INSTITUTO TECNÓLOGICO DE COLIMA
EVALUACIÓN DE REUTILIZACIÓN DEL AGUA DE RECHAZO DE
LA ÓSMOSIS INVERSA
DEPARTAMENTO QUÍMICO LABORATORIO QUÍMICO CICLO 2
CENTRAL TERMOELECTRICA CICLO COMBINADO EL SAUZ
“Un ser humano debería ser capaz de cambiar un pañal, planear una invasión, despiezar un cerdo, ensamblar una barca, diseñar un edificio, escribir un soneto, hacer un balance, levantar una pared, expresarse en otro idioma, remendar un hueso roto, confortar a un moribundo, obedecer órdenes, dar órdenes, cooperar, actuar en solitario, resolver ecuaciones, analizar un nuevo problema, esparcir estiércol, manejar una computadora, cocinar una comida sabrosa, sufrir con entereza y luchar eficientemente. La especialización es para los insectos”
INDICE
Capítulo 1 ... 1
INTRODUCCIÓN ... 2
JUSTIFICACIÓN ... 3
OBJETIVO GENERAL ... 4
OBJETIVOS ESPECIFICOS ... 4
ALCANCES ... 5
Capítulo 2 ... 6
CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN LA QUE SE PARTICIPÓ ... 7
UBICACIÓN GEOGRAFICA ... 8
ORGANIGRAMA CENTRAL TERMOELECTRICA CICLO COMBINADO EL SAUZ... 9
PROBLEMAS A RESOLVER ... 10
Capítulo 3 ... 11
FUNDAMENTO TEÓRICO ... 12
Sistemas de agua ... 12
Tipos de tratamiento de agua ... 13
Agua- problema de la pureza ... 13
Contaminación natural y purificación... 14
Contaminación bacteriológica ... 15
Identificación general cualitativa ... 16
Identificación Cuantitativa General ... 17
Equipos de tratamiento de agua... 25
PROCEDIMIENTOS Y DESCRIBCION DE ACTIVIDADES REALIZADAS ... 52
Capítulo 4 ... 53
RESULTADOS ... 54
Análisis del Evaporador cristalizador ... 54
Análisis del Intercambio Iónico ... 54
Análisis ósmosis inversa de reciclaje... 54
Determinación de los costos de producción de la planta de tratamiento AELSA ... 57
Determinación de los costos de producción de la Osmosis de rechazo AQUAPRO ... 63
Capítulo 5 ... 67
CONCLUSIONES ... 68
RECOMENDACIONES ... 68
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INTRODUCCIÓN
La central “El Sauz”, es una central térmica del tipo de ciclo combinado. Para
obtener la energía calorífica necesaria se emplea combustible diesel o gas natural en el proceso de combustión. El combustible que se emplea más comúnmente es el gas natural por razones económicas.
El gas natural empleado se suministra a la planta a través de una derivación del gasoducto México-Salamanca; ésta derivación entra a una estación de PEMEX (localizada dentro del predio de la central) donde se regula la presión y se mide el flujo, el gas sale de ésta estación con 20.68 bar (300 psi) y se conduce a cada una de las unidades donde nuevamente se regula a 15.16 bar (220 psi), pasando posteriormente al sistema de control de gas de la propia unidad.
En cuanto al uso de combustible diesel, éste se recibe en auto tanques y se almacena en un tanque de 1’700 000 l, suficiente para operar el paquete al 100 % durante aproximadamente 22 h, además, se cuenta con otro tanque de 16’800 000
l, suficiente para 9 días.
La central “El Sauz” cuenta actualmente con dos ciclos, el ciclo uno, el cual está
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JUSTIFICACIÓN
En la central termoeléctrica ciclo combinado “El Sauz” una de las principales materias primas para la generación eléctrica es agua extraída de los pozos localizados dentro y fuera del predio, en los últimos años se ha visto el agotamiento de los mantos acuíferos de la región razón por la cual se ha desarrollado la reutilización del agua de rechazo de la ósmosis inversa para minimizar dicho impacto ambiental y hacer mas eficiente el proceso de tratamiento de agua en la central.
La región donde se encuentra la central “El Sauz” fue declarada desde la década
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OBJETIVO GENERAL
Evaluar la alternativa adecuada para el tratamiento de agua de rechazo de
una ósmosis inversa.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar la mejor alternativa del tratamiento del agua de rechazo
mediante un análisis de costo beneficio
Determinar la mejor alternativa del tratamiento del agua de rechazo
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ALCANCES
Elección de la tecnología mas viable para el tratamiento del agua de rechazo de la ósmosis inversa
Determinación de los costos de producción de la ósmosis de servicio y de rechazo
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CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN LA QUE SE PARTICIPÓ
El proyecto fue elaborado en la Central termoeléctrica ciclo combinado El Sauz localizada en el ejido del Sauz del municipio de Pedro Escobedo Querétaro con dirección: KM 176.5 Autopista Mexico-Queretaro colonia el Sauz. Fig. 1.
En el organigrama de la planta se puede ubicar el área departamento técnico II químico ambiental. Fig. 2.
Específicamente fue realizado en la planta de tratamiento de aguas del departamento técnico químico II del Ciclo 2 que tiene como principal objetivo controlar el proceso de extracción, almacenamiento y purificación del agua necesaria para el Ciclo 2 o en algunas ocasiones también para el Ciclo 1. El agua junto con el combustible son los dos recursos principales para la generación de electricidad pero la primera debe tener un riguroso control ya que si no se eliminan los contaminantes del agua pueden en primer lugar averiar el equipo de generación de electricidad así como las tuberías de trasegado. En segundo lugar los equipos de proceso cuentan con valores de disparo de algunos equipos que son cruciales para el proceso y provocar un paro en la generación.
