DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA PARA LA EMPRESA DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA.
JOSE ALBERTO MORENO BENAVIDES
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIAS
DEPATAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
SANTIAGO DE CALI 2011
DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA PARA LA EMPRESA DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA.
JOSE ALBERTO MORENO BENAVIDES
Pasantía Institucional para optar por el título de Ingeniero Mecatrónico.
Director ANDRÉS NAVAS Ingeniero Mecatrónico
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIAS
DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
SANTIAGO DE CALI 2011
Nota de aceptación:
Aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico.
JESUS ALFONSO LOPEZ
Jurado
BERNARDO SABOGAL Jurado
AGRADECIMIENTOS
YHVH por darme la vida y ser mi sustento de cada día.
A mis padres y mis hermanos por su invaluable amor y apoyo constante.
A mi tutor, Andrés Navas, por sus aportes académicos al desarrollo y culminación de esta investigación y a Alberto De la Torre, gerente de la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., por permitirme hacer de ese espacio el lugar propicio para mi crecimiento académico y profesional.
CONTENIDO
pág.
RESUMEN 16
INTRODUCCION 17
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18
2. JUSTIFICACION 19
3. ANTECEDENTES 20
3.1 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL INTERNACIONAL 20
3.2 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL NACIONAL 21
3.3 PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA DIFERENTES DEL PROCESO
DE OSMOSIS INVERSA 21 4. MARCO TEORICO 23 4.1 SOLVENTE 23 4.2 SOLUTO 23 4.3 SOLUCIÓN 23 4.4 DIFUSIÓN 23 4.4.1 Tasa de difusión 24 4.4.2 Gradiente de concentración 24
4.4.3 Ley de Fick de la difusión 25
4.5 OSMOSIS 25
4.5.1 Presión osmótica 26
4.6 OSMOSIS INVERSA 27
4.6.1 Principio de Operación de la Osmosis inversa 28
4.6.2 Componentes de la osmosis inversa 28
4.6.3 Características de las membranas semi-permeables 28
4.6.4 Características de la osmosis inversa 29
4.7 PROCESO DE PRE-TRATAMIENTO QUE ANTECEDE EL PROCESO DE
OSMOSIS INVERSA 29
4.8 FILTROS DE PRE – TRATAMIENTO DE OSMOSIS INVERSA 30
4.8.1 Filtro de sedimento 30
4.8.2 Filtro de arena 30
4.8.3 Filtro carbón activado 30
4.8.4 Suavizador 31
4.9 NORMAS OFICIALES PARA LA CALIDAD DE AGUA EN COLOMBIA 32
4.9.1 Requisitos características físicas 32
4.9.2 Requisitos características químicas 33
4.10 AUTOMATIZACIÓN 33
5. OBJETIVOS 34
5.1 OBJETIVO GENERAL 34
5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 34
6. PROCESO DE PLANEACION DEL PRODUCTO 35
6.1 ESTUDIO DE MERCADO 35
6.2 SEGMENTO DE MERCADO 35
7. PLANTEAMIENTO DE LA MISION 36
7.1 DESCRIPCION DEL PRODUCTO 36
7.2 PRINCIPALES OBJETIVOS DE MARKETING 36
7.3 MERCADO PRIMARIO 36
7.4 MERCADO SECUNDARIO 37
7.5 PREMISAS Y RESTRICCIONES 37
7.6 PARTES IMPLICADAS 37
8. LISTA DE NECESIDADES DEL CLIENTE 38
9. METRICAS Y SUS UNIDADES 39
10. Q.F.D 41
10.1 NECESIDADES VS. REQUERIMIENTOS. 41
10.3 NECESIDADES CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES. 43 10.4 REQUERIMIENTOS CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES. 44
11. ANALISIS DE LAS NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS 45
12. GENERACION DE CONCEPTOS 49 12.1 DESCOMPOSICION FUNCIONAL 49 12.2 SUBFUNCIONES 49 12.3 CONCEPTOS GENERADOS 50 12.3.1 Alternativas de diseño 53 12.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS 54
12.5 ANALISIS DE LOS RESULTADOS 56
12.6 SELECCIÓN DETALLADA DE CONCEPTOS 57
13. TIPO DE ARQUITECTURA 58
13.1 ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 58
13.2 ARQUITECTURA ELECTRONICA 59
13.3 ARQUITECTURA MECANICA 59
13.4 PROCESO QUIMICO 60
13.5 FUNCIONALIDAD DE CADA ELEMENTO FISICO 61
13.6 INTERACCION ENTRE MODULOS 62
14. PROTOTIPADO 63
14.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 63
14.1.1 Especificaciones para el diseño de la planta. 64
14.1.2 Ecuaciones matemáticas a tener en cuenta 65
14.1.3 Calculo de cantidad de salmuera por suavizador 66
14.1.4 Análisis de motobombas 66
14.2 DISEÑO TANQUE DE ARENA 67
14.2.1 Datos obtenidos 68
14.2.2 Prototipo 3D 68
14.3 DISEÑO TANQUE DE CARBON ACTIVADO 69
14.3.1 Datos obtenidos 69
14.4 DISEÑO TANQUE DE SUAVIZADOR 70
14.4.1 Datos obtenidos 72
14.4.2 Prototipo 3D 72
14.5 DISEÑO TANQUE DE SALMUERA 73
14.5.1 Datos obtenidos. 73
14.5.2 Prototipo 3D. 74
14.6 DISEÑO TANQUES DE ALMACENAMIENTO 74
14.6.1 Datos obtenidos 75
14.6.2 Prototipo 3D 75
14.7 DISEÑO TUBERIAS DE LA PLANTA 75
14.7.1 Datos obtenidos. 76 14.7.2 Prototipo 3D 76 14.8 DISEÑO DE COLECTORES 77 14.8.1 Prototipo 3D 77 14.9 PROTOTIPO 3D INSTRUMENTACION 77 14.9.1 Válvulas 77
14.9.1.1 Prototipo 3D Válvulas electrónicas 78
14.9.1.2 Prototipo 3D válvula manual 78
14.9.2 Motobomba 78
14.9.2.1 Prototipo 3D motobomba pre-tratamiento 78
14.9.2.2 Prototipo 3D bomba de alta para osmosis inversa 79 14.10 PROTOTIPO 3D PLANTA PRE-TRATAMIENTO DE AGUA 79
14.11 DISEÑO PLANTA OSMOSIS INVERSA 80
14.11.1 Membranas semipermeables. 82
14.11.2 Carcaza. 83
14.12 PROTOTIPO 3D PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS
INVERSA TOTAL. 83 14.13 PROTOTIPO A ESCALA. 85 14.13.1 Resultados obtenidos 87 15. DISEÑO PLC 88 15.1 OPERACIÓN AUTOMATICA 89 15.2 OPERACIÓN MANUAL 90
15.3 FUNCIONAMIENTO SENSORES. 91
15.4 PROCESO PRE-TRATAMIENTO 92
15.5 INTERFAZ GRAFICA (DATA PANEL) 92
16. DISEÑO PARA MANUFACTURA 94
16.1 SELECCIÓN DE COMPONENTES. 94
16.1.1 Válvulas Motorizadas 94
16.1.2 Bomba Centrifuga 94
16.1.2.1 Calculo de la altura manométrica total 95
16.1.2.2 Calculo de las pérdidas de carga (Pc) 95
16.1.3 Tanques de almacenamiento 95
16.1.4 Lechos filtrantes 95
16.1.5 Tuberías 95
16.1.6 Control y automatización 95
16.1.7 Sensores 95
16.1.8 Planta de osmosis inversa 95
16.2 PARTES IMPLICADAS DEL PROCESO Y SUS RESPECTIVOS
PRECIOS 96
17. RESULTADOS OBTENIDOS 97
18. CONCLUSIONES 101
BIBLIOGRAFIA 103
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Lista de las necesidades del cliente con su importancia 38 Cuadro 2. Lista de necesidad, requerimiento y métricas 39
Cuadro 3. Principales alternativas de diseño 53
Cuadro 4. Método estructurado de matriz de selección 54
Cuadro 5. Selección detallada de conceptos 57
Cuadro 6. Arquitectura del producto 58
Cuadro 7. Funcionalidad y relación de elementos físicos 61 Cuadro 8. Especificaciones para el desarrollo del diseño 64 Cuadro 9. Materiales más usados para los tanques de la planta 65 Cuadro 10. Principales medidas del tanque de arena 67
