir.  Mi familia y seres queridos por la confianza depositada en mí y por todos los esfuerzos dirigidos en pro de mi formación..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Este trabajo representa muchos años de estudio y esfuerzo para lograr convertirme en un profesional, pero el momento es de reflexión y agradecimiento a todos aquellos que contribuyeron de una forma u otra en mi formación, por ello quiero dar muchas gracias a: Mis padres que con todo su amor y sacrificio lucharon junto conmigo y me facilitaron el camino para que yo luchara hasta alcanzar mi meta. Mi familia que de una forma u otra contribuyeron con su apoyo al desarrollo de mi vida tanto social como educacional. Mis compañeros de aula que son mis hermanos de siempre. Mis tutores Ariel A. Hernández Pérez y Boris L. Martínez Jiménez por su dirección, experiencia y ayuda brindada durante la realización del trabajo. Mis amigos Luis Miguel Castellanos y Frank Alonso y mi novia Dayana Cruz García por sus contribuciones de gran ayuda en el trabajo. La Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas que me acogió en su seno, me abrió las puertas al conocimiento y me permitió conocer a personas maravillosas durante todos estos años. Mis profesores que han contribuido en mi formación profesional. Mis amigos y todas las personas que de un modo u otro han hecho posible la realización del presente Trabajo de Diploma..

(7) iv. RESUMEN. En el proceso físico-químico la coagulación es una de las más importantes etapas en el tratamiento de agua, permitiendo la remoción de partículas coloidales. La coagulación, consiste en neutralizar la carga de los coloides presentes en el agua, para formar flóculos. Dentro de los procesos de tratamiento del agua, el proceso de coagulación es el más complejo, debido a la correlación no-lineal existente entre la dosis de coagulante y los parámetros de agua cruda. En la planta de tratamiento de la Refinería “Camilo Cienfuegos” existen dos problemáticas fundamentales, el consumo de coagulante demandado por la planta y la dosis del reactivo que no varía según las características del agua. En este trabajo se propone diseñar un sistema de control de dosificación de sulfato alúmina, que incluye una estrategia para obtener la dosis de coagulante adecuada que contribuya al ahorro de reactivo, el modelado del proceso para el estudio de su comportamiento y el reajuste de los reguladores que intervienen en el proceso. Con el trabajo se logra obtener una dosis de coagulante según el pH y un modelo matemático que responde al comportamiento dinámico del sistema, lo cual hace posible un mejor control en el proceso de coagulación contribuyendo al ahorro de reactivo de la planta de tratamiento de la refinería..

(8) v. INDICE PENSAMIENTO .......................................................................................................................i DEDICATORIA ...................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................... iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 8 CAPÍTULO. I.. TRATAMIENTO. DE. AGUAS. RESIDUALES.. PROCESO. DE. COAGULACIÓN. ................................................................................................................ 12 1.1 Aguas residuales ......................................................................................................... 12 1.2 Contaminantes ............................................................................................................ 13 1.2.1 Contaminantes Orgánicos: ................................................................................... 13 1.2.2 Contaminantes Inorgánicos: ................................................................................ 14 1.3 Tratamiento de las aguas residuales............................................................................ 14 1.4 Tratamiento Físico-Químico ....................................................................................... 17 1.4.1 Coagulación ......................................................................................................... 18 1.4.1a Mecanismos de Coagulación ......................................................................... 18 1.4.1b Coagulantes Utilizados. ................................................................................. 20 1.4.1c Factores que Influyen en la Coagulación. ...................................................... 20 1.4.2 Floculación........................................................................................................... 21 1.4.3 Flotación. ............................................................................................................. 22.

(9) vi 1.5 Control del proceso de coagulación. ........................................................................... 22 Conclusiones parciales del capítulo I................................................................................ 28 CAPITULO II. SISTEMA DE DOSIFICACIÓN ................................................................ 30 2.1 Caracterización del Proceso de Tratamiento de Residuales en la Refinería Camilo Cienfuegos. ....................................................................................................................... 30 2.1.1 Tratamiento físico-químico.................................................................................. 33 2.2 Operación del sistema actual de dosificación. ............................................................ 34 2.3 Desarrollo del diseño del sistema de control. ............................................................. 35 2.3.1 Determinación del pH para la estimación de la dosis de coagulante. .................. 36 2.3.2 Modelado del proceso de regulación de la dosificación. ..................................... 38 2.3.3 Descripción del sistema de control. ..................................................................... 45 Conclusiones parciales del capítulo II .............................................................................. 46 CAPÍTULO III. ANÁLISIS Y RESULTADOS ................................................................... 47 3.1 Obtención de la dosis de coagulante con respecto al pH. ........................................... 47 3.2 Identificación del sistema de regulación de la dosificación. ...................................... 48 3.3 Cálculo del regulador PI para el control del ajuste de la dosificación. ....................... 57 3.4 Análisis económico. .................................................................................................... 60 Conclusiones parciales del capítulo III ............................................................................. 62 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 63 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 64.

(10) vii BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 65 ANEXOS .............................................................................................................................. 68.

(11) INTRODUCCIÓN. 8. INTRODUCCIÓN En el desarrollo de la vida humana el agua juega un papel fundamental, por este motivo es necesario realizar una gestión adecuada de la misma que permita un suministro en buenas condiciones y que proteja los recursos hídricos existentes (García, 2005). El notable aumento de la cantidad de vertidos producido en los últimos tiempos ha provocado un deterioro en la calidad de las aguas de los cauces receptores hasta tal punto que en muchas ocasiones la capacidad de autodepuración de éstos ha sido superada. A esta situación ha contribuido de manera importante el creciente desarrollo industrial, las actividades agrícolas con el uso a gran escala de fertilizantes y plaguicidas, así como la concentración de población en grandes núcleos urbanos (García, 2005). Son varios los problemas de contaminación que afectan a las aguas. Entre ellos se destacan los relacionados con el exceso de materia orgánica y los provocados por el exceso de nutrientes, principalmente nitrógeno y fósforo. Una de las medidas fundamentales para prevenir la contaminación consiste en evitar el vertimiento de aguas residuales sin un tratamiento a las fuentes de agua que abastecen a las ciudades y a sus industrias (Pérez, 2009). Esto llevó a la construcción de instalaciones de depuración de residuales también llamadas plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) o estaciones depuradoras de aguas residuales. Las plantas de tratamiento de aguas residuales han adquirido en los últimos años un gran auge debido a la necesidad de depuración de los numerosos deshechos que, generados por las aglomeraciones urbanas y las instalaciones industriales, son vertidos a los ríos. Eliminar contaminantes del agua además de mejorar las condiciones del ambiente, proporciona salud y bienestar a los ciudadanos. Entretanto, operar estas unidades exige un coste periódico de la sociedad y además no generan ningún beneficio directo en términos económicos, sino ambientales y sociales. La legislación actual en los países industrializados impone límites estrictos en la calidad del agua vertida por las plantas depuradoras, siendo el objetivo de estas poder cumplirlos (Chamizo, 2003). La Norma Cubana NC 27:1999 es la norma vigente en este momento y se aplica a todas las aguas residuales generadas por las actividades sociales y económicas. Es un instrumento legal para garantizar la calidad de las.