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UBICACIÓN GEOGRAFICA
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ORGANIGRAMA CENTRAL TERMOELECTRICA CICLO COMBINADO EL SAUZ
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PROBLEMAS A RESOLVER
El método de selección de alternativas más comúnmente utilizado por las agencias gubernamentales federales, estatales y municipales para analizar la deseabilidad de los proyectos de obras publicas es la razón beneficio/costo (B/C) como su nombre lo sugiere, el método de análisis B/C está basado en la razón de los beneficios a los costos asociados con un proyecto particular. Se considera que un proyecto es atractivo cuando los beneficios derivados de su implementación y reducidos por los beneficios negativos esperados exceden sus costos asociados. Por lo tanto, el primer paso en un análisis B/C es determinar cuales de los elementos son beneficios positivos, negativos y costos.
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FUNDAMENTO TEÓRICO
Sistemas de agua
Uno de los principales sistemas de cualquier central generadora de Comisión Federal de Electricidad, lo forman los sistemas de agua.
El agua empleada en las instalaciones tiene varios fines dependiendo el tratamiento químico o físico a que sea sometida.
Los más importantes de estos sistemas de agua son:
A) Sistema de agua cruda.- que inicia desde el pozo mismo hasta el tanque de almacenamiento. Dependiendo la capacidad de la central generadora; estas pueden contar con dos posos mínimo o mas y cuando menos un tanque capacidad calculada arriba del consumo.
B) Red de distribución.- Que inicia a partir del tanque de agua cruda y lo forman todas las líneas de tuberías que alimentan a los demás sistemas de la central.
C) Sistema de desmineralización de agua.- es la planta de tratamiento de agua cruda, se alimenta de la red de distribución y se obtiene después del fenómeno físico de desmineralización, agua en condiciones de ser empleada en la generación de vapor. El vapor que se emplea en el transporte de energía calorífica hacia la turbina de vapor para obtener en esta la energía mecánica necesaria para mover el alternador o generador eléctrico. Es sistema de agua desmineralizada es uno de los de mayor importancia; ya que se puede decir que es el que proporciona una de las “materias primas” para obtener la energía eléctrica.
D) Sistema de circulación.- en las centrales generadoras se llama asi al sistema de enfriamiento principal, conociéndose como principal al sistema de enfriamiento del condensador de vapor de cada turbina.
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- Sistema semicerrado.- como en el caso donde se emplean torres de enfriamiento, el agua pasa más de una vez por el condensador. Dentro de estos sistemas se encuentran las fosas de enfriamiento natural donde el agua pasa y enfría el condensador, regresa a la fosa a enfriarse en forma natural y regresa nuevamente al condensador.
- Sistema abierto.- Cuando la fuente es mar, ríos o lagunas el agua pasa por el condensador sin regresar nuevamente a el.
E) Otros sistemas.- Como por ejemplo el sistema contra incendio, circuito cerrado de enfriamiento, circuito de servicios generales, que también tiene su importancia.
Tipos de tratamiento de agua
Los tipos de tratamiento de agua aplicables a las aguas empleadas en una planta que básicamente se usa para el enfriamiento del condensador principal y a la alimentación a los generadores de vapor, se dividen como sigue.
A) Tratamiento externo.- Llamado así porque todas las reacciones químicas o los equipos de tratamiento, acondicionan el agua antes de ser alimentada al ciclo, este tratamiento externo es aplicable también al agua de enfriamiento al condensador o comúnmente conocido sistema de circulación.
B) Tratamiento interno.- Se refiere a la adición de compuestos químicos al ciclo para evitar la agresividad de los componentes que no se eliminaron en el tratamiento externo o los que se forman debido a las altas temperaturas. Se considera también tratamiento interno al que se le da al circuito cerrado de enfriamiento.
Agua- problema de la pureza
El agua llamado el “solvente universal” disolverá, hasta cierto grado, todo a lo que
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la naturaleza, tiende a encontrar el equilibrio de energía con sus alrededores. Tendera a disolver la cantidad de material requerido para alcanzar la saturación, punto en el cual no podrán disolverse más sólidos. Los contaminantes encontrados en el agua incluyen los gases atmosféricos, minerales y materiales orgánicos de la tierra (algunos naturales y otros hechos por el hombre) además de materiales usados para transportar y almacenar agua.
Contaminación natural y purificación
El agua se evapora de las fuentes superficiales y transpira de la vegetación. El agua evaporada luego es condensada en el aire frio de la atmósfera, disolviendo gases como el dióxido de carbono, y emisiones naturales e industriales como óxidos nítricos y sulfúricos, así como también monóxido de carbono. El pH del agua de lluvia típica es de de 5 a 7. El resultado de la disolución de los gases en el agua es que se vuelve medianamente ácida, lo que es llamado ahora “lluvia ácida”, que pudiera tener un pH bajo como de 4.5.
La humedad atmosférica se condensa en núcleos como partículas de polvo y eventualmente regresa a la superficie terrestre como lluvia, nieve u otra precipitación.