Cuadro 11. Datos obtenidos del filtro de arena 68
Cuadro 12. Principales medidas del tanque de carbón activado 69 Cuadro 13. Datos obtenidos del filtro de carbón activado 69 Cuadro 14. Principales medidas del tanque de suavizador 70
Cuadro 15. Datos obtenidos del suavizador 72
Cuadro 16. Principales medidas del tanque de salmuera 73 Cuadro 17. Conversión de GPM a LPD para Pre tratamiento 75 Cuadro 18. Conversión de GPM a LPD general de la planta 75 Cuadro 19. Datos obtenidos del análisis las tuberías 76
Cuadro 20. Concepto seleccionado 97
Cuadro 22. Especificaciones de diseño 99
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Difusión de moléculas 23
Figura 2. Difusión con membrana permeable 25
Figura 3. Proceso natural de osmosis 26
Figura 4. Presión Osmótica en proceso de osmosis 27
Figura 5. Fenómeno de Osmosis inversa 28
Figura 6. Pre-tratamiento de osmosis inversa 29
Figura 7. Necesidades Vs. Requerimientos 41
Figura 8. Relaciones de los diferentes requerimientos 42
Figura 9. Benchmarking de las necesidades 43
Figura 10. Benchmarking de los requerimientos 44
Figura 11. Importancia dada a cada necesidad en QFD 45 Figura 12. Porcentajes de los requerimientos de QFD 45 Figura 13. Comparación de Benchmarking de las necesidades 46 Figura 14. Porcentaje que diferentes empresas le dan a las necesidades 48
Figura 15. Benchmarking de los requerimientos 48
Figura 16. Caja negra del sistema 49
Figura 17. Descomposición funcional del sistema 50
Figura 18. Comparación de la evaluación de conceptos 56
Figura 19. Arquitectura electrónica 59
Figura 20. Arquitectura Mecánica 60
Figura 22. Interacción entre módulos de elementos físicos 62
Figura 23. Diferentes prototipos a desarrollar 63
Figura 24. Volumen de un cono 66
Figura 25. Prototipo 3D filtro de arena 68
Figura 26. Prototipo 3D filtro de carbón activado 70
Figura 27. Prototipo 3D suavizador 72
Figura 28. Prototipo 3D tanque salmuera 74
Figura 29. Prototipo 3D tanque almacenamiento 75
Figura 30. Prototipo 3D Tuberías 76
Figura 31. Prototipo 3D Colectores 77
Figura 32. Prototipo 3D Electro-válvulas 78
Figura 33. Prototipo 3D Válvula manual 78
Figura 34. Prototipo 3D Motobomba del proceso 79
Figura 35. Prototipo 3D Motobomba de alta de osmosis inversa 79 Figura 36. Prototipo 3D planta del proceso de pre-tratamiento 80
Figura 37. Esquemático proceso Osmosis inversa 81
Figura 38. Primer prototipo 3D proceso osmosis inversa 81 Figura 39. Segundo prototipo 3D proceso osmosis inversa 82
Figura 40. Prototipo 3D Membrana semipermeable 82
Figura 41. Prototipo 3D carcaza de las membranas semipermeables 83 Figura 42. Prototipo 3D Planta de osmosis inversa 84
Figura 43. Prototipo a escala PLC 85
Figura 44.Prototipo a escala en funcionamiento 86
Figura 46.Prototipo a escala vista isométrica 87 Figura 47. Diagrama de flujo del funcionamiento automático 89 Figura 48. Diagrama de flujo del funcionamiento manual 90 Figura 49. Diagrama de flujo para visualización de los sensores 91 Figura 50. Interfaz gráfica general del Data panel siemens 92 Figura 51. Interfaz gráfica con variación de tiempos 93
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Manual de usuario 105
Anexo B. Características físicas del agua potable 117 Anexo C. Concentración de elementos permitidos en el agua potable 118
Anexo D. Calculo de la altura manométrica total 119
Anexo E. Calculo de las pérdidas de carga (Pc) 120
Anexo F. Características y especificaciones del equipo Osmosis inversa 122 Anexo G. Partes implicadas en el proceso con sus respectivos precios 123
Anexo H. Datasheet sensor de Nivel - CN5R 128
Anexo I. Datasheet sensor de caudal - FS200 129
Anexo J. Datasheet sensor de TDS - MiniChem TDS 131
Anexo K. Datasheet motobomba – CPH 10 133
RESUMEN
Se estudiaron las principales necesidades generadas en el proceso de las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa en la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., con lo cual se realizaron diferentes conceptos que suplían dichas necesidades.
Se analizaron los diferentes conceptos desarrollados, con el fin de escoger el más adecuado para las plantas de osmosis inversa.
Se desarrollaron simulaciones y prototipos para la automatización y desarrollo de las plantas de osmosis inversa, todo esto con el fin de lograr obtener de manera precisa y dinámica un modelo de la planta finalizada, con su respectivo funcionamiento.
Todo el proceso de automatización se realizó por medio de tecnologías y programación PLC y el proceso de diseño por medio de herramientas CAD
Se elaboró un diseño Mecatrónico de las plantas de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de filtrado y tratamiento de agua, para la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., apoyándose en la metodología estructurada aprendida en el curso de diseño mecatrónico de la universidad autónoma de occidente.
INTRODUCCION
Tales de Mileto, un filósofo griego del siglo V a.C., afirmó que el agua era la sustancia original de donde se generaban todas las demás cosas. Hoy en día sabemos que eso no es del todo cierto, pero si sabemos a ciencia cierta que el agua es un elemento vital para el desarrollo de la vida e indispensable en diversos sectores laborales, tales como la agricultura, las industrias, la producción de alimentos y bebidas para el consumo humano, entre muchas otras más.
Actualmente, el papel que cumple el agua en las industrias tiene gran importancia, ya que estas, usan un porcentaje considerable del agua mundial en procesos tales como la refrigeración, evaporación, como disolvente, como complemento para sus productos, como agua potable para el uso diario de los empleados, entre otros. Ahora bien, es necesario tener en cuenta, que para obtener el máximo aprovechamiento del agua en dichos procesos, se debe necesariamente pasar por técnicas de tratamiento y filtración que permiten lograr purificar, potabilizar e incluso modificar características internas del agua a utilizar.
Entre las etapas de tratamiento y filtración de agua más comunes, encontramos filtraciones de arena, filtraciones de carbón activado, suavizadores, procesos de micro-filtración y el proceso de osmosis inversa, siendo este último uno de los medios más empleados actualmente para el tratamiento físico - químico que se le da al agua a nivel industrial.