(12) INTRODUCCIÓN. 9. aguas terrestres mediante la regulación de las descargas de residuales a estas, lo que a su vez sirve de base para la elaboración de estrategias de saneamiento. Los residuales líquidos a verter al sistema de alcantarillado y a los cuerpos receptores deben cumplir con las concentraciones que se indican en ella (Normalización, 1999). También hay que referir a la norma NC 521: 2007 que impone las reglamentaciones para el vertimiento de aguas residuales a las costas y aguas marinas (Normalización, 2007). Cada actividad industrial aporta una contaminación determinada, por lo que es conveniente conocer el origen del vertido industrial para valorar su carga contaminante. En las refinerías las principales fuentes contaminantes son: aceites, materia orgánica, fenoles, amoníaco y sulfuros. La refinería de petróleo “Camilo Cienfuegos” situada en la Provincia Cienfuegos hoy es una fuente contaminante de su bahía. El proceso de tratamiento del agua residual en la misma no cuenta con las condiciones óptimas de desarrollo, siendo necesario el enfoque del trabajo en una búsqueda de solución rápida y eficaz. Actualmente la planta de tratamientos residuales en la refinería, cuenta con la problemática de la imposibilidad de controlar la emisión de carga contaminante a la bahía de Cienfuegos, pues no se cuenta con un método o estrategia de control que permita el funcionamiento óptimo de algunos procesos en el tratamiento de agua residual. Un ejemplo de dichos problemas es la dosificación de alúmina, la cual es de vital importancia para que ocurra una buena coagulación. El corazón de un sistema de tratamiento de agua para es el proceso de coagulación. En él se acondiciona el agua de tal forma que los procesos posteriores de limpieza, en donde, propiamente dicho, se remueven las impurezas, puedan realizar su función adecuadamente. En la refinería actualmente la dosis de coagulante se mantiene constante sin tener en cuenta las características del agua residual. Esto quiere decir que existe un problema asociado a la no implementación de un control que utilice una variación dinámica de la dosis de coagulante en función de las características del agua residual. Conociendo las agravantes anteriores se determina como objetivos general del trabajo: . Controlar la dosificación del sulfato de alúmina en la planta de tratamiento de residuales de la refinería “Camilo Cienfuegos”. para lograr el.

(13) INTRODUCCIÓN. 10. funcionamiento adecuado del proceso de coagulación y, con ello, la disminución de los gastos del reactivo. Para el logro del objetivo anterior se definen los siguientes objetivos específicos: . Determinar la estrategia de control adecuada a partir del análisis de la literatura disponible y de las condiciones existentes en el proceso.. . Obtener la dosis de reactivo a partir del pH.. . Modelar el sistema de dosificación del sulfato de alúmina.. . Validar los resultados de modelado.. . Reajustar el regulador que controla el proceso de dosificación de coagulante en la planta de tratamiento de la refinería “Camilo Cienfuegos”.. Con el logro de los objetivos propuestos se asegurará el proceso de coagulación a un menor costo y se contará con un modelo matemático del sistema en tiempo real de la dosificación del sulfato de alúmina, con el cual se podrá determinar la estrategia de control más óptima para dicho proceso y quedará para el estudio futuro y el análisis de nuevas técnicas de control. Los resultados de la investigación poseen gran aplicación, principalmente práctica pues la estrategia de control que se elegirá como resultado del trabajo se implementará en la refinería de petróleo de Cienfuegos. Debido a que la investigación tributa a un proyecto real en la refinería es viable, pues la misma cuenta con el presupuesto, los recursos materiales (muchos ya han sido comprados) y el personal calificado para acometer el mismo. Estructura del Trabajo: En la Introducción quedará definida la importancia, actualidad y necesidad del tema que se aborda y se dejarán explícitos los elementos del diseño teórico de la investigación. Capitulario: CAPÍTULO I: En el primer capítulo se realiza el análisis crítico de la literatura especializada consultada. Se presentan los principales conceptos que se tratan en este trabajo. Se plantea la panorámica general existente en torno al problema que se aborda..

(14) INTRODUCCIÓN. 11. También se detalla la arquitectura general del sistema de las plantas de tratamiento de residuales. CAPÍTULO II: En el segundo capítulo se busca una relación del pH con la dosis de coagulante que garantice con la menor cantidad de reactivo posible el proceso de coagulación. Seguidamente se explica el procedimiento realizado en el Toolbox OPC del Matlab para la obtención del modelo matemático en tiempo real de la dosificación del sulfato de alúmina y se describe la estrategia que se propone para controlar la misma. CAPÍTULO III: En el tercer capítulo mediante la simulación en el Matlab se da a conocer los resultados obtenidos en el proceso de identificación del sistema de dosificación de coagulante. Se hace un reajuste del regulador que controla la coagulación en la planta de tratamiento de la refinería “Camilo Cienfuegos” y por último se muestra el análisis económico de la estrategia propuesta..

(15) CAPÍTULO I. 12. CAPÍTULO I. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. PROCESO DE COAGULACIÓN. La planta de tratamiento de aguas residuales de la refinería Camilo Cienfuegos presenta algunos problemas en el vertimiento de las aguas al mar, debido a la imprecisión de algunos lazos que controlan diferentes procesos del tratamiento. Uno de los procesos afectados es la dosificación del coagulante y de ella depende la efectividad del resto del proceso. Debido a la importancia que tiene corregir estos errores, en este capítulo se realiza una investigación sobre las aguas residuales industriales teniendo en cuenta: sus propiedades, el tratamiento que llevan según los contaminantes que posee y la automatización y el control que son usados en procesos como la dosificación de coagulante, con el objetivo de buscar una solución que minimice los daños medio ambientales en nuestro país y el ahorro de reactivo en el tratamiento de agua.. 1.1 Aguas residuales Las aguas residuales son materiales derivados de residuos domésticos o de procesos industriales, los cuales por razones de salud pública y por consideraciones de recreación económica y estética, no pueden desecharse vertiéndolas sin tratamiento en lagos o corrientes convencionales (F. A. Díaz, 2009; Milena, 2004; Pérez, 2009; Rodríguez et al., 2006). En la directiva 91/271 CEE, del Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas, se definen los distintos tipos de aguas residuales (Pinas, 2009; Ramalho, 2003; CEE, 1991):  Aguas residuales domésticas: Aquellas procedentes de zonas de vivienda y de servicios generadas principalmente por el metabolismo humano y las actividades domésticas.  Aguas residuales industriales: Todas las aguas residuales vertidas desde locales utilizados para efectuar cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguas residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial.  Aguas urbanas: Las aguas residuales domésticas o la mezcla de las mismas con aguas residuales industriales y/o aguas de escorrentía pluvial..

(16) CAPÍTULO I. 13. Se hace necesario y fundamental conocer las propiedades físicas, químicas y biológicas de las aguas residuales para establecer las cargas orgánicas y de sólidos que transportan, determinar los efectos del vertimiento a la naturaleza, seleccionar las operaciones y procesos de tratamiento que resultarán más eficaces y económicos (Milena, 2004; Agua, 2007; Camacho, 2009; Ramalho, 2003(Rodríguez et al., 2006). Los compuestos orgánicos e inorgánicos se encuentran en aguas residuales procedentes de instalaciones industriales diversas. A diferencia de las aguas residuales domésticas, los efluentes industriales contienen con frecuencia sustancias que no se eliminan por un tratamiento convencional, bien por estar en concentraciones elevadas, o bien por su naturaleza química. Muchos de los compuestos orgánicos e inorgánicos que se han identificado en aguas residuales industriales son objeto de regulación especial debido a su toxicidad o a sus efectos biológicos a largo plazo.. 1.2 Contaminantes. Hay muchas clasificaciones para los contaminantes (Ramírez, 2007; (Muñoz, Lehmann, & P. G. Martínez, 2004); Rodier, 2011; Russell, 2012). Según la composición de las aguas residuales se puede clasificar los contaminantes en tres categorías:  Contaminantes químicos: en estos se incluyen tanto los productos químicos orgánicos como inorgánicos y los gases.  Contaminantes físicos: contenido de sólidos, grasa, aceite, espumas y detergentes.  Contaminantes biológicos: todos aquellos agentes que provienen del interior de un ser vivo, o son alguna parte de ellos o son ellos mismos en su totalidad que pueden provocar alguna enfermedad, o desequilibrio en el cuerpo de los seres vivos al ingerir agua o alimentos contaminados. 1.2.1 Contaminantes Orgánicos: Son compuestos cuya estructura química está compuesta fundamentalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Son los contaminantes mayoritarios en vertidos urbanos y vertidos generados en la industria agroalimentaria..