Conforme el agua de la precipitación llega a la superficie terrestre, levanta contaminantes adicionales, como partículas extrañas del aire, esporas, bacterias y emisiones de incontables otras fuentes. La mayoría de las precipitaciones caen en el océano y algo se evapora antes de alcanzar la superficie terrestre. La precipitación que alcanza la superficie terrestre rellena acuíferos subterráneos y fuentes de agua superficiales.
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contribuyen a la disolución del Magnesio, Hierro, Sulfatos y Cloruros. La adición de estos minerales al agua levanta el PH de 7 a 8.5.
Esta agua mineralizada es almacenada naturalmente en formaciones subterráneas, llamadas acuíferos. Estos son la fuente de agua de pozo usada en hogares, industrias y municipalidades. Las aguas superficiales como ríos, lagos y presas, típicamente contienen menos contaminación mineral, pero mantendrán niveles más altos de materia orgánica y partículas. Esto es debido a que el agua no pasó atreves de los diferentes niveles de la corteza terrestre. Ver Fig. 3.
Fig. 3. Ciclo hidrológico
Contaminación bacteriológica
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crecimiento bacteriológico debido a la carga de nutrientes y su estabilidad térmica provee un ambiente controlado. El agua favorece el crecimiento bacteriológico aun con el más mínimo contenido de nutrientes.
No todas las impurezas encontradas en el ciclo hidrológico y colonización de bacterias presentan problemas. Esto depende del uso particular que se vaya a dar al agua y de los requerimientos inherentes. Para poder cuantificar el grado de contaminación cada contaminante específico deberá ser identificado y medido
Identificación general cualitativa
La identificación cualitativa usualmente describe las condiciones físicas obvias del agua entre estas se encuentran:
Turbidez
La turbidez consiste del material fino suspendido en el agua que puede ser orgánico o inorgánico, causando una apariencia de nubosidad. Debido al tamaño tan pequeño de las partículas, la turbidez se sedimentará por gravedad durante un largo periodo de tiempo. La concentración en peso de la materia suspendida no se relaciona directamente con la turbidez debido a que el tamaño y naturaleza de las partículas afectan el paso de la luz. La turbidez, por lo tanto, no es una medición directa de impurezas disueltas o suspendidas; es una indicación del grado de material suspendido en el agua.
Sabor
El sentido del gusto es moderadamente agudo para detectar concentraciones de algunas decimas de ppm hasta cientos de ppm. Sin embargo, frecuentemente no se puede determinar con precisión los contaminantes. Un sabor desagradable puede ser un indicador de alguna contaminación nociva en el agua potable.
Color
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cierta cantidad de contaminantes y puede y puede ser una preocupación estética. El color puede ser comparado visualmente con nuestras calibraciones o soluciones coloreadas de concentraciones conocidas.
Olor
El olfato humano es muy sensible para la detección. Puede detectar olores de concentraciones tan bajas como de ppm. El olfato es útil porque provee una temprana indicación de la contaminación la cual pudiera ser nociva o pudiera reducir la calidad estética del agua.
Identificación Cuantitativa General
Los análisis cuantitativos del agua son más precisos que los análisis cualitativos. En seguida se enlistan los principales análisis disponibles en el tratamiento de agua:
PH
El nivel relativo de acidez o basicidad de una solución es medido por el pH. El pH es una medida de la concentración del ión hidrógeno en el agua, específicamente, el logaritmo negativo (log) de la concentración del ión hidrógeno. El pH es medido en una escala de 0 a 14, Con el pH de 7.0 siendo neutro (esto es, ni ácido ni básico), con igual número de iones hidroxilo (OH-) que de iones hidrógeno (H+). Un pH menor de 7.0 es ácido y un pH mayor de 7 es básico o alcalino.
Cada unidad en la escala está representada por múltiplos de 10. Por lo tanto, un pH de 6.0 es diez veces más ácido que un pH de 7.0, y un pH de 5.0 es 100 veces más ácido que un pH de 7.0. El nivel de pH es crítico para muchas tecnologías de tratamiento de aguas y puede significar el éxito de muchos sistemas de tratamiento de aguas.
Sólidos Totales
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son determinadas gravimétricamente al secar una muestra secando los residuos. En el campo, los sólidos disueltos totales son comúnmente medidos con un medidor de conductividad.
SDT SST
Orgánicos Inorgánicos Orgánicos Inorgánicos
Ácido húmico Iones Algas Suciedad
Taninos Sílice(disuelta) Fungí Óxidos
Pirógenos Sílice(coloidal) Floc
Bacteria
Tabla. 1. Solidos totales
Contaminación iónica
Los iones conducen electricidad. Debido a que el agua tiene una alta resistencia a la corriente eléctrica, la medida de la conductividad eléctrica, o resistividad puede proveer una aproximación muy acertada de la concentración de iones en el agua. La resistividad es descrita en micro Siemens/cm y es medida por un medidor de conductividad. La resistividad es la inversa de la conductividad y es medida con un medidor de resistividad. Las unidades de la resistividad son los megaOhms-cm.
Contaminación microbiológica
Los tipos de contaminación microbiológica pueden ser clasificados en viables o no viables. Los viables son aquellos organismos que pueden proliferar al existir ciertas condiciones específicas. Los no viables son aquellos derivados del rompimiento o lisis de organismos, o son un producto de un organismo viable.