El tratamiento de osmosis inversa es un proceso de purificación de agua, en el cual se combinan factores como presión y permeabilización con el fin de separar partículas indeseadas del agua, y lograr obtener agua potable, pura y ultra pura, según sea la necesidad. Este proceso tiene grandes aplicaciones industriales y comerciales, entre las más comunes esta la desalinización de agua de mar para convertirla en agua potable, la reducción de sólidos disueltos para la alimentación en procesos con calderas o sistemas de vapor, la separación y eliminación de virus para las industrias farmacéuticas, entre muchas aplicaciones más.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente, se desarrollan diferentes tipos de plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa con distintas capacidades de producción y tecnologías usadas en la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., las plantas más vendidas anteriormente eran los sistemas de osmosis inversa, con una capacidad de producción de agua ultra pura no muy alta y completamente mecánicas; en este momento se desarrollan plantas con diferentes capacidades de producción y con un control semiautomático del proceso, esto quiere decir que algunas etapas del tratamiento se desarrollan automáticamente mientras que otras requieren de los conocimientos de algún operador para su correcto funcionamiento. Hoy por hoy se está en el proceso de desarrollar plantas completamente automatizadas, con el fin de generar competitividad en el mercado nacional e internacional y lograr mayor eficiencia en el proceso.
Existe la necesidad de diseñar un sistema Mecatrónico de plantas de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de pre-tratamiento de agua, completamente automatizado, en donde se aumente la producción de las plantas al máximo, se generen las mayores ganancias posibles y se conciba un sistema capaz de competir en el mercado nacional gracias a su eficiencia y eficacia.
Es importante mencionar que las plantas mecánicas o semiautomáticas desarrolladas actualmente generan una pérdida de tiempo para el operario encargado y una ineficiencia en el proceso para la empresa, es allí donde se hace latente la necesidad de desarrollar plantas completamente automatizadas.
A partir del planteamiento anterior, se genera la pregunta a estudiar y es, ¿Cuál sería un diseño óptimo para una planta de osmosis inversa que aumente la eficiencia y eficacia en el proceso de tratamiento de agua?
2. JUSTIFICACION
La automatización de procesos es una manera de optimizar algún tipo de actividad, donde se busca la realización de una tarea con la mayor productividad posible, el mejor rendimiento y las más altas ganancias a lograr.
Sobre este contexto, lo que se busca con este proyecto es diseñar un sistema que permita automatizar todo el proceso de tratamiento de agua de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de filtración, como lo son filtros de arena, carbón y suavizador, con el fin de optimizar las plantas desarrolladas actualmente por la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., y generar competitividad nacional, máxima producción de las plantas y factores tecnológicos que hagan el proceso más eficiente a la hora de su operación y producción.
A demás es necesario incursionar en las principales necesidades presentes en las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa desarrolladas por la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., y no solamente tener en cuenta el factor tecnológico, sino también factores tan primordiales en el mercado actual, como lo son el medio ambiente, la calidad, los costos y la opinión del cliente.
Es importante aclarar, que existen diferentes procesos industriales que realizan la misma operación que las plantas de osmosis inversa, por lo cual se desea desarrollar un diseño agradable, rentable y competitivo de dicha planta, para que la producción sea la máxima, y los costos invertidos, recuperables en un mediano tiempo.
3. ANTECEDENTES
La osmosis inversa es un proceso que permite concentrar o eliminar contaminación de una solución liquida, normalmente agua, mediante la aplicación de una presión determinada, a través de una o varias membranas semipermeables que separa una solución contaminada de la solución limpia o purificada.
Esta técnica, aplicada al agua permite separar un 95% de las sales y en aguas residuales permite eliminar color, solidos disueltos, carga orgánica, microorganismos, Y concentrar ácidos y bases.
Las principales aplicaciones de la osmosis inversa a nivel industrial, es la desalinización de agua de mar, la obtención de agua pura y ultra pura, el tratamiento de aguas residuales y la potabilización del agua.
Existen diferentes métodos para obtener la desalinización del agua de mar y la obtención de agua pura y ultra pura, la osmosis inversa es el método más usado, pero también se pueden realizar mediante los procesos de micro-filtración, destilación, congelación, evaporación relámpago, destilación repetida, entre otros; los cuales son bastante costosos en términos de energía eléctrica utilizada y no se obtienen los mismos resultados en términos de filtración de partículas.
De acuerdo a los diferentes métodos existentes para la obtención de las mismas aplicaciones de la osmosis inversa, se realiza una descripción de los antecedentes, no solo de las plantas de osmosis inversa actuales, sino también de otros métodos, que tienen una aplicación importante en el campo industrial.
3.1 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL INTERNACIONAL - PURE AQUA, Inc. “water treatment and reverse osmosis systems”
Estados Unidos, CA, Santa Ana.
Pure Aqua, Inc. es una empresa pionera en Estados unidos, en la desalinización del agua de mar, presentan plantas de osmosis inversa de diferentes capacidades de producción, y con tecnología completamente automatizadas.
- AMPAC USA “Advanced water treatment systems”
Estados Unidos, CA, Northridge.
AMPAC, es una empresa con los mejores tratamientos y la más alta calidad de agua procesada, tiene diferentes procesos y plantas de tratamiento de agua, tales como filtros de agua, sistemas de desalinización, osmosis inversa residenciales, comerciales e industriales.
- UNITEK
Argentina, mar de Plata.
Es una compañía que desde 1993 desarrolla proyectos de ingeniería y produce sistemas de alta tecnología para el reúso y tratamiento de aguas. Diseña, fabrica y comercializa equipos con una concepción tecnológica de última generación que permite optimizar las características físicas, químicas o microbiológicas del agua. - LENNTECH “Water treatment solutions”
Holanda, Rotterdam.
Lenntech proporción todo tipo de soluciones a problemas de tratamiento de aguas desde aplicaciones domesticas hasta proyecto llave en mano de plantas industriales de 5000m3/día, incluyendo plantas de osmosis inversa.
3.2 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL NACIONAL - DOBER OSMOTECH de Colombia Ltda.
Colombia, Cali.
Empresa fundada el 22 de noviembre de 1982, con el ánimo de prestar servicio de ventas, Ingeniería, diseño, construcción y asesoría. Inició sus operaciones de importación y venta desde esa fecha.
Desarrolla plantas de tratamiento de agua y de osmosis inversa, para procesos de: calderas, evaporadores, sistemas de enfriamiento cerrados o abiertos, entre otros. Empresa que se destaca por su alto nivel de eficiencia y eficacia en el desarrollo de las plantas de tratamiento de agua y de sus productos químicos para las industrias.
- Ignacio Gómez IHM S.A
Colombia, Bogotá.
Empresa líder en Colombia y en el grupo Andino en la fabricación de motobombas y equipos de presión. Comercializamos motores, plantas de tratamiento de agua, plantas eléctricas y compresores de las más prestigiosas marcas del mundo. Manejamos los más altos estándares de calidad ISO 9001/2000.
3.3 PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA DIFERENTES DEL PROCESO DE OSMOSIS INVERSA
- LENNTECH “Wáter treatment solutions”
Holanda, Rotterdam.
Lenntech proporciona todo tipo de soluciones a problemas de tratamiento de aguas, desde aplicaciones domésticas hasta proyectos llave en mano de plantas industriales. Producción de plantas de micro filtración y destilación.
- ACSA “Aerogeneradores canarios, S.A”
España, islas canarias
Se creó el 23 de diciembre de 1985, con el objetivo inicial de desarrollar su actividad en el campo de la energía eólica de media potencia. También se desarrollan plantas desalinizadoras por medio de membranas.