(17) CAPÍTULO I. 14. Entre los compuestos orgánicos que pueden aparecer en las aguas residuales tenemos las proteínas y los carbohidratos, las cuales proceden de excretas humanas o desechos de productos alimentarios, los aceites y grasas, son de naturaleza lipídica, que al ser inmiscibles con el agua, van a permanecer en la superficie dando lugar a la aparición de natas y espumas. Estas natas y espumas entorpecen cualquier tipo de tratamiento físico o químico, por lo que deben eliminarse en los primeros pasos del tratamiento de un agua residual, otros contaminantes de importancia a tratar tenemos los tensioactivos, fenoles, organoclorados y organofosforados, etc. Su origen es muy variable y presentan elevada toxicidad (Rodier, 2011; Russell, 2012). 1.2.2 Contaminantes Inorgánicos: Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales, óxidos, ácidos y bases inorgánicas, metales, etc. Aparecen en cualquier tipo de agua residual, aunque son más abundantes en los vertidos generados por la industria. Los componentes inorgánicos de las aguas residuales estarán en función del material contaminante así como de la propia naturaleza de la fuente contaminante. Entre estos contaminantes tenemos las arenas, los residuos con requerimiento de oxígeno, nitrógeno, fósforo, metales pesados, fenoles, petróleo, pesticidas, etc. (Rodier, 2011; Russell, 2012).. 1.3 Tratamiento de las aguas residuales. Se entiende por tratamiento de residuales, como el conjunto de operaciones y procesos físicos, químicos y biológicos a que se someten las aguas residuales para la remoción de los contaminantes seleccionados y el cumplimiento de parámetros de vertimiento o reuso (Serrano, Tortosa, & Terry, 2006); Agua, 2007; Camacho, 2009; Milena, 2004; Romero, 2008). Los tratamientos a los que se deben someter los efluentes tienen que garantizar la eliminación o recuperación del compuesto orgánico en el grado requerido por la legislación que regula el vertido del efluente o para garantizar las condiciones mínimas del proceso en el caso de reutilización o recirculación de la corriente para uso interno. El nivel máximo admisible de contaminante puede conseguirse mediante la utilización de diversas técnicas tanto destructivas como no destructivas. La aplicación de un método u otro depende fundamentalmente de la concentración del contaminante y del caudal de efluente..

(18) CAPÍTULO I. 15. Determinadas técnicas, como la incineración y algunos tratamientos de oxidación, son utilizables sólo cuando la concentración de compuestos orgánicos es elevada, mientras que otras, como la adsorción y los procesos de oxidación avanzada, son útiles en efluentes con baja concentración de contaminante. El tratamiento de las aguas residuales es una práctica que, si bien se lleva realizando desde la antigüedad, hoy por hoy resulta algo fundamental para mantener nuestra calidad de vida. Son muchas las técnicas de tratamiento con larga tradición y, evidentemente, se ha mejorado mucho en el conocimiento y diseño de las mismas a lo largo de los años. Pero no por eso han dejado de ser técnicas imprescindibles a la hora de tratar aguas industriales. A la hora de revisar los tratamientos unitarios más convencionales no resulta fácil establecer una clasificación universal. Una de las formas más utilizadas es en función de los contaminantes presentes en el agua residual, o también en función del fundamento del tratamiento (químico, físico o biológico). Una forma de intentar aunar ambas formas de clasificación puede ser considerar que los contaminantes en el agua pueden estar como materia en suspensión, materia coloidal o materia disuelta. Tratamiento de agua en Cuba. Ante la evidente contaminación ambiental, se ha generado una creciente demanda de plantas de tratamiento de aguas residuales, por lo que es necesario reconsiderar las opciones tecnológicas disponibles que proporcionen sistemas confiables, costos de construcción, operación y mantenimiento lo más bajos posibles, sin limitarse solamente a los sistemas tradicionales, con la finalidad de mejorar/preservar el medio ambiente y la salud humana (Pinas, 2009). El saneamiento en Cuba se garantiza mediante sistemas públicos de alcantarillado o la evacuación doméstica a través de fosas, tanques sépticos y letrinas. La estrategia que se desarrolla permite incorporar paulatinamente estos afluentes de las fosas de las ciudades y poblaciones importantes al alcantarillado existente o que se construya. Los métodos de tratamiento más comúnmente empleados son las lagunas de estabilización, los lodos activados, filtros percoladores, tanques sépticos, la filtración y la desinfección (Serrano et al., 2006). Actualmente existen 8 plantas depuradoras de aguas residuales de las cuales 5 ostentan la categoría de “Eficiente”, condición que se le otorga a aquellas que cumplen con los requisitos operacionales establecidos según normas. De estas 8 plantas, 3.

(19) CAPÍTULO I. 16. de ellas son de cieno activado y el resto es convencional. Se contabilizan 303 lagunas de oxidación, 470 tanques sépticos, 862 121 fosas, 121 estaciones de bombeo de aguas residuales y 4862 km de tuberías de alcantarillado (INRH, 2008). Dentro de las industrias de mayores aportes de cargas contaminantes a los cuerpos receptores se destacan las siguientes (Normalización, 1999):  Industria azucarera y sus derivados.  Industria alimenticia.  Industria papelera.  Industria textil.  Industria minera.  Industria metalúrgica.  Industria del petróleo y sus derivados. Durante muchos años la industria azucarera y sus derivados (refinerías, destilerías de alcohol) ha sido una de las más importantes del país. En general, es la más contaminante del país, no solamente por la concentración de los contaminantes, sino por el alto volumen de residuos que se producen. Se han hecho muchos esfuerzos para disminuir la contaminación, como por ejemplo utilizar la biomasa y los residuales en la alimentación animal y producción del biogás. La Norma Cubana NC 27:1999 es la norma vigente en este momento y se aplica a todas las aguas residuales generadas por las actividades sociales y económicas. Es un instrumento legal para garantizar la calidad de las aguas terrestres mediante la regulación de las descargas de residuales a estas, lo que a su vez sirve de base para la elaboración de estrategias de saneamiento. Los residuales líquidos a verter al sistema de alcantarillado y a los cuerpos receptores deben cumplir con las concentraciones que se indican en ella (Normalización, 1999). También hay que referir a la norma NC 521: 2007 que impone las reglamentaciones para el vertimiento de aguas residuales a las costas y aguas marinas (Normalización, 2007). Tabla I.1 Límites Máximos Permisibles para las Descargas de Aguas Residuales a la Zona Costera y a los Cuerpos Receptores Marinos (Parámetros Básicos). Refinería de Cienfuegos..