Contaminación Bacteriana
La contaminación bacteriana es expresada como “cuentas totales microbianas viables por ml” o como “unidades formadoras de colonias (UFC) por 100 ml”. Otras
19 Contaminación Pirogénica
Los pirógenos son substancias que producen fiebre en los mamíferos. Los pirógenos son usualmente endotoxinas, compuestos orgánicos que son cubiertos por células bacterianas durante su crecimiento o por el resido de las bacterias muertas. Son química y físicamente estables y no necesariamente son destruidas por las condiciones que matan a las bacterias. Su peso molecular (MW) puede variar generalmente de 800 hasta 200 Daltones (Un Dalton equivales a una unidad de peso molecular). Los pirógenos son cuantificados en unidades de endotoxinas por milímetro.
Carbono orgánico total COT
El carbono orgánico total es una medida de contaminación del material orgánico en el agua. Especificado en mg/l. El COT es una medida directa del material orgánico que es oxidable. Este parámetro es una medida muy fina usada en sistemas de tratamiento de agua muy complejos como los encontrados en la industria electrónica, en donde cualquier micro contaminación puede afectar adversamente la calidad final del producto.
Demanda bioquímica de oxigeno DBO
La demanda bioquímica de oxigeno DBO es una medida de la contaminación del material orgánico en el agua especificado en mg/l. EL DBO es la cantidad de oxigeno disuelto requerido para satisfacer las necesidades metabólicas de los microorganismos aeróbicos en el agua conteniendo material orgánico. La prueba del DBO es llevada acabo en un periodo de 5 días.
Demanda química de oxigeno DQO
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oxigeno disuelto requerido para causar oxidación química de la materia orgánica en el agua. Ambos DQO y DBO son indicadores precisos de salud ambiental de las fuentes superficiales de agua. Son comúnmente usados en el tratamiento de aguas residuales, pero poco comunes en el tratamiento de agua general.
Dureza del agua
La presencia de calcio (Ca+2) y magnesio (Mg+2) en el agua es normalmente conocida como dureza. Es usualmente expresado en gramos por galón (gpg). Los minerales de dureza existen en algún grado, en virtualmente cualquier fuente de agua.
Los problemas creados por la dureza son numerosos. Hasta niveles tan bajos como 5 a 8 mg/l son muy altos para muchos usos. La dureza se presenta en el agua cuando el calcio y/o minerales de magnesio se disuelven en las aguas de pozo subterráneas. La dureza carbonatada y no carbonatada son términos usados para describir la fuente de calcio y magnesio. La dureza carbonatada proviene de piedra caliza dolomítica (carbonatos de calcio y magnesio) mientras que la dureza no carbonatada proviene de sales de cloruros y sulfuros.
Hierro
El hierro, del cual esa formada el 5% de la corteza de la tierra, es un contaminante común del agua. También es uno de los contaminantes más difíciles de remover debido que puede cambiar su estado de valencia. En solución, el hierro se comporta como el calcio y magnesio (o dureza).
Manganeso
21 Sulfatos
Sulfatos (SO4-2) son muy comunes. Se presentan a niveles bajos, crean
problemas solamente en procesos de manufactura muy críticos. A niveles más altos, están asociados con un sabor amargo y un efecto laxante. Muchas sales divalentes sulfato-metálicas son virtualmente insolubles y se precipitan a bajas concentraciones.
Cloruros
Cloruros (Cl-) Son contaminantes frecuentes en el agua. El nivel crítico de cloruros en el agua depende del uso que tenga. A altos niveles, ocasiona un sabor salado y puede interferir con algunos métodos de tratamiento de aguas. Los cloruros también corroen los metales de los sistemas de distribución de agua, incluyendo el acero inoxidable.
Alcalinidad
La alcalinidad es un término genérico usado para describir los carbonatos (CO3-2),
bicarbonatos (HCO3-) e hidróxidos (OH-). Cuando se encuentra presente con la
dureza y ciertos metales pesados, la alcalinidad contribuye a las incrustaciones. La presencia de alcalinidad también aumenta el pH.
Nitratos-Nitritos
Aunque los nitratos (NO3-) y nitritos (NO3-2) pueden estar presentes naturalmente,
su presencia en las fuentes de agua usualmente indican contaminación creada por el hombre. La fuente más común de nitritos y nitratos son desechos de animales, drenaje primario y secundario, químicos industriales y fertilizantes. Niveles excesivos de nitratos son tóxicos para los humanos, especialmente para los niños.
Cloruro y cloraminas
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concentraciones de 0.1 a 2.0 ppm. En solución, el gas cloro se disuelve con el agua para formar el anión hipoclorito (ClO-) y el acido hipocloroso (HClO).
Dióxido de cloro
Este material es generalmente producido en sitio en grandes instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Una reacción entre el cloro y el hipoclorito de sodio y el cloruro de sodio es el método típico de generación.
Sílice
Cada fuente de agua contiene al menos algo de sílice (SiO2). La sílice aparece
naturalmente en niveles entre varios ppm hasta más de 200 ppm. Es el segundo elemento después del carbón, más común en la tierra. Los problemas creados por la sílice están relacionados con la incrustación de boilers y torres de enfriamiento. La química de la sílice es muy compleja. Una característica inusual de la sílice es su solubilidad. A diferencia de la mayoría de los iones, la sílice es menos soluble a temperaturas elevadas.
Aluminio
El aluminio (Al+3) puede presentarse como resultado de la adición de sulfato de aluminio (Al2 (SO4)3), conocido como alud y que se usa como floculante, el
aluminio puede causar incrustaciones en sistemas de enfriamiento y en boilers, así como en sistemas de ósmosis inversa.