- AMPAC USA “Advanced water treatment systems”
Estados Unidos, CA, Northridge.
AMPAC, es una empresa con los mejores tratamientos y la más alta calidad de agua procesada de osmosis inversa, también tiene diferentes procesos y plantas de tratamiento de agua, tales como filtros de agua y sistemas de desalinización. - ACQUA MATTER “Agua de calidad”
España, Valencia
Empresa que nace como respuesta a la demanda creciente por consumir agua de calidad de forma práctica y a bajo coste. Es una joven empresa especializada en la investigación y comercialización de equipos de ósmosis inversa, destiladoras y filtros para el tratamiento integral del agua, obteniendo a través de estos sistemas, agua de alta calidad.
- LAMIK S.A
España, Zarautz
Actualmente Lamik es una empresa de Ingeniería del Agua con clara orientación y vocación de dar soluciones a las necesidades que los clientes plantean, siempre en torno al agua con independencia de su procedencia. Se usan procesos de depuración y micro filtraciones para el tratamiento de agua.
4. MARCO TEORICO
Para comprender detalladamente el proceso de osmosis inversa, es necesario entender principios físico-químicos básicos y cada una de las etapas de pre tratamiento del agua.
4.1 SOLVENTE
Sustancia que permite la dispersión de otra en su seno, es la sustancia presente en mayor cantidad de la solución, el solvente más comúnmente usado es el agua. 4.2 SOLUTO
Es la sustancia presente en menos cantidad de la solución (aunque existen excepciones), esta sustancia se encuentra disuelta en un determinado disolvente. 4.3 SOLUCIÓN
Es la mezcla normalmente homogénea de dos o más sustancias. La solución expresa la relación de la cantidad de soluto a la cantidad de solvente.
4.4 DIFUSIÓN
La difusión se refiere al proceso mediante el cual las moléculas se mezclan, como resultado de su energía cinética del movimiento aleatorio. Considere la posibilidad de dos contenedores de gas o líquido A y B separados por un tabique. Las moléculas de ambos gases o líquidos están en constante movimiento y hacen numerosas colisiones con la partición. Si la partición se ha eliminado como en la figura 1, los gases o líquidos se mezclan debido a las velocidades al azar de sus moléculas.
Figura 1. Difusión de moléculas
La tendencia a la difusión es muy fuerte, incluso a temperatura ambiente debido a las altas velocidades moleculares asociadas con la energía térmica de las partículas.
El fenómeno de la difusión molecular conduce finalmente a una concentración completamente uniforme de sustancias a través de una solución que inicialmente pudo haber sido no uniforme.
4.4.1 Tasa de difusión. Como la energía cinética media de los diferentes tipos de moléculas (masas diferentes) que están en equilibrio térmico es el mismo, a continuación, sus velocidades medias son diferentes. Su tasa de difusión promedio se espera dependa de la velocidad promedio, lo que da una tasa de difusión en relación con:
Donde la constante K depende de factores geométricos incluyendo las zonas a través de las cuales la difusión se está produciendo. La tasa de difusión relativa de dos especies moleculares diferentes se da entonces por:
4.4.2 Gradiente de concentración. La diferencia de concentraciones (∆C), es la diferencia entre las concentraciones de dos soluciones diferentes, es decir: ∆C= C2 – C1
La distancia de separación entre las dos soluciones se la llama ∆X, siendo en este caso, el espesor de la membrana, y el gradiente de concentración de difusión, el cual es la relación entre la variación de concentración y la separación de las dos soluciones , es igual a:
Figura 2. Difusión con membrana permeable
4.4.3 Ley de Fick de la difusión. De acuerdo a la figura 2, la ley de Fick nos dice que el flujo de soluto que atraviesa la membrana es proporcional al gradiente de concentración pero en sentido contrario. Todo esto está multiplicado por una constante D llamada constante de difusión o constante de Fick.
4.5 OSMOSIS
La osmosis en un proceso natural donde el solvente, principalmente agua, fluye a través de una membrana semi-permeable, lo que significa que solo deja pasar las moléculas más pequeñas de solvente, de una solución con una baja concentración de sólidos disueltos a una solución con una alta concentración de sólidos disueltos. El solvente, fluye a través de la membrana hasta que la concentración se iguale en ambos lados de la membrana.
Figura 3. Proceso natural de osmosis
Fuente: Transporte de materiales a través de membranas plasmáticas [en línea]. San José (Costa Rica): FisicaZone, 2011. [Consultado el 1 noviembre, 2010]. Disponible en internet: http://fisicazone.com/transporte-de-materiales-a-traves-de-las-membranas-plasmaticas/
La ósmosis es de gran importancia en procesos biológicos, donde el solvente es agua. La energía que impulsa el proceso suele ser discutido en términos de presión osmótica.
4.5.1 Presión osmótica. Esa especie de impulso de la naturaleza que obliga al líquido a pasar de un lado al otro se llama presión osmótica. A la presión osmótica se la simboliza con la letra (PI).El valor de se calcula con la Ecuación de Van't Hoff:
Dónde:
C1 – C2 = Diferencia de concertaciones
R = 0.082 Constante de los gases ideales (litros x atm / Kelvin x Mol) T = Temperatura absoluta (grados Kelvin)
Se puede visualizar fácilmente como interactúa la presión osmótica en el proceso de osmosis, en la figura 4:
Figura 4. Presión Osmótica en proceso de osmosis
Fuente: KUCERA, Jane. Reverse Osmosis. Industrial applications and processes. 1 ed. New Jersey: WILEY, 2010. 383 p.
4.5.2 Medición de la presión osmótica. Un enfoque para la medición de la presión osmótica es medir la cantidad de presión hidrostática necesaria para evitar la transferencia de líquido por ósmosis.
4.6 OSMOSIS INVERSA
La osmosis inversa es el proceso en el cual se aplica una presión mayor a la presión osmótica, esta presión es ejercida en el compartimiento que contiene la más alta concentración de sólidos disueltos. Esta presión obliga al agua a pasar por la membrana semi-permeable en dirección contraria al del proceso natural de osmosis.
Para poder purificar el agua necesitamos llevar a cabo el proceso contrario al de ósmosis convencional, es lo que se conoce como Ósmosis Inversa. Se trata de un proceso con membranas, en el cual se aplica una presión mayor a la presión osmótica, esta presión es ejercida en el compartimiento que contiene la más alta concentración de sólidos disueltos. Esta presión obliga al agua a pasar por la membrana semi-permeable en dirección contraria al del proceso natural de osmosis, dejando las impurezas detrás. La permeabilidad de la membrana puede ser tan pequeña, que prácticamente todas las impurezas, moléculas de la sal, bacterias y los virus, son separados del agua.
Figura 5. Fenómeno de Osmosis inversa
4.6.1 Principio de Operación de la Osmosis inversa. El solvente pasa espontáneamente de una solución menos concentrada a otra más concentrada a través de una membrana semipermeable, pero al aplicar una presión mayor que la presión osmótica a la solución más concentrada, el solvente comenzara a fluir en el sentido inverso, el flujo del solvente depende de:
- Presión aplicada
- Presión Osmótica aparente
- Área de la membrana presurizada
4.6.2 Componentes de la osmosis inversa - Membrana Semi-permeable
- Tubos de Presión conteniendo la membrana - Bomba generadora presión
- Válvulas reguladoras de control - Contenedores del permeado
4.6.3 Características de las membranas semi-permeables. Una membrana semipermeable, también llamada membrana selectivamente permeable, es una membrana que permitirá que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por difusión. El índice del paso de las moléculas depende de la presión ejercida, la concentración de partículas de soluto, la temperatura de las moléculas y la permeabilidad de la membrana para cada soluto.