(20) CAPÍTULO I. 17. Una vez caracterizada el agua, queda seleccionar la línea de tratamiento más adecuada. Para ello lo más indicado es realizar ensayos de las posibles tecnologías aplicables, y ver los datos de diseño y los rendimientos obtenidos con cada uno de ellos. Las tecnologías de mayor aplicación son: - tratamiento físico-químico - tratamiento biológico aerobio.. 1.4 Tratamiento Físico-Químico El objetivo que persigue un tratamiento físico-químico es reducir una serie de sustancias contaminantes (Aguilar, Sáez, LLoréns, Soler, & Ortuño, 2002); AQUAPROX, 2007; Carmona, 2000; (Rodríguez et al., 2006) principalmente: . sólidos en suspensión. . partículas coloidales. . sustancias disueltas. Los sólidos en suspensión tienen su origen tanto en la naturaleza como procesos humanos (agrícolas, industriales o urbanos). Las sustancias disueltas son compuestos, que sólo gracias a reacciones químicas de precipitación se convierten en sólidos en suspensión capaces de ser separados físicamente. Las sustancias coloidales o coloides, se trata de.

(21) CAPÍTULO I. 18. material en cualquiera de los tres estados, partículas sólidas, gotas de líquidos y burbujas de gas las cuales se caracterizan por una elevada relación de área frente al volumen (S/V), el tamaño está comprendido entre 100nm y 5µm, se trata de materia macroscópica, no son átomos y moléculas, como las sustancias disueltas y no sedimentan por gravedad. Para romper la estabilidad de las partículas coloidales y poderlas separar, es necesario realizar tres operaciones: coagulación, floculación y decantación o flotación posterior. 1.4.1 Coagulación El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un reactivo químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles. La coagulación comienza al agregar el coagulante al agua y dura fracciones de segundo (Aguilar et al., 2002); Dègremont, 1979; Puentes, 2005). Es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado (Cárdenas, 2000). Para que las partículas se aglomeren deben chocar, y el mezclado promueve la colisión. El movimiento browniano, el movimiento caótico comunicado a las partículas pequeñas al ser bombardeadas por moléculas individuales de agua, está siempre presente como una fuerza mezcladora natural. Sin embargo, casi siempre es necesaria energía adicional de mezclado. Un mezclado de gran intensidad que distribuya al coagulante y promueva colisiones rápidas es lo más efectivo. También son importantes en la coagulación la frecuencia y el número de colisiones entre las partículas. En agua de baja turbidez puede requerirse la adición de sólidos, como la arcilla, o el reciclado de sólidos previamente asentados, para aumentar el número de colisiones entre las partículas.. 1.4.1a Mecanismos de Coagulación Debido a las propiedades de las partículas coloidales existen diferentes tipos de mecanismos para lograr la coagulación de las mismas (AQUAPROX, 2007; Cárdenas, 2000; Spellman & Drinan, 2004). a) Compresión de la capa difusa. Se consigue aumentando la concentración total de iones en. la. solución. Esto provoca una disminución del volumen de. la capa difusa.

(22) CAPÍTULO I. 19. necesario para obtener la electroneutralidad. Al comprimir esta capa, el efecto de la carga superficial queda limitado a una fina capa alrededor de las partículas. Como resultado las fuerzas atractivas se hacen mayores que las repulsivas de forma que puede producirse el crecimiento de tamaño de las partículas. Aquellos electrólitos que no tienen una interacción específica con la superficie se denominan electrólitos indiferentes, y su efectividad como coagulantes aumenta con la carga del catión, esta es la Regla de Schulze-Hardy. b) Adsorción y neutralización de carga. Las partículas coloidales poseen carga negativa en su superficie, estas cargas llamadas primarias atraen los iones positivos que se encuentran en solución dentro del agua y forman la primera capa adherida al coloide. El potencial en la superficie del plano de cizallamiento es el potencial electrocinético – potencial ZETA, este potencial rige el desplazamiento de coloides y su interacción mutua. Cuando se adiciona un exceso de coagulante al agua a tratar, se produce a la reestabilización de la carga de la partícula; esto se puede explicar debido a que el exceso de coagulante son absorbidos en la superficie de la partícula, produciendo una carga invertida a la carga original. c) Inclusión dentro de un precipitado. Esto ocurre cuando se forma un precipitado y atrapa a las partículas coloidales. Así cuando se utiliza como coagulante una sal metálica tal como las sales de Fe+3 o Al+3 o un óxido o hidróxido metálico como CaO o Ca(OH)2 en concentraciones suficientemente elevadas como para dar lugar a la precipitación rápida de un hidróxido o carbonato metálico (ej.: Al(OH)3, Fe(OH)3, Mg(OH)2, CaCO3), las partículas coloidales pueden quedar atrapadas dentro de estos precipitados. Las partículas coloidales presentes pueden servir como núcleos de precipitación, con lo que la dosis de coagulante es inversa a la cantidad de coloide presente. A mayor cantidad de coloides en el agua, menor será la cantidad de coagulante necesario. d) Adsorción y puente. En cualquier caso, se obtiene el tratamiento más económico utilizando un polímero aniónico, cuando las partículas están cargadas negativamente. Este fenómeno es explicado por la teoría del “puente”. Las moléculas del polímero muy largas contienen grupos químicos que pueden absorber las partículas coloidales. La molécula de polímero puede así absorber una partícula coloidal en una de sus.

(23) CAPÍTULO I. 20. extremidades, mientras que los otros sitios son libres para absorber otras partículas. Por eso se dice que las moléculas de los polímeros forman el “puente” entre las partículas coloidales. Esto puede tener una reestabilización de la suspensión, por una excesiva carga de polímeros.. 1.4.1b Coagulantes Utilizados. Los componentes son productos químicos que al adicionar al agua son capaces de producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy absorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está utilizando. Los principales coagulantes utilizados para desestabilizar las partículas y producir el floc son: Sulfato de Aluminio, Aluminato de Sodio, Cloruro de Aluminio, Cloruro Férrico, Sulfato Férrico, Sulfato Ferroso y Polielectrólitos (Como ayudantes de floculación). Siendo los más utilizados las sales de Aluminio y de Hierro; cuando se adiciona estas sales al agua se producen una serie de reacciones muy complejas donde los productos de hidrólisis son más eficaces que los iones mismos; estas sales reaccionan con la alcalinidad del agua y producen los hidróxidos de aluminio o hierro que son insolubles y forman los precipitados (Aguilar et al., 2002; Cárdenas, 2000; Juana, 2005; Puentes, 2005).. 1.4.1c Factores que Influyen en la Coagulación. Es necesario tener en cuenta los siguientes factores con la finalidad de optimizar el proceso de coagulación: a) pH. b)Turbiedad. c) Sales disueltas. d)Temperatura del agua. e) Condiciones de Mezcla. La interrelación entre cada uno de ellos permiten predecir cuáles son las cantidades de los coagulantes a adicionar al agua. Uno de los más importantes el pH, para cada agua existe.