Sodio
El ion Sodio (Na+) es naturalmente introducido debido a la disolución de sales como el cloruro de sodio (NaCl), carbonato de sodio (NA2CO3), nitrato de sodio
(Na2NO3) y sulfato de sodio (Na2SO4). Es comúnmente agregado artificialmente al
23 Potasio
El cloruro de potasio (KCl) es similar pero menos común que el cloruro de sodio. Es usado en algunos procesos industriales. El cloro y el potasio es problema solamente cuando es necesaria agua ultra pura.
Fosfato
La mayoría de los fosfatos comúnmente entran a las aguas superficiales siendo arrastrados por fertilizantes y detergentes en los cuales el fosfato es un ingrediente común. También entra por la descomposición de material orgánico. Los fosfatos son utilizados como inhibidores de incrustación en sistemas de boilers. A concentraciones normales no causan problemas a menos que sea necesaria agua ultra pura.
Gases disueltos
Dióxido de carbono
El dióxido de carbono disuelto (CO2) forma acido carbónico (H2CO3), reduciendo el
pH y contribuyendo a la corrosión de las líneas de agua, especialmente las líneas de vapor y condensado.
Oxigeno
El oxigeno disuelto en agua (O2) puede corroer las líneas de agua, boiler e
intercambiadores de calor, pero solamente es soluble hasta 13 partes por millón. Acido sulfhídrico
El famoso olor a huevo es causado por el acido sulfhídrico y puede contribuir a la corrosión en líneas.
Metales pesados
24 Compuestos orgánicos disueltos
La materia orgánica puede encontrarse debido a la descomposición de animales y vegetales y como compuestos sintéticos como lo son los pesticidas.
Encontrados naturalmente
Los taninos y los ácidos húmicos y fólicos son contaminantes naturales. Le restan estética al agua debido al color, pero a menos que se encuentren en contacto con ciertos halógenos, ellos no presentan consecuencias a la salud cuando están en condiciones normales. Bajo condiciones de compuestos halogenados libres (principalmente el cloro libre y el bromuro), ellos forman hidrocarburos clorinados y trihalomentanos (THM´s) los cuales son carcinógenos. Los limites máximos de estos compuestos en sistemas de tratamiento de aguas municipales han sido impuestos por la agencia de protección ambiental EUA.
Sintéticos
Una variedad amplia de compuestos sintéticos que son potencialmente nocivos para la salud humana se encuentran presentes en el agua debido a los químicos usados en la industria y la agricultura. Debido a que estos compuestos no son fácilmente degradables son arrastrados a las fuentes de agua.
Compuestos orgánicos volátiles (COV)
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Equipos de tratamiento de agua
Ósmosis Inversa
Ósmosis natural
Cuando dos soluciones con diferentes concentraciones de minerales disueltos son separados por una membrana semipermeable, el agua fluye desde la solución de menor concentración hacia la solución más concentrada. La Fig. 4 ilustra el aparato que conecta a dos vasos de vidrio con una membrana colocada en la conexión de ambos vasos. El nivel de agua aumenta en el vaso con solución más concentrada y la disolución de esta solución es debida al proceso de ósmosis.
Fig. 4. Aparato usado para demostrar el proceso de ósmosis. Dos vasos conectados a través de una membrana semipermeable.
Introducción a Ósmosis Inversa
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1748. Este científico observo que agua se difundía a través de una piel de cerdo hacia una solución de alcohol. Después de más de 200 años, los investigadores modificaron el proceso de ósmosis descubierto y patentaron el proceso conocido como ósmosis inversa. El proceso de ósmosis inversa permite la purificación de agua contaminada al remover los sólidos disueltos y suspendidos. La ósmosis inversa se ha convertido en un proceso tecnológico clave. Su uso en aplicaciones industriales ha tenido muchos avances desde 1960.
La ósmosis inversa (OI) utiliza membranas de materiales especiales que son selectivas en cuanto a lo que dejan pasar y lo que rechazan. Las membranas de OI dejan pasar el gua muy fácilmente debido a que el agua esta formada por moléculas muy pequeñas, pero rechazan muchos otros contaminantes. Solamente el agua y las moléculas no ionizadas (o no cargadas) son capases de pasar por la membrana. La ósmosis inversa se ha vuelto muy popular para aplicaciones de purificación de agua debido a su habilidad para remover sólidos suspendidos y disueltos sin necesidad de regenerantes químicos.
Los sistemas de ósmosis inversa pueden ser encontrados hoy en un amplio rango de instalaciones: cocinas domesticas, hospitales, refinerías, plantas de generación eléctrica, plantas de semiconductores, barcos, entre otros.
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Fig. 5. Condiciones iníciales para soluciones de 200 y 5000 ppm
Pretratamiento para el proceso de la ósmosis inversa
Este tratamiento tiene como fin acondicionar el agua de alimentación a la ósmosis inversa a las condiciones físico-químicas que debe poseer, con el fin de no perjudicar las membranas que forman parte. Este pretratamiento esta condicionado tanto por las características del agua a tratar como por el tipo de membrana.
En primer lugar se procede a eliminar o retener el material en suspensión mediante los filtros de arena.
A continuación para evitar las incrustaciones en las membranas de carbonato de calcio, sulfato de calcio, sílice u otros, cuando sus valores de concentración se aproximen a los de saturación, se le dosifica un producto inhibidor de la incrustación, esto es un anti-incrustante.