A las moléculas que logran atravesar la membrana se las conoce como “el permeado” y a las que no lo hacen es las conoce como “el rechazo”.
4.6.4 Características de la osmosis inversa
- Permite remover la mayoría de los sólidos (inorgánicos u orgánicos) disueltos en el agua (99%)
- Remueve los materiales suspendidos y micro-organismos - Proceso de purificación de forma continua
- Tecnología simple, que no requiere de mucho mantenimiento
- Es modular y necesita poco espacio, de acuerdo a los caudales deseados. 4.6.5 Aplicaciones Osmosis inversa
- Abastecimiento de aguas para usos industriales y consumo de población. - Tratamiento de efluentes industriales para el control de la contaminación y
recuperación de compuestos.
- Industria de la alimentación (concentración de alimentos).
- Industria farmacéutica, para la separación de proteínas, eliminación de virus, etc.
- Industria cosmética
- Agua de enjuagado electrónico y galvánico. - Industrias de vidrio.
- Soda y plantas de embotellamiento.
- Agua de alimentación de calderas y sistemas de vapor. - Hospitales y Laboratorios.
- Medioambiente (reciclaje) - Desalinización.
4.7 PROCESO DE PRE-TRATAMIENTO QUE ANTECEDE EL PROCESO DE OSMOSIS INVERSA
Dónde:
o (1). Tanque de almacenamiento de Agua.
o (2). Filtro de arena.
o (3). Filtro de carbón activado.
o (4). Salmuera.
o (5). Suavizador.
4.8 FILTROS DE PRE – TRATAMIENTO DE OSMOSIS INVERSA
Generalmente el proceso de osmosis inversa va acompañado de un pre-tratamiento que tiene como objetivo filtrar el solvente antes de entrar al proceso de osmosis inversa, con el fin de lograr obtener los mejores resultados posibles y garantizar el mejor funcionamiento de las membranas semipermeables, los principales filtros de pre-tratamiento son:
4.8.1 Filtro de sedimentos. Los sedimentos son cualquier partícula que puede ser transportada por un fluido y que se deposita como una capa de partículas sólidas en fondo del agua o líquido, Un filtro de sedimentos actúa como pantalla para remover estas partículas.
4.8.2 Filtro de arena. Son muy efectivos para retener sustancias orgánicas, pues pueden filtrar a través de todo el espesor de arena, acumulando grandes cantidades de contaminantes antes de que sea necesaria su limpieza.
El equipo de filtración de este tipo consta de un solo filtro o de una batería de filtros que funcionan en paralelo. La filtración se lleva a cabo haciendo pasar el líquido a tratar, a través de un lecho de arena de graduación especial. El tamaño promedio de los granos de arena y su distribución han sido escogidos para obtener las distancias mínimas entre granos, sin causar pérdidas de altas presiones.
El agua sin tratar contiene normalmente sólidos en suspensión. Los cuales son indeseables o perjudiciales para uso en aplicaciones industriales o domésticas. Los filtros de arena a presión eliminan las partículas finas y la materia coloidal coagulada previamente.
Las partículas atrapadas en el lecho se desalojan fácilmente invirtiendo el flujo a través de la unidad. Esto hace expandir la arena, limpiándose por acción hidráulica y por fricción de un grano con otro.
4.8.3 Filtro carbón activado. El filtro de carbón funciona por el mismo principio que el filtro de arena, la diferencia radica en los elementos filtrantes y su finalidad. El carbón activado es un material natural que con millones de agujeros
microscópicos que atrae, captura y rompe moléculas de contaminantes presentes. Se diseña normalmente para remover cloro, sabores, olores y demás químicos orgánicos.
Las propiedades de este medio filtrante hacen que las materias orgánicas y las causantes de olores y sabores, al igual que el cloro residual que se encuentra en el agua, sean absorbidas en las superficies del medio filtrante, eliminándolas así del líquido a tratar.
Algunas de sus aplicaciones son:
- Remoción de olores, sabores, cloro residual y materia orgánica de aguas de procesos cuando estas lo requieran.
- Preparación de aguas libres de cloro, sinsabores e inodoras para uso en las industrias de bebidas gaseosas y productos alimenticios.
- Remoción de cloro y materia orgánica de aguas de alimentación para equipos de desmineralización.
- Tratamiento final de aguas negras y aguas de desechos industriales, para remover materia orgánica y olores.
4.8.4 Suavizador. También llamado descalcificadora o ablandador de agua, es un aparato que por medios mecánicos, químicos y/o electrónicos tratan el agua para evitar, minimizar o reducir, los contenidos de sales minerales y sus incrustaciones en las tuberías y depósitos de agua potable.
El equipo de suavización consiste en un solo suavizador o una batería de estos conectados en paralelo. La suavización se lleva a cabo haciendo pasar el agua a través de un lecho de resina para intercambio iónico. Esta resina cuyas moléculas insolubles están formadas por un anión polimérico y un catión de sodio, posee gran afinidad por cationes divalentes (tales como calcio y magnesio) que se encuentran en baja concentración en el agua. Al poner en contacto agua conteniendo cationes de calcio y magnesio (dureza) con la resina, esta intercambia sus cationes de sodio por los de calcio y magnesio, es decir, libera al agua de los cationes responsables de la dureza de esta.
El agua dura seguirá liberándose de los cationes de calcio y magnesio hasta que la resina haya perdido todos sus cationes de sodio y por lo tanto su capacidad de intercambio. La resina, sin embargo, se puede regenerar ya que la reacción es reversible. Esto se obtiene poniéndola en contacto con una solución concentrada de una sal de sodio, cloruro de sodio por ejemplo, ya que esta intercambia los
cationes de calcio y magnesio por los de sodio. El proceso de suavización por intercambio iónico se efectúa en cuatro etapas, así:
Agua dura se hace pasar por la resina hasta que esta haya perdido su poder de intercambio, la resina se lava en contracorriente haciéndola expandir lo suficiente para que libere cualquier solido suspendido que hubiere traído el agua cruda, La resina se regenera hasta recobrar su capacidad original y finalmente se lava para desalojar los productos de la regeneración. El efluente de la primera etapa será agua suavizada la cual se destinara al servicio requerido y el efluente de las otras etapas ira al desagüe.
Las aplicaciones típicas de estos equipos son:
- Suavización de aguas de reposición y alimento para calderas
- Suavización de aguas de proceso especialmente las usadas en equipos para transferencia de calor
- Suavización de aguas usadas en la industria de bebidas y productos alimenticios. - Suavización de aguas para municipalidades, cuando esta se justifique
económicamente.
4.9 NORMAS OFICIALES PARA LA CALIDAD DE AGUA EN COLOMBIA
Los comités técnicos de ICONTEC son los organismos encargados de realizar el estudio de las normas. Están integrados por representantes del gobierno nacional y de los socios, clasificados en los grupos de producción, consumo e interés generales.
Las siguientes normas, tienen por objeto establecer los requisitos físicos, químicos y microbiológicos que debe cumplir el agua potable en Colombia, esta norma se aplica al agua potable de cualquier sistema de abastecimiento.