(24) CAPÍTULO I. 21. un rango de pH óptimo para la cual la coagulación tiene lugar rápidamente. Las sales disueltas ejercen influencias en el proceso de coagulación y floculación debido a que pueden modificar el pH óptimo, el tiempo requerido para la floculación, la cantidad de coagulante requerido y la cantidad residual del coagulante dentro del efluente. La turbiedad es una forma indirecta de medir la concentración de las partículas suspendidas en un líquido, mientras más baja sea la turbiedad residual hay mayor correspondencia con la dosis óptima de coagulante. La variación de 1°C en la temperatura del agua conduce a la formación de corrientes de densidad (variación de la densidad del agua) de diferentes grados que afectan a la energía cinética de las partículas en suspensión, por lo que la coagulación se hace más lenta. El grado de agitación que se da a la masa de agua durante la adición del coagulante, determina si la coagulación es completa; turbulencias desiguales hacen que cierta porción de agua tenga mayor concentración de coagulantes y la otra parte tenga poco o casi nada (Camacho, 2009; Cárdenas, 2000; Juana, 2005). 1.4.2 Floculación. La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad. Estos flóculos inicialmente pequeños, al juntarse crean aglomerados mayores que son capaces de sedimentar.. La floculación tiene relación con los fenómenos de. transporte dentro del líquido para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación de puentes químicos entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual sería tridimensional y porosa. Así se formaría, mediante el crecimiento de partículas coaguladas, un floc suficientemente grande y pesado como para sedimentar (AQUAPROX, 2007; Camacho, 2009; Cárdenas, 2000; Carmona, 2000; Spellman & Drinan, 2004). Mientras la coagulación se debe principalmente a una acción química, la floculación se origina y se realiza como consecuencia del transporte de partículas desestabilizadas dentro del agua. La floculación tiene dos objetivos:  Reunir los coloides desestabilizados para formar agrupaciones de partículas o flóculos con peso específico superior al del agua..

(25) CAPÍTULO I. 22.  Compactar los flóculos para disminuir su grado de hidratación y conseguir características adecuadas tales como mayor peso y buena consistencia para su fácil remoción. 1.4.3 Flotación. El flotador de tipo DAF (Flotación por Aire Disuelto) está formado por un sistema completo de presurización, conos de alimentación / expansión cuyo número depende de las dimensiones del tanque, tanque de flotación, deflectores, aliviaderos y canaletas que permiten apartar el agua clarificada, un sistema de recogida del material flotado y un cuadro eléctrico de mando y control de todo el equipo. Los modelos más pequeños (DAF 24, DAF 32, DAF 45 YDAF 61) tienen un tanque de flotación circular, un único cono de alimentación / expansión central y el fondo del tanque tronco - cónico que permite llevar al centro, por gravedad, el lodo sedimentado y desde aquí poder evacuarlo mediante tuberías. La flotación de aire disuelto (DAF) se ha convertido en un proceso aceptado para el retiro de sólidos suspendidos, del aceite, de la grasa, y de otras corrientes disueltas de la materia de sistemas de tratamiento de aguas municipales. Es un proceso que confía en las burbujas de aire de unión que vienen de la solución con las partículas suspendidas y posteriormente, levantando las partículas suspendidas a la superficie para el retiro. El proceso de la DAF emplea el principio de la solubilidad creciente del gas en la solución en las presiones elevadas (ley del henrio). En el proceso de la flotación, la corriente que se tratará se satura con aire en la presión atmosférica de varias veces. Cuando se lanza la presión, ventile en exceso de la saturación atmosférica sale de la solución en la forma de burbujas de aire minúsculas que unan a los sólidos suspendidos y los floten a la superficie. La separación real de la suspensión en la unidad de la flotación también será gobernada por la concentración de los sólidos y del aire; y, el grado de turbulencia (Arundel, 2002; Rubio, 2002; Screens, 2012).. 1.5 Control del proceso de coagulación. La coagulación provee el proceso de tratamiento de agua mediante el cual la materia coloidal finamente dividida y suspendida en el agua se aglomera y forma flóculos. Si la.

(26) CAPÍTULO I. 23. coagulación no funciona adecuadamente, tampoco funcionan adecuadamente los procesos posteriores de limpieza. Tradicionalmente la coagulación de las aguas que entran a las plantas de potabilización se realiza de una manera manual, y con controles fuera de línea que no permiten ajustar adecuadamente las dosis de las sustancias coagulantes a los cambios que tiene la planta tanto en cantidad como en calidad del agua que llega (J. F. Díaz, 2000). La dosificación automática de coagulantes no es de ninguna manera un proceso fácilmente automatizable debido en primera instancia a la dificultad de poder definir, en línea, bien sea por mediciones directas o por estimaciones indirectas, cuando se logró una adecuada coagulación del agua cruda que llega a la planta. En muchos casos las variables de calidad del agua cruda que definen la dosis del coagulante no son fácilmente medibles en línea con sensores robustos y confinables como por ejemplo el color. Por otra parte la desestabilización de las sustancias y partículas que se quiere remover es difícil de obtener en línea, al igual que otras variables que definen la eficiencia del proceso de coagulación. Entre las estrategias de control más utilizadas en la dosificación de coagulante, en las plantas de tratamiento de agua en el mundo, se encuentran:  Sistema de simulación del proceso de simulación (Pruebas de Jarra)  Sistema de medición de las cargas electrostáticas de las partículas (Potencial de Corriente).  Sistemas de control basados en redes neuronales y lógica difusa.  Control predictivo. Sistema de simulación del proceso de coagulación. Estos sistemas, como las pruebas de jarras, consisten en simular en unos vasos de precipitado o jarras los procesos de coagulación, floculación y sedimentación que se producen en la planta de tratamiento y evaluar distintos parámetros durante o al final de los ensayos para caracterizar su funcionamiento. En estos estudios se determina las condiciones de operación óptimas, el tipo de coagulante necesario, el tipo de floculante que puede ayudar, las dosis de ambos, el pH idóneo, los tiempos de duración del proceso, etc. La elección se realiza en base a unos rendimientos obtenidos en la eliminación de los.

(27) CAPÍTULO I. 24. parámetros concretos del ensayo. Un aspecto importante de los Tratamientos Fisicoquímicos es que los resultados obtenidos a nivel de laboratorio son extrapolables a escala industrial, a diferencia de la mayoría de los procesos químicos industriales. Esto permite que con un simple ensayo de laboratorio podamos controlar siempre las condiciones del agua de salida de la unidad de tratamiento aunque se produzcan variaciones en el agua de entrada, y por lo tanto en las características del tratamiento idóneo. La prueba de las jarras simula los tipos de mezclado y las condiciones de asentamiento de un proceso para la clarificación de efluentes. La unidad de “Pruebas de Jarras” consta de varios agitadores, que están engranados, girando todos a igual velocidad con un motor de velocidad variable que permite regular la energía de mezclado. Tiene una capacidad para varias muestras contenidas en vasos de precipitado de un litro. En la figura I.1 se observa el esquema de un equipo de pruebas de jarras convencional.. Figura I.1 Equipo de prueba de jarras. El ensayo se realiza del siguiente modo: . Se añade a cada muestra una dosis de coagulante y se mezcla con gran energía para promover la mayor frecuencia de las colisiones, si es necesario en los últimos instantes se añade un polielectrólito floculante.. . A este período de mezclado rápido le sigue otro de mezclado lento donde se forman los flóculos hasta un tamaño en que el esfuerzo cortante supera las fuerzas de enlace del flóculo, impidiendo un mayor crecimiento de éste.. . Posteriormente se deja un tiempo de asentamiento o decantación..