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de las membranas de poliamida ó 5.7 en el caso de las fabricadas con acetato de celulosa o derivados, para evitar que se hidrolice la membrana.
Otro factor que puede alterar el rendimiento y acortar la vida de las membranas son los oxidantes, como por ejemplo, el cloro libre presente en el agua potable de suministro municipal, en el caso de acetato de celulosa se puede tolerar hasta 1 ppm de cloro libre, debido a su resistencia a los oxidantes. Sin embargo en el caso de las membranas de poliamida es necesario eliminar en su totalidad dado su sensibilidad a la degradación por agentes oxidantes.
Y por ultimo, una vez eliminada la materia en suspensión y acondicionada el agua químicamente con las dosificaciones requeridas, se instala un sistema de filtración mediante cartuchos recambiables como medida de seguridad, tanto para proteger la bomba de alta presión como para evitar ensuciamiento y obstrucciones en las membranas. Además, estos filtros de cartuchos realizan la función de cámara de mezcla entre el agua a tratar los productos dosificados.
Algunas de las ventajas al utilizar el sistema de ósmosis inversa son:
-La ósmosis inversa supera a cualquier filtro en el mercado (hasta la ultra filtración) con respecto al tamaño de partículas rechazadas. De hecho, la ósmosis es un filtro molecular su habilidad para rechazar sustancias disueltas depende en el tamaño hidratado de las moléculas o de los iones en solución. Los gases no ionizados y las moléculas orgánicas pequeñas las cuales al no ser hidratadas por moléculas de agua, no son rechazados de manera eficiente por la ósmosis inversa -La ósmosis inversa remueve hasta el 99.9% de impurezas disueltas en el agua sin usar químicos de regeneración.
Algunas de las desventajas de utilizar ósmosis inversa son:
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-La ósmosis inversa rechaza cierto porcentaje del agua de alimentación como concentrado de desecho. Los valores de flujo de rechazo varían dese 15% hasta 40% del agua procesada. Esta cantidad puede ser mayor a la generada por sistemas de intercambio iónico, dependiendo del sistema. En general, mientras más altas concentraciones de sólidos disueltos en el agua de alimentación, mayores ventajas se presentan al usar ósmosis inversa.
La Fig. 6. Compara varios procesos de separación basados en tamaño de partícula y el factor principal que afecta el proceso de separación.
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Tecnología de Ósmosis Inversa de Alta Eficiencia HERO (High Efficiency Reverse Osmosis)
La tecnología HERO Es un proceso basado en la ósmosis inversa, esta especialmente diseñada para aguas de alimentación muy cargadas, Constituidas a menudo por componentes que presentan problemas con el proceso convencional de OI estas aguas son tratadas fácilmente por la tecnología HERO, algunos ejemplos de esos componentes son materiales biológicos, sílice, grasas y aceites. Previniendo efectivamente de que estos componentes sean una causa fundamental del ensuciamiento de membranas.
En un proceso OI, el agua de alimentación de altos Sólidos Disueltos Totales (SDT) es presurizada sobre una membrana semipermeable. Parte del agua de alimentación permea a través de esta membrana y esta contiene Bajos SDT, debido a que las sales son rechazadas por las membranas. La parte restante del agua es designada como rechazo y contiene altos SDT. Así, la operación de OI resulta en un aumento en la concentración de sales en el efluente de rechazo. Las limitaciones cuando se diseña un proceso de OI convencional son las concentraciones naturales de saturación de varias sales que no deben ser excedidos, de otro modo estas sales se precipitaran e incrustan en las membranas de OI. El sílice es el constituyente mas común que limita el proceso y mas comúnmente en las condiciones de 77°F (25°C) y un pH entre 6.5 y 7.5, la solubilidad de la sílice es de 120 ppm, si la sílice en el rechazó excede mas de 120 ppm bajo las condiciones anteriores, ocurrirá una incrustación de las membranas. Así, si el agua de alimentación tiene sílice de 50 ppm, la máxima concentración posible en condiciones normales de una OI convencional puede ser alcanzada en tan solo dos ciclos de concentración. Esto se traduce en una posible recuperación de permeado de aproximadamente 50% del agua de alimentación.
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alcanzadas recuperaciones arriba del 90% en las condiciones que previamente se describieron. La siguiente ilustración Fig. 7. Es una representación grafica del incremento de la solubilidad del sílice con el incremento del pH del agua. Como se puede ver con un pH de 10 en adelante la solubilidad de la sílice se incrementa exponencialmente.
32 Intercambio Iónico
El intercambio iónico es la donación y recepción de iones entre un material de intercambio y un líquido de proceso. Toma lugar conforme el flujo de proceso fluye a través del material de intercambio iónico. Los iones móviles en el material de intercambio iónico son intercambiados por los iones del líquido de proceso. Para aplicaciones de tratamiento de agua, el material de intercambio iónico es la resina y el líquido de proceso es el agua.
Fig. 8. Resinas de intercambio iónico
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Fig. 9 Columna de intercambio iónico
El intercambio iónico (IX) es el método tradicional para suavización y para la remoción de sólidos disueltos a niveles de concentraciones de partes por billón en aplicaciones de alta pureza de tratamiento de agua. Compite con los sistemas de ósmosis inversa para la tarea de ser “desionizadores de trabajo” (o
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de los sólidos disueltos, 95 a 99.9 %. El resto de la remoción es con el “demineralizador-pulidor”.
El pulido por lecho mixto, como su propio nombre lo indica, consiste en una columna cargada con un lecho de resina catiónica y aniónica mezcladas entre si.