Se define como agua potable, aquella apta para el consumo humano y que cumple con los requisitos físicos, químicos y microbiológicos establecidos en la norma. 4.9.1 Requisitos características físicas. Ver Anexo B, para poder distinguir las principales características físicas del agua potable, según la norma oficial para la calidad de agua en Colombia.
4.9.2 Requisitos características químicas. Ver Anexo B, para poder distinguir las principales características físicas del agua potable, según la norma oficial para la calidad de agua en Colombia.
4.10 AUTOMATIZACIÓN
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
Parte Operativa Parte Mando
La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada.
La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada).
5. OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL
• Diseñar un sistema Mecatrónico de planta de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de filtrado y tratamiento de agua, para la empresa DOBER OSMOTECH.
5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Identificar las necesidades y restricciones pertinentes para el proceso osmosis inversa para las plantas de DOBER OSMOTECH.
• Desarrollar simulaciones de programación del control e interfaz (HMI) de la planta de osmosis inversa.
• Generar conceptos de diseño que puedan suplir las necesidades establecidas.
• Seleccionar los conceptos más adecuados, para el diseño de plantas de osmosis inversa.
• Generar simulaciones del diseño seleccionado empleando alguna de las herramientas CAD (Solid edge, Solid Works, Working Model, etc.)
• Generar un diseño detallado que incluya planos, manuales, especificaciones y componentes, que hacen parte del dispositivo.
6. PROCESO DE PLANEACION DEL PRODUCTO
6.1 ESTUDIO DE MERCADO
El principal objetivo del proyecto, es diseñar un sistema Mecatrónico capaz automatizar el proceso que realizan las plantas de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de tratamiento de agua preliminares a dicho proceso.
Se desea innovar en el mercado nacional, con un producto de fácil manejo, completamente automatizado, con un sistema de control innovador y con una interfaz amigable para el operario de las plantas.
6.2 SEGMENTO DE MERCADO
Teniendo en cuenta que la segmentación del mercado se basa en un proceso que consiste en dividir el mercado total de un bien o servicio en varios grupos más pequeños e internamente homogéneos, y que uno de los elementos decisivos del éxito de una empresa es su capacidad de segmentar adecuadamente su mercado. Se tienen los siguientes mercados, en donde las plantas de osmosis inversa generarían un servicio y una utilidad.
• DESALINIZACION DE AGUA DE MAR - Hoteles e industrias situadas cerca a mares - Barcos militares y comerciales de gama alta - Industrias de Agua Potable cerca al mar.
• AGUA ULTRA PURA INDUSTRIAL
- Procesos industriales de calderas, sistemas de vapor y baterías - Industrias de Alimentación
- Industrias Farmacéuticas - Industrias cosméticas
- Agua de enjuagado galvánico y electrónico - Industrias de vidrio
• OTROS
- Hospitales y laboratorios
7. PLANTEAMIENTO DE LA MISION
7.1 DESCRIPCION DEL PRODUCTO
Sistema automatizado de planta de osmosis inversa, incluyendo las etapas de pre-tratamiento de agua, las cuales son:
- Filtro de sedimentos - Filtro de Arena
- Filtro de carbón activado - Suavizador
- Filtro membrana de osmosis inversa.
La automatización se desarrolla por medio de algún tipo de controlador automático y la interfaz gráfica por un medio grafico digital, además, se estará constantemente realizando un censado de las variables más relevante en el proceso, tales como presión y nivel.
7.2 PRINCIPALES OBJETIVOS DE MARKETING
• Crear una plataforma de diseño normalizado para el desarrollo y la implementación de plantas de osmosis inversa completamente automatizadas.
• Incursionar en el mercado nacional con plantas de osmosis inversa innovadoras y automáticas, que a su vez sean de fácil uso y mantenimiento.
• Abrir campos de mercado para el desarrollo, tanto de plantas de osmosis inversa para desalinización de agua de mar, como para tratamientos de osmosis inversa para obtención de agua ultra pura a nivel industrial.
• Plantas amigables con el medio ambiente. 7.3 MERCADO PRIMARIO
- Industrias que manejan el agua en sus procesos industriales, tales como alimentación de calderas y sistemas de vapor, industrias licoreras, industrias farmacéuticas.
7.4 MERCADO SECUNDARIO
o Hoteles con generación de agua potable a partir de desalinización de agua de mar.
o Tratamiento de aguas residuales.
o Hospitales y laboratorios clínicos.
7.5 PREMISAS Y RESTRICCIONES
- Sistema con usos en modo manual y automático. - Interfaz gráfica para facilidad de manejo
- Sensores que miden el nivel de agua a la entrada y salida para control del proceso.
- Sistema de control programable en proceso de Osmosis inversa de la planta. - Sistemas de control robustos al ambiente industrial para garantizar su correcto
control.
- Uso de materiales seguros para el buen desarrollo del proceso. 7.6 PARTES IMPLICADAS
Compradores y Usuarios hoteles y barcos de gama alta Industrias
laboratorios y clínicas
Distribuidores y Vendedores
Distribuidores de tanques de almacenamiento de agua Distribuidores de electroválvulas y moto bombas Vendedores de tuberías y accesorios similares Distribuidores de membranas semipermeables
Distribuidores de resinas especiales para suavizador Vendedores de lechos filtrantes
Vendedores de sistemas de control programables y afines Programación de sistemas de control de la planta
Centro de servicio y mantenimiento. Departamento legal.
8. LISTA DE NECESIDADES DEL CLIENTE
Es necesario aclarar que el concepto de osmosis no es fácil de comprender en un medio común y corriente, por lo cual se realizó un análisis de las necesidades requeridas en las plantas de osmosis inversa teniendo en cuenta el punto los puntos de vista y los criterios de ingenieros químicos, técnicos en mantenimiento de plantas de agua e ingenieros usuarios de las plantas en industrias locales.
Cuadro 1. Lista de las necesidades del cliente con su importancia
# Necesidades imp.
1 “Que el proceso se realice solo, sin intervención diaria de operarios” 5 2 “Que haya un medio gráfico en el cual pueda observar y entender el
proceso” 4
3 “Que pueda controlar el proceso en cualquier momento, a través de
un medio grafico” 5
4 “que exista instrumentación necesaria para visualizar el caudal y los
sólidos disueltos del agua tratada”. 4
5 “que exista instrumentación para el control del nivel de los tanque,
para que no se desperdicie agua en el proceso” 4 6 “Que el material de los tanques sea adecuado y resistente para el
proceso” 4
7 “Que el material de las tuberías de agua sea adecuado y resistente
para el proceso” 3
8 “Que sea fácil de usar” 3
9 “Que sea fácil de mantener” 2
10 “Que se pueda usar de modo manual o automático” 4 11 “Que el proceso cumpla con las normas de seguridad industrial” 3 12 “Correcta instrumentación de tuberías, electroválvulas y
motobombas para el buen funcionamiento del proceso” 3 13 “Un buen sistema de desagüe para la salida del agua sucia”. 2 14 “Que exista un manual de instrucciones del funcionamiento de la
plantas y del proceso de osmosis inversa ” 2 15 “Que sea amigable con el medio ambiente” 3
16 “Diseño atractivo y estético” 1
17 “Que me genere un flujo del agua tratada de 13 GPM” 5 18 “Que trabaje con la red eléctrica de la ciudad” 3 La importancia dada a cada necesidad es del 1 al 5, siendo el 5 el valor máximo de importancia y 1 el mínimo.