(28) CAPÍTULO I. 25. Para la selección del coagulante y su dosis óptima se comparan distintos reactivos y distintas dosis, seleccionando el que ofrezca mejores resultados. Las variables que se estudian en un ensayo de “Pruebas de Jarras” son las siguientes: . Tipo de coagulante.. . Dosis óptima de coagulante.. . PH óptimo.. . Conveniencia y tipo de floculante.. . Dosis de floculante.. . Tiempo de duración de cada fase (agitación rápida, agitación lenta, sedimentación).. . Velocidad de agitación en cada etapa.. Para valorar la influencia de cada una de las anteriores variables es necesario realizar una serie de análisis según el objetivo del tratamiento. Existen limitaciones de carácter físico-químicos en la realización de las pruebas de jarra, algunas de ellas son: 1) En la planta existe un flujo continuo; en cambio, en las jarras no hay flujo. 2) La escala de las jarras no guarda relación con la escala del flóculo, por cuanto este se produce a escala natural y, en cambio, las jarras son cientos de veces más pequeñas que los floculadores. Por tanto, la proporción entre la escala de la turbulencia que se produce en uno y otro caso y el tamaño del flóculo es diferente, lo que afecta la velocidad de aglutinamiento de las partículas. 3) La dosificación de los coagulantes y la agitación de la masa de agua pueden ser mucho mejor controladas en la prueba de jarras que en la planta de tratamiento. No obstante estas deficiencias, la prueba de jarras sigue siendo el método más usual para controlar el proceso de coagulación.. Potencial de corriente. El potencial de corriente es una forma de medir las cargas de las partículas coloidales (positivas y negativas), que se relacionan con el potencial zeta de la siguiente manera:.

(29) CAPÍTULO I. 26. En donde: P= Diferencia de potencial, ρ = Densidad del coloide y Ko = Conductividad del electrolito. El potencial zeta es la medida del potencial eléctrico formado por el coloide cargado negativamente, y su atmósfera cargada positivamente; este potencial tiene un valor máximo en la superficie de las partículas, y disminuye gradualmente con la distancia. La caída del potencial y la distancia desde el coloide es un indicador de las fuerzas repulsivas de los coloides en función de la distancia a las cuales estas fuerzas entran en juego. El instrumento medidor del potencial de corriente genera una corriente alterna relativa a la carga de las partículas que se encuentran en el agua; la corriente es amplificada y medida por el equipo. Los valores netos de carga que se obtienen con este método no son iguales a los que se obtienen en las mediciones del potencial Zeta, pero el punto isoeléctrico (potencial zeta = 0), en cambio, sí coincide en ambos, de manera que se pueden usar indistintamente para determinar el Potencial Zeta cuando se neutraliza la carga. Con base en esta propiedad, se monitorea la coagulación en la actualidad, manteniendo un control continuo sobre las cargas de partículas coaguladas, con el fin de ajustar la dosificación automáticamente. Las desventajas de este método de control se encuentran en la imposibilidad de adaptación a las diferentes calidades del agua que llega a la planta ya que son necesarios unos cambios mínimos de las propiedades del agua para poder realizar un control. Si el agua cambia sustancialmente, el dispositivo de control necesita un nuevo valor deseadoy nuevas constantes para el controlador, por lo cual los operarios deben realizar ajustes y pruebas de jarras continuamente. Sistemas de control basados en redes neuronales y lógica difusa. La introducción de nuevas técnicas tales como las redes neuronales y la lógica difusa, abre una nueva ventana hacia el desarrollo para procesos cuyo control mediante el uso de.

(30) CAPÍTULO I. 27. técnicas convencionales resulta muy complejo. El uso de redes neuronales genera modelos descriptivos que permite visualizar y entender los datos, reconocimiento de patrones e identificar relaciones y correlaciones, Asimismo se pueden crear modelos de predicción de parámetros claves a partir de los datos disponibles. Estas técnicas pueden ser integradas en plataformas ya existentes de software y hardware para trabajar en tiempo real con el proceso a estudiar (Cuadro & Iglesias, 2006; J. F. Díaz, 2000; González, 2005; Mauricio, Giraldo, A. C. Martínez, Gauthier, & Villa, 2000). Para el proceso de coagulación ya se han desarrollado algunas aplicaciones basadas en estas técnicas las cuales han mostrado excelentes resultados y han abierto el campo para otras aplicaciones. En los últimos años, la lógica difusa ha demostrado su gran potencial en las aplicaciones de automatización industrial. Para los eventos de control discreto los ingenieros han usado la lógica de escalera, un lenguaje de programación semejante a los esquemas de cableado eléctrico corriendo en un controlador lógico programable (PLC en ingles). Para un control continuo los controladores de tipo PID son los más empleados; éstos controladores trabajan bien cuando el proceso bajo control está en condiciones estables; sin embargo cuando se presentan grandes disturbios, variaciones en el tiempo de los parámetros del proceso, presencia de tiempos muertos, los controladores PID no operan bien. La lógica difusa es un método de toma de decisiones basado en reglas usados para sistemas expertos y control de procesos que emulan el modo de comprensión de los sistemas usados por el ser humano. Puede ser usada para controlar un proceso que una persona puede controlar manualmente con la habilidad adquirida a través de la experiencia. Las reglas de control lingüística que un experto humano puede describir en forma intuitiva y general, pueden ser trasladadas para un controlador basado en lógica difusa. En Colombia en la planta de tratamiento de aguas de puerto mallarino de las empresas municipales de Cali (Emcali) se desarrollo un sistema de control basado en redes neuronales y lógica difusa que permitiera llevar a cabo tanto la estimación como el control de la dosis de coagulante (J. F. Díaz, 2000). Control predictivo. El desarrollo de modelos matemáticos predictivos de distinto tipos de fenómenos son aplicaciones fundamentales y útiles de las técnicas de Minería de Datos. Un buen modelo se convierte en una excelente herramienta científica que requiere de la existencia y.

(31) CAPÍTULO I. 28. disposición de grandes volúmenes de datos, además de habilidad y considerable tiempo aplicado del investigador para integrar los conocimientos más relevantes y característicos del fenómeno en estudio (Ruiz, 2008). .El Control Predictivo basado en el Modelo (MPC) surge en la década de los 80 casi simultáneamente en Estados Unidos y en Francia. Se inicia. como una estrategia. computacional para el control de procesos industriales multivariable (MIMO) con dinámicas complejas. Sus primeras versiones, “Control por Matriz Dinámica (DMC)” y “Control por el Algoritmo del Modelo (MAC)”, no utilizaban modelos determinísticos paramétricos, sino modelos de convolución basados en los datos de la respuesta al paso o del impulso del proceso. El MPC se basa en ideas muy simples y fáciles de comprender, las formulaciones básicas se extienden al caso multivariable (MIMO) con facilidad y su sintonía no es más compleja que la de un PID. Puede usarse en una gran diversidad de procesos, desde las dinámicas más simples hasta las más complejas, incluyendo respuesta inversa, grandes retardos y sistemas no estacionarios. Introduce el control feedforward de manera natural para compensar los disturbios medidos, requiere de un modelo apropiado para ser usado como predictor y el controlador resultante es lineal de fácil implementación. En la planta Wiesner de Bogotá se diseñó un sistema de control para la dosificación de coagulantes basado en el control predictivo. Como el proceso de coagulación puede ser controlado garantizando un pH estable de coagulación, se trabajó en la identificación sobre adquisiciones de datos reales y se obtuvo un modelo representativo del sistema. Con las técnicas del control predictivo se desarrolla el regulador para controlar el proceso, obteniéndose los resultados esperados (Giraldo, Mauricio, & Méndez, 1994).. Conclusiones parciales del capítulo I La planta de tratamiento de aguas residuales de la refinería “Camilo Cienfuegos” presenta algunos problemas en el vertimiento de las aguas al mar, debido a la imprecisión de algunos lazos que controlan diferentes procesos del tratamiento. Uno de los procesos afectados es la dosificación del coagulante, que de ella depende la efectividad del resto del proceso. Debido a la importancia que tiene corregir estos errores en este capítulo se realiza una investigación sobre las aguas residuales industriales teniendo en cuenta: sus.