El efecto resultante equivale a un proceso de infinitas etapas de intercambio catión-anión de forma que se eliminan prácticamente todas las trazas de sosa cáustica y sílice que puedan fugarse de una cadena de desmineralización, o en nuestro caso, la baja concentración de sales que pueda contener el agua producto de una ósmosis inversa.
El proceso de funcionamiento de las resinas es el siguiente.
La acción de intercambio de la resina catiónica fuerte se concreta en la sustitución de los cationes presentes en el agua a tratar por iones hidrogeno, obteniéndose un efluente que presenta el total de sales previas convertidas en su forma acida, acido sulfúrico, nítrico, clorhídrico y carbónico, descomponiéndose este ultimo en su anhídrido correspondiente, de acuerdo a las siguientes relaciones:
El agua efluente descationizada, entra en contacto a continuación con la resina aniónica fuerte, cuyo principio de trabajo consiste en la retención de los ácidos fuertes tales como el sulfúrico, nítrico y clorhídrico provenientes de la etapa anterior, además de los aniones de carácter débil, como el CO2 y la sílice, según
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De esa manera, el agua obtenida a la salida de la instalación presenta una ínfima parte de las sales originales, fruto de la fuga residual de sosa caustica que se mantiene a lo largo del proceso de desmineralización, así como trazas de sílice. Una vez agotada la capacidad de intercambio de las resinas y finalizado el ciclo de depuración, se procede a la regeneración de las mismas de forma que se invierte el sentido de las reacciones anteriores, dejando las resinas de nuevo en condiciones de iniciar el proceso de desmineralización.
En el caso de la resina cationica, la regeneración se consigue mediante una solución de ácido clorhídrico o sulfúrico al 4%.
Para la resina anionica, la regeneración se consigue mediante una solución de sosa caustica al 4%.
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retenida a lo largo del ciclo de depuración, favoreciendo al mismo tiempo el contacto con la solución regenerante y la resina agotada.
A continuación se introducen los reactivos para la regeneración, seguido de un primer lavado con el fin de asegurar el desplazamiento del reactivo empleado durante el proceso de regeneración y que ha quedado en contacto con la resina. Por último antes de su reposición a servicio se procede a mezclarla de nuevo la resina mediante una corriente de aire y posteriormente se lleva acabo un enjuague final hasta que se consiga la calidad mínima requerida en el agua desmineralizada.
Varios tipos de resinas de intercambio iónico están disponibles para el tratamiento de aguas de proceso. La selección de la resina de intercambio iónico para una aplicación en particular estará basada en el análisis y el objeto de tratamiento: deionización (desmineralización), suavización, de alcalinización o remoción de materia orgánica. También existen numerosas configuraciones de recipientes de presión son comparadas para determinar la unidad de intercambio iónico mas apropiada para la aplicación.
Fig. 10. Grupos funcionales en las partículas de intercambio iónico.
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resinas de diferentes calidades. Existen cuatro tipos principales de resinas usadas en el intercambio iónico: catiónica ácida fuerte (CAF), aniónica básica fuerte (ABF), catiónica acida débil (CAD) y aniónica básica débil (ABD). Cada tipo de resina consiste en una matriz copolimérica. Para ser capaz de intercambiar iones, La matriz copolimérica debe de tener agregados grupos funcionales. Si cuando se crea la matriz no posee grupos funcionales, estos deberán ser agregados en el proceso separado llamado activación.
Conforme el agua de proceso pasa a través de la cama de resina de intercambio iónico, los iones en el agua de proceso encuentran a las partículas individuales de la resina. EL intercambio iónico toma lugar en los grupos funcionales localizados en la superficie y en todo el interior de cada partícula de la resina, como se muestra en la fig. 10.
Evaporación
En la evaporación Se elimina el vapor formado por la ebullición de un solución liquida de la que se obtiene una solución mas concentrada. En la gran mayoría de los casos, la operación unitaria de evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.
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Factores de proceso
Las propiedades físicas y químicas de la solución que se esta concentrando y el vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso. A continuación se analizan algunas propiedades que afectan a los métodos de procesamiento.
1.- Concentración en el líquido
Por lo general, la alimentación liquida a un evaporador es bastante diluida, por lo que su viscosidad, bastante baja, es similar a la del agua y se opera con coeficientes de transferencia de calor bastante altos. A medida que se verifica la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede elevarse notablemente, causando una marcada disminución en el coeficiente transferencia de calor. Se requiere entonces una circulación o turbulencia adecuada para evitar que el coeficiente se reduzca demasiado.
2.- Solubilidad
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Fig. 11. Curvas de solubilidad en agua de algunas sales típicas
3. Sensibilidad térmica de los materiales
Muchos productos en especial los alimentos y otros materiales biológicos, son sensibles a la temperatura y se degradan cuando esta sube o el calentamiento es prolongado. Entre ellos están los materiales farmacéuticos; productos alimenticios como leche, jugo de naranja y extractos vegetales; y materiales químicos orgánicos delicados. La cantidad de degradación esta en función de la temperatura.
4 .Formación de espumas
En algunos casos, los materiales constituidos por soluciones causticas, soluciones de alimentos como leche descremada y algunas soluciones de ácidos grasos, forman espuma durante la ebullición, esta espuma es arrastrada por el evaporador y puede producir perdidas del material.