9. METRICAS Y SUS UNIDADES
Cuadro 2. Lista de necesidad, requerimiento y métricas
Necesidades Requerimientos Métrica imp. Unidad
“Que el proceso se realice solo, sin intervención diaria de operarios” Proceso totalmente automatizado. % del proceso automátic o 0 - 100 %
“Que haya un medio gráfico en el cual pueda observar y entender el proceso”
Interfaz hombre maquina (HMI) para visualización del proceso de Osmosis inversa en tiempo real.
Numero de data panel a implement ar 1 - 5 Data panel
“Que pueda controlar el proceso en cualquier momento, a través de un medio grafico”
Interfaz hombre máquina (HMI) para control del proceso de osmosis inversa. Numero de data panel a implement ar 1 - 5 Data panel
“que exista instrumentación necesaria para visualizar el caudal y los sólidos
disueltos del agua tratada”.
Instrumentación - caudal y solidos disueltos (TDS). Numero de sensores # sensores
“que exista instrumentación para el control del nivel de los tanque, para que no se desperdicie agua en el proceso” Instrumentación sensores de Nivel. Numero de Sensores # Sensores
“Que el material de los tanques sea adecuado y resistente para el proceso”
Material de los contenedores propicio para el proceso de osmosis inversa. Materiales aptos para el proceso lista mate riales (tanq ues) Tipo de Material
“Que el material de las tuberías de agua sea adecuado y resistente para el proceso”
Material de las tuberías propicio para el proceso total de osmosis inversa.
Materiales aptos para el proceso lista mate riales (tube ría) Tipo de Material
“Que sea fácil de usar” Interfaz amigable con el usuario
Que sea
estético Subj. E-B-R-M
“Que sea fácil de mantener” Arquitectura modular Numero
partes # partes
“Que se pueda usar de modo manual o automático”
Sistema que permita el uso de modo manual o automático
Modos de
uso 2
Modos de uso
“Que el proceso cumpla con las normas de seguridad industrial”
Cumplimiento de normas
de seguridad industrial Normas seguridad Lista norm as normas “Correcta instrumentación de tuberías, electroválvulas y motobombas para el buen funcionamiento del
proceso”
Instrumentación adecuada, según las especificaciones el proceso. Numero de instrument os en el proceso # Instrume ntos (tuberías, válvulas y bombas) Un buen sistema de
desagüe para la salida del agua sucia”.
Diseño de ubicación de las tuberías óptimo para el desagüe. N de partes tubería # Partes tuberías “Que exista un manual de
instrucciones del funcionamiento de la plantas y del proceso de osmosis inversa ” Manual de funcionamiento de la planta. N de manuales 1 manuales
“Que sea amigable con el medio ambiente” Cumplimiento de las normas ambientales en Colombia Numero normas Lista norm as. normas
“Diseño atractivo y estético” Fachada llamativa y estética
Que sea
estético Subj. E-B-R-M
“Que me genere un flujo del agua tratada de 13 GPM”
Flujo de permeado de 13
GPM Flujo 13 GPM
“Que trabaje con la red eléctrica de la ciudad”
Funcionamiento con red
electica publica Voltaje 110 Voltios
10. Q.F.D
10.1 NECESIDADES VS. REQUERIMIENTOS.
10.2 RELACION DE LOS REQUERIMIENTOS.
10.3 NECESIDADES CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES.
Figura 9. Benchmarking de las necesidades
A N A L IS IS D E C O M P E T E N C IA A C T U A L P R O D U C T O IH M A M P A C U N IT E K L E N N T E C H P R O D U C T O F U T U R O F A C T O R D E M E J O R A IM P O R T A N C IA G E N E R A L P O R C E N T A J E P O R C E N T A J E D E IM P O R T A N C IA (M a x 1 0 .9 – m in 2 .2 ) NECESIDAD 1 2.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 1.2 6.0 10.9 ///////////////////// NECESIDAD 2 2.0 1.0 2.0 1.0 1.0 3.0 1.2 4.8 8.7 /////////////////// NECESIDAD 3 2.0 1.0 3.0 2.0 2.0 3.0 1.2 6.0 10.9 ///////////////////// NECESIDAD 4 2.0 1.0 1.0 1.0 1.0 2.0 1.0 4.0 7.3 //////////////// NECESIDAD 5 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 2.0 0.8 3.2 5.8 /////////////// NECESIDAD 6 3.0 2.0 3.0 2.0 2.0 2.0 0.8 2.4 4.4 //////////// NECESIDAD 7 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 3.0 5.5 ////////////// NECESIDAD 8 2.0 2.0 1.0 1.0 1.0 2.0 1.0 2.0 3.6 ////// NECESIDAD 9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 3.0 1.4 4.2 7.6 /////////////// NECESIDAD 10 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 1.0 4.0 7.3 /////////////// NECESIDAD 11 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 1.0 3.0 5.5 //////////// NECESIDAD 12 1.0 1.0 2.0 1.0 2.0 3.0 1.4 4.2 7.6 /////////////// NECESIDAD 13 2.0 1.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 2.0 3.6 ////// NECESIDAD 14 2.0 2.0 2.0 3.0 2.0 2.0 1.0 2.0 3.6 ////// NECESIDAD 15 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 3.0 5.5 /////////// NECESIDAD 16 2.0 2.0 3.0 2.0 2.0 3.0 1.2 1.2 2.2 //// NECESIDAD 17 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 0.8 3.0 3.6 /////// NECESIDAD 18 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 0.8 3.0 3.6 ///////
10.4 REQUERIMIENTOS CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES. Figura 10. Benchmarking de los requerimientos
R E Q U E R IM IE N T O 1 R E Q U E R IM IE N T O 2 R E Q U E R IM IE N T O 3 R E Q U E R IM IE N T O 4 R E Q U E R IM IE N T O 5 R E Q U E R IM IE N T O 6 R E Q U E R IM IE N T O 7 R E Q U E R IM IE N T O 8 R E Q U E R IM IE N T O 9 R E Q U E R IM IE N T O 1 0 R E Q U E R IM IE N T O 1 1 R E Q U E R IM IE N T O 1 2 R E Q U E R IM IE N T O 1 3 R E Q U E R IM IE N T O 1 4 R E Q U E R IM IE N T O 1 5 R E Q U E R IM IE N T O 1 6 R E Q U E R IM IE N T O 1 7 R E Q U E R IM IE N T O 1 8
IMPORTANCIA DEL ‘COMO’
2 9 2 .7 1 9 3 .1 3 9 7 .1 2 4 8 .4 1 1 9 .3 1 2 2 .2 2 1 2 .0 1 3 9 .3 3 6 3 .3 2 1 2 .7 2 8 8 .0 1 7 4 .2 1 0 9 .1 1 1 8 .5 2 4 5 .5 1 9 9 .3 1 3 9 .3 1 3 9 .3
PORCENTAJE IMPORTANCIA DEL ‘COMO’ 8 .5 5.6 11 .6 7 .2 3.5 3.6 6.2 4.1 10 .6 6 .2 8.4 5.1 3.2 .53 7.1 5.8 4.2 4.2 PORCENTAJE DE IMPORTANCIA (MAX 11.6 - MIN 3.2) /// /// /// /// /// /// / /// /// /// /// /// /// /// /// /// /// / /// /// /// /// /// // /// // ////// ////// /// // /// /// /// /// /// /// /// /// /// / /// /// /// // /// /// /// /// /// // /// /// /// / /// /// /////// ////// /// /// /// /// /// /// // /// /// /// /// /// /// ACTUAL PRODUCTO 2 2 1 2 3 3 2 2 1 2 3 1 2 2 2 2 2 2 IMH 3 1 1 1 3 2 2 2 1 3 3 1 1 1 2 2 2 3 AMPAC 3 1 2 1 3 3 3 3 1 3 3 2 2 2 2 3 3 2 UNITEK 3 1 1 1 3 2 2 3 1 3 3 2 2 3 2 2 3 3 LENNTECH 3 1 1 1 3 2 2 2 1 3 3 2 2 2 2 2 2 2
11. ANALISIS DE LAS NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS
Por medio de las tablas recopiladas en el proceso de QFD y a través de los datos estadísticos obtenidos, se puede realizar un estudio de las principales necesidades a implementar en el proyecto, así como una comparación detallada de las mayores fortalezas y debilidades de las empresas competidoras.