(32) CAPÍTULO I. 29. propiedades, el tratamiento que llevan según los contaminantes que posee y la automatización y el control que son usados en procesos como la dosificación de coagulante, con el objetivo de buscar una solución que minimice los daños medio ambientales en nuestro país y el ahorro de reactivo en el tratamiento de agua. A través del estudio de las aguas residuales industriales y sus contaminantes se pone de manifiesto la necesidad inmediata de una solución a los problemas que puedan afectar el proceso de tratamiento de las aguas residuales para poder dar cumplimiento a las normas cubanas que regulan el vertimiento en aguas costeras y marinas. En esta búsqueda bibliográfica se investiga acerca del proceso de coagulación, donde se determinan los coagulantes más usados, la influencia de algunas propiedades del agua sobre la coagulación y la complejidad de la automatización del proceso de dosificación del coagulante al agua residual, la cual está dada por la imposibilidad de medir los resultados de una adecuada coagulación y la estimación en línea de variables no fácilmente medibles por sensores robustos y confiables como por ejemplo el color. Las técnicas usadas en el control de dicho proceso son: sistema de simulación del proceso de coagulación, sistema de medición de las cargas electrostáticas de las partículas, los sistemas de control basados en redes neuronales y lógica difusa, y el control predictivo. Para lograr un proceso de dosificación automático efectivo las técnicas de control que deben usarse son las basadas en redes neuronales y lógica difusa o el control predictivo debido a la capacidad que poseen de procesar sistemas de varias entradas y una sola salida. En el caso de la refinería “Camilo Cienfuegos” el área de tratamiento de residuales no consta con los instrumentos necesarios para implementar un control multivariable por lo que lleva a buscar una estrategia de control que involucre una variable de entrada y una de salida al sistema. Debido a que el pH es una de las propiedades del agua que más influye en el proceso de coagulación, se busca una relación entre el pH y la dosis de sulfato de aluminio que debe suministrarse al agua residual para garantizar la coagulación con la menor cantidad posible de reactivo..

(33) CAPÍTULO II. 30. CAPITULO II. SISTEMA DE DOSIFICACIÓN En el presente capítulo se describe el proceso de tratamiento de aguas residuales de la refinería “Camilo Cienfuegos”, con énfasis en el tratamiento físico – químico. Igualmente se aborda el sistema actual de dosificación y se propone un nuevo sistema basado en la relación del pH y el flujo residual. 2.1 Caracterización del Proceso de Tratamiento de Residuales en la Refinería Camilo Cienfuegos. Las aguas residuales industriales y pluviales contienen contaminantes de origen mineral y de origen orgánico representados fundamentalmente por el petróleo y los productos de su procesamiento. La cantidad de contaminantes depende de diversos factores tales como las impurezas mecánicas propias de las aguas de lavado y enfriamiento de equipos, los productos de petróleo que arrastran las aguas pluviales a su paso por las instalaciones tecnológicas, la contaminación en tanques que se lavan o drenan, el deslastre de barcos. El objetivo de estos sistemas es efectuar la limpieza y descontaminación de las aguas contaminadas con productos de petróleo que se generan en las diferentes plantas de la Refinería. Teniendo en cuenta estos factores contaminantes a la Planta de Tratamiento de Residuales llegan los siguientes efluentes: 1. Efluentes industriales pluviales de I Sistema. 2. Efluentes industriales pluviales de II Sistema. 3. Efluentes sulfurosos alcalinos. 4. Aguas de lastres. 5. Efluentes fecales. 6. Efluentes sulfhídricos. Para lograr la eficiencia del tratamiento y la calidad de las aguas resultantes de estos, se prevé tratar por separado los Efluentes industriales pluviales de I Sistema, los Efluentes industriales pluviales de II Sistema y los efluentes fecales. Los efluentes sulfhídricos que llegan desde la planta y los efluentes sulfurosos alcalinos se descargan al II Sistema para.

(34) CAPÍTULO II. 31. ser tratados juntos con los efluentes industriales pluviales y las aguas de lastres se tratan como un único flujo en el I Sistema.. Proceso tecnológico. Los efluentes industriales pluviales del II Sistema y las aguas sulfhídricas procedentes del drenaje de los tambores de tope de las torres de la combinada van al registro que antecede a la cámara de recepción de la estación de bombeo, desde donde a través de bombas son enviados al canal de hormigón armado que antecede a los separadores de arena para el tratamiento mecánico. Desde los separadores de arena los efluentes son conducidos a gravedad por una canal de hormigón hacia el separador de aceite constituidos por dos secciones que operan en paralelo y que pueden hacerlo independientes. Con el objetivo de lograr una mejor distribución del flujo el residual entra al separador de aceite a través de una pared ranurada para posteriormente ir al área de sedimentación. En estas instalaciones mediante los tubos colectores el residual es despojado del petróleo que después de un tiempo de reposo sube a la superficie y mediante las válvulas de fondo del fango que se deposita en los fosos. Estos procesos se realizan con la ayuda de esteras móviles que conducen tanto al petróleo como al fango hacia los dispositivos de evacuación. Por dos tuberías el residual se envía desde los separadores de aceite a dos sedimentadores de balance para la separación adicional del petróleo, de las impurezas mecánicas y la homogenización de la composición de las aguas residuales. Los sedimentadores de balance están formados por tres secciones que operan independientes y que están equipadas con los mismos accesorios que los separadores de aceite, con la única diferencia de que el tiempo de retención de los efluentes en estos es mayor por lo que se logra una mejor limpieza de los mismos. Al salir de los sedimentadores de balance los efluentes se mezclan con el reactivo coagulante (Al2 (SO4)3) que llegan a través de la línea a la canal mezcladora, lo cual facilitan el tratamiento físico-químico. De la canal mezcladora los efluentes mezclados con los reactivos son conducidos por una línea a dos flotadores, entrando por la parte inferior a través de los distribuidores de agua fijos. Los flotadores son instalaciones circulares y algo cónicos hacia el fondo que cuentan además con 8 tubos distribuidores fijos por donde se.

(35) CAPÍTULO II. 32. inyecta la recirculación del 50% de los residuales saturados con aire con el objetivo de que las pequeñas burbujas desplacen hacia la superficie los copos de hidróxido de aluminio con materias en suspensión y petróleo emulsionado en forma de espuma que son de fácil evacuación mediante los tubos colectores. El efluente tratado se evacua a todo lo largo del perímetro del flotador por la parte de abajo y sube a través de las canales verticales formadas por los paneles nervados y la pared del flotador y rebosa a la canal circular de evacuación, desde donde un 50% pasa a alimentar la cámara de recepción ( II sistema) garantizando la recirculación de los efluentes a los flotadores por la línea 1076, el 50% restante continua por el canal de hormigón armado a la cámara de mezcla pasando a alimentar la cámara de recepción de agua de lastre, desde donde se descargan directamente al filtro 5. Los efluentes industriales del II Sistema definitivamente tratados en dicho filtro bajo altura de presión residual son conducidos a las piscinas de oxidación, donde permanecen por espacio de 10 o 15 días y luego son vertidos a la bahía por el emisario final a través de tres tubos de reboso. Podemos resumir que el tratamiento de los residuales se realiza mediante dos etapas fundamentales: 1. Tratamiento mecánico: Mediante este los efluentes industriales pluviales son separados de la mayor cantidad de materias en suspensión y derivados del petróleo que arrastran consigo. Componentes de este tratamiento: . Separadores de arena.. . Separadores de aceite.. . Sedimentadores de balance.. 2. Tratamiento físico-químico: Consiste en una separación más perfecta de la materia en suspensión y derivados del petróleo que aún persisten en el residual, esto se logra con la adición de Al2 (SO4)3 (Sulfato de alúmina) como reactivo coagulante..