Figura 11. Importancia dada a cada necesidad en QFD
En la Figura 11. Se logra deducir que:
- El Lograr un proceso completamente automatizado por medio de un sistema de control es muy importante para el proyecto.
- La implementación de un medio físico que permita la visualización del proceso y el control de la salida de agua es importante.
- El material, diseño y las especificaciones requeridas, se deben tener en cuenta para el desarrollo del proyecto.
En la Figura 12. Se logra deducir qué:
- Los requerimientos (1,3), un proceso totalmente automatizado e interfaz HMI son los que mayor peso promediado tiene, lo que hace que sea importante enfocarse más adelante el cómo desarrollar satisfactoriamente estos requerimientos.
- Los requerimientos (2, 4, 9, 10) se enfocan principalmente en la misión de obtener y brindar información al usuario del proceso y de los resultados por medio de HMI, lo cual es importante tener en cuenta para el proyecto.
- Igual que en las necesidades, el diseño a implementar y el material a utilizar, obtuvieron un promedio no muy alto, pero no quiere decir que dejen de ser importantes para la distribución en el mercado.
Es importante mencionar que existen en el mercado mundial una gran cantidad de empresas dedicadas al desarrollo de plantas para el tratamiento de agua de osmosis inversa.
Para poder realizar el Benchmarking, se tuvo en cuenta las principales empresas dedicadas al desarrollo de plantas de osmosis inversa, con la mejor tecnología utilizada actualmente, y que preferiblemente desarrollen plantas semi o completamente automatizadas, con el fin de lograr comparar las principales fortalezas y debilidades, para de esta forma poder entrar en el mercado nacional con innovación y tecnología actual.
Las principales plantas de osmosis inversa que se analizaron para el desarrollo de Benchmarking fueron:
- IHM (Colombia).
Empresa líder en Colombia y en el Grupo Andino en la fabricación de Motobombas y equipos de Presión, comercializamos motores, plantas de tratamiento de agua, plantas eléctricas y compresores de las más prestigiosas marcas del mundo.
- AMPAC USA 1000 GPD.
AMPAC-USA es una de las mejores empresas en Estados Unidos, en relación al desarrollo de plantas para tratamiento de agua, incluyendo plantas de osmosis inversa, y la AMPAC USA 1000 GPD es una de las plantas de osmosis inversa más vendidas por su automatización y capacidad de almacenamiento y producción de agua tratada.
- UNITEK (Argentina).
Compañía que desde 1993 desarrolla proyectos de ingeniería y produce sistemas de alta tecnología para el re-uso y tratamiento de aguas. Diseña, fabrica y comercializa equipos con una concepción tecnológica de última generación que permite optimizar las características físicas, químicas o microbiológicas del agua.
- LENNTECH (Holanda).
Proporciona todo tipo de soluciones a problemas de tratamiento de aguas, desde aplicaciones domésticas hasta proyectos llave en mano de plantas industriales de 5000m3/día.
En la siguiente figura (Figura 14). Se puede observar el total acumulado, de cada una de las plantas analizadas en el benchmarking, con respecto a la importancia de las necesidades, y se puede ver fácilmente, que AMPAC USA, es una competencia relevante a tener en cuenta para las características a desarrollar en el proyecto, ya que es la que mejor suple las necesidades de los usuarios, por lo cual este modelo de planta puede ser fuente de inspiración para el diseño de la planta final a desarrollar.
Figura 14. Porcentaje que las diferentes empresas le dan a las necesidades
Figura 15. Benchmarking de los requerimientos
Por medio de la comparación del benchmarking de los requerimientos, se puede deducir, que la automatización, el material de los tanques y los modos de operación de la planta, son requerimientos vitales para el desarrollo de las plantas de osmosis inversa.
Las plantas de osmosis inversa completamente automatizadas y con HMI no son un factor común en todas las plantas, lo que genera una gran ventaja a la hora de mostrar el producto a desarrollar.
12. GENERACION DE CONCEPTOS
12.1 DESCOMPOSICION FUNCIONAL
A través de las Figuras 16 y 17 se pretende dividir el proceso en funciones y sub funciones más simples, con el fin de lograr describir específicamente cual es la responsabilidad de cada elemento del producto para implementar la función principal.
Figura 16. Caja negra del sistema
La Figura 16 nos muestra la caja negra del sistema, en donde podemos ver una simplificación de lo que se desea hacer con la planta de osmosis inversa, en donde se trabajaran principalmente con energía eléctrica para alimentación de las plantas, tratamiento de agua por medio del proceso químico interno de cada etapa de filtración de las plantas y control del proceso por medio de señales internas o externas al proceso.
12.2 SUBFUNCIONES
La figura 16 es un esquema muy general del proceso de la planta de osmosis inversa, la cual no brinda la suficiente información para profundizar y descomponer el proceso en sub-funciones y sub-conceptos, que permitan entender de manera más detallada el sistema como tal.
Por lo cual se realiza el siguiente gráfico, con el fin de descomponer el sistema en sub-funciones más detalladas, en otras palabras, mostrar el interior de la caja
negra, para entender como manipula el sistema las entradas y concibe las salidas deseadas.
Figura 17. Descomposición funcional del sistema
La línea bordeada significa la materia a utilizar para el proceso, en este caso agua a tratar, la línea punteada son la señales que recibe la planta para controlar el proceso de la planta y toda su instrumentación, y la línea delgada, es la energía que el proceso necesita para el desarrollo total de la planta y su funcionamiento.
12.3 CONCEPTOS GENERADOS
- Almacenar o aceptar Energía Externa
• Combustión aire/combustible
• Aire comprimido(Neumática)
• Energía eléctrica tomada desde una pared
• Energía eléctrica tomada desde una batería
• Energía eléctrica inalámbrica (wiretricity)
• Energía eólica
• Energía hidráulica
• Calentamiento de vapor
- Convertir energía a señales de control
• Controlador Lógico Programable (PLC)
• Micro – Controladores Familia AT89, PIC.
• PC Industrial
- Determinar tiempos de cada etapa
• Relés conectados a diagramas eléctricos
• Contadores internos de PC
• Contadores Internos de PLC
• Contadores Internos de Micro – Controlador
- Servo actuadores para flujo de agua de los tanques
• Válvulas solenoides • Válvulas motorizadas • Válvulas de bola • Válvulas de apriete • Válvulas de mariposa - Extracción de agua • Motobombas Eléctricas
- Almacenar agua de entrada y de salida
• Tanques cilíndricos
• Tanques Cuadrados - Sensor nivel
• Sensores de flotador
• Sensores resistivos de pulsador
• Señores ultrasonido
- Sensor flujo rechazado y aceptado Fluxómetros de pistón • Fluxómetro de paleta • Fluxómetro de elevación - Sensor TDS • TDS Digital
- Mostrar Variables al usuario
• Data Panel
• PC