(36) CAPÍTULO II. 33. 2.1.1 Tratamiento físico-químico. Este es parte del tratamiento que se le realiza a los efluentes industriales pluviales y se efectúa en los flotadores, pero requiere de la preparación de los reactivos y de los efluentes de recirculación que hasta allí llegan. Para la puesta en marcha de la flotación se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:  Nivel de Sulfato de Alúmina (Al 2 (SO4)3) en los tanques de almacenamiento.  Concentración de los reactivos.  Estado técnico de las bombas de recirculación y de dosificación de reactivos.  Correcto funcionamiento del compresor y/o presión adecuada de aire.  Estado operativo de los tanques de presión.  Operatividad de las compuertas y válvulas implicadas en la operación.  Estado técnico de los analizadores de pH. En la refinería “Camilo Cienfuegos” se pondrán en práctica estas técnicas de tratamiento de residual, para lo cual se tendrán en cuenta los parámetros operacionales que ella demanda. Tabla II.1 Parámetros operacionales del tratamiento físico-químico. Parámetros operacionales a tenerse en cuenta durante el tratamiento fisicoquímico: Cantidad de aire por m3 de agua en tanques de 3 a 5% presión Agua a recircular. 50% del total de los efluentes a tratar. Tiempo de aireación. 2 a 4 minutos. Presión en los tanques de presión. 4-5 Kgf/cm2. Dosis de Sulfato de Alúmina. 50 a 100 mg/litros. Concentración de la alúmina en los tanques de 1.5 a 2% presión..

(37) CAPÍTULO II. 34. Con el Sistema de Residuales en funcionamiento se comienza a estabilizar la flotación chequeando visualmente la calidad del agua en el canal de salida de los flotadores, mientras la calidad no sea la adecuada se continúa ajustando hasta lograr un resultado óptimo. Tabla II.2 Características del agua a la salida de los flotadores. Características del agua a la salida de los flotadores: Parámetros. Normas. Productos del petróleo. 25 mg/litros. Materia en suspensión. menor de 30mg/litros. DQO pH. No se norma 7– 8.5. 2.2 Operación del sistema actual de dosificación. En el actual Proceso de Dosificación de Alúmina en la refinería “Camilo Cienfuegos” se siguen una serie de pasos importantes para el tratamiento de los residuales que se depositan en las piscinas de oxidación, en dicho proceso se utiliza como coagulante el Sulfato de Alúmina. La alúmina se presenta en sacos de 50kg los cuales se vierten en el tanque de preparación (Figura II.1) y se diluye con el agua del 1er Sistema de Enfriamiento agitándose con aire técnico proveniente de los compresores, luego esta disolución se bombea al tanque de almacenamiento (Figura II.2) en el cual debe tener la concentración estimada entre el 1.5 % y 2%.. Figura II.1. Tanque de preparación..

(38) CAPÍTULO II. 35. Figura II.2. Tanque de almacenamiento. Después de concluida la preparación y el trasiego del reactivo se toma una muestra y se envía al Laboratorio Central para su posterior análisis, la misma se toma una hora después del trasiego del tanque de preparación para el de almacenamiento. En caso de una concentración superior a la indicada es necesario que el operador del área mediante una válvula, ubicada en la parte superior del tanque de almacenamiento, suministre más agua hasta obtener la concentración óptima. Si la concentración queda por debajo del parámetro indicado se le agregará más sulfato de alúmina en el tanque de preparación hasta llegar a la concentración que se desee según el resultado de los análisis. El Jefe de Brigada refleja en su hoja de reporte de parámetros la cantidad de sacos y kilogramos de alúmina preparados. La dosificación al sistema se realiza a través de las bombas dosificadoras directo a la línea que va a la cámara de mezcla. Próxima a la bomba la línea presenta una desviación con una recirculación al tanque de almacenamiento, gobernada por una válvula que regula el flujo de coagulante al sistema, el cual se mantiene entre 50 y 100 mg/l.. 2.3 Desarrollo del diseño del sistema de control. Desde el punto de vista clásico de control, la señal de retroalimentación tiene un tiempo muerto del orden de minutos, debido al tiempo que tarda el coagulante en llegar al punto de aplicación en la zona de mezcla rápida, y al tiempo de respuesta de los instrumentos de medida..

(39) CAPÍTULO II. 36. Por lo general, en la mayoría de las plantas, el operario es quien tiene el control de la dosificación. El operador para controlar el proceso realiza básicamente dos acciones; que son: estimar el nuevo punto de operación o dosis óptima por medio de las pruebas de jarras, y controlar la dosificación alrededor del punto de operación. No obstante, un operario no varía la dosificación en intervalos de tiempo muy seguidos, por lo que es muy posible, que en algún momento, se encuentre dosificando mas coagulante del que realmente necesita la planta. Teniendo en cuenta estas dos etapas, se diseñaron algoritmos de control que emularan las acciones de un operador, pero, con la posibilidad de regular la dosificación en intervalos de tiempo en el orden de segundos. Para la etapa de estimación de la dosis óptima de coagulante se decidió buscar una función lógica que relacione el pH con la dosis de coagulante, a través de varios experimentos; y para la segunda etapa de ajuste de dosificación se decidió por un controlador PI debido a que los flujos no necesitan acción derivativa ya que tienen una dinámica rápida y la acción integral para asegurar cero error en estado estable. 2.3.1 Determinación del pH para la estimación de la dosis de coagulante. La coagulación por incorporación se produce cuando se agrega una concentración de coagulantes tan alta, que se excede el límite de solubilidad de ese compuesto en el agua. En ese momento se precipitan los hidróxidos que se forman por reacción de la alcalinidad y el agua misma con los coagulantes, con lo que se induce la producción de una masa esponjosa (floc de barrido) que atrapa en su caída a los coloides y partículas suspendidas las cuales se ven forzadas a decantar, incorporadas dentro del precipitado que desciende. Para poder conocer qué tipo de coagulación se produce, suelen utilizarse los llamados diagramas de coagulación. Amirtharajah ha sido uno de los investigadores que han contribuido más a darle aplicación práctica a éste suerte de diagramas (Valencia, 1992). En 1987 Amintharajh plantea que los diagramas de coagulación son herramientas útiles para predecir las condiciones químicas que gobiernan el proceso. Dichos diagramas se usan para definir las dosis de coagulantes en función de los pH y se desarrollan a partir de los diagramas de estabilidad termodinámica para la fase sólida del hidróxido de aluminio. Los resultados sobre coagulación de varios investigadores fueron introducidos, dentro del.

Figure

Figura I.1 Equipo de prueba de jarras.
Tabla II.1 Parámetros operacionales del tratamiento físico-químico.
Tabla II.2 Características del agua a la salida de los flotadores.
Figura II.2. Tanque de almacenamiento.
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