5. Presión y temperatura
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a medida que aumente la concentración del material disuelto por la acción de la evaporación. Este fenómeno se llama elevación del punto de ebullición. Para mantener un nivel bajo la temperatura de los materiales termosensibles suele ser necesario operar a presiones inferiores a 1 atm, esto es, al vacio.
6. Formaciones de incrustaciones y materiales de construcción
Algunas soluciones depositan materiales sólidos llamados incrustaciones sobre las superficies de calentamiento. Estas incrustaciones se forman a causa de los productos de descomposición o por disminución de la solubilidad. El resultado es la reducción del coeficiente de transferencia de calor, lo que obliga a limpiar el evaporador. La selección de los materiales de construcción del evaporador tiene importancia en la prevención de la corrosión.
Tipos generales de evaporadores
La evaporación consiste en la adición de calor a una solución para evaporar el disolvente que, por lo general, es agua. Usualmente, el calor es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de agua) en contacto con un superficie metálica, con el liquido del otro lado de dicha superficie. El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido; a continuación se analizan los tipos generales del equipo.
1. Marmita abierta o artesa
41 2. Evaporador de tubos horizontales con circulación natural.
En la fig. 12. a) se muestra un evaporador de tubos horizontales con circulación natural. El banco horizontal de tubos de calentamiento es similar al banco de tubos de un intercambiador de calor. El vapor de agua entra en los tubos y se condensa; el condensado sale por otro extremo de los tubos. La solución a ebullición esta por fuera de ellos. El vapor se desprende de las superficie liquida; después, casi siempre se hace pasar por dispositivos tipo deflector para impedir el arrastre de gotas de liquido y sale por la parte superior. Este equipo, relativamente económico, puede usarse para líquidos no viscosos con altos coeficientes de transferencia de calor y para líquidos que no formen incrustaciones. Puesto que la circulación del líquido no es muy buena, son poco adecuados para materiales viscosos. Este evaporador opera con régimen continuo, con alimentación a velocidad constante y salida de concentrado a velocidad constante.
3. Evaporador vertical con circulación natural.
En este tipo de evaporador se usan tobos verticales en lugar de horizontales y el liquido esta dentro de los tubos, por lo que el vapor se condensa en el exterior. Debido a ebullición y a la disminución de la densidad, el liquido se eleva en los tubos por circulación natural, tal como se muestra en la fig. 12 b) y fluye hacia abajo a través de un espacio central abierto grande, o bajada. Esta circulación natural aumenta el coeficiente de transferencia de calor. No es útil con líquidos viscosos; este equipo se llama con frecuencia evaporador de tubos cortos; una variación de este modelo es el evaporador de canasta difiere del evaporador vertical de circulación natural, pues este tiene un espacio central en ves del anular como bajada; este tipo se usa con frecuencia en las industrias del azúcar, la sal y la sosa caustica.
4. Evaporador vertical de tubos largos
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largos como el de la fig. 12. c), el liquido esta en el interior de los tubos. Estos miden de 3 a 10 m de alto, lo que ayuda a obtener velocidades de líquido muy altas. Por lo general, el liquido pasa por los tubos una sola vez y no se re circula. Los tiempos de contacto suelen ser bastante breves en este modelo; en algunos casos, como cuando la relación entre la velocidad de alimentación y la velocidad de evaporación es baja, puede emplearse la recirculación natural del producto a través del evaporador, añadiendo una conexión de tubería entre la salida del concentrado y la línea de alimentación. Este es un método muy común en la producción de leche condesada.
Fig. 12. Diferentes tipos de evaporadores: a) de tubos horizontales, b) de tubos verticales. c) de tubos largos verticales, d) de circulación forzada
5. Evaporador de caída de película
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paredes en forma de película delgada. Por lo general, la separación de vapor y líquido se efectúa en el fondo, este modelo se usa mucho para la concentración de materiales sensibles al calor, como jugo de naranja y otros zumos de frutas, debido a que el tiempo de retención es bastante bajo (entre 5 y 10 seg.) y el coeficiente de transferencia de calor es alto.
6. Evaporador de circulación forzada
El coeficiente de transferencia de calor de la película liquida puede aumentarse por bombeo provocando un circulación forzada del liquido en el interior de los tubos. Para esto se emplea un modelo de tubos verticales largos de la fig. 12. c) añadiendo una tubería conectada entre las líneas de salida del concentrado y la alimentación. Sin embargo, los tubos de un evaporador de circulación forzada suelen ser más cortos que los tubos largos, tal como se ilustra en la fig. 12. d), además, en otros casos se usa un intercambiador de calor horizontal externo e independiente. Este modelo es muy útil para líquidos viscosos.
7. Evaporador de película agitada
44 8. Evaporador solar de artesa abierta
Un proceso muy antiguo pero que todavía se usa es la evaporación solar en artesas abiertas, el agua salina se introduce en artesas o bateas abiertas y de poca profundidad y se deja evaporar lentamente al sol hasta que cristalice.
Bases de partida
La planta se ha diseñado de acuerdo con lo parámetros expresados en la especificación ESP-4501-026-0001 emitida por AELSA.
El criterio básico de esta instalación es el diseño de una planta que aporte agua en cantidad y calidad suficiente a las necesidades de la Central Ciclo Combinado El Sauz.
Los caudales de diseño de esta instalación son los siguientes. Unidad de filtración de agua bruta
Caudal 32 m3/h
Unidad de ósmosis inversa (Dos cadenas al 50%)
Caudal de entrada 2 X 14 m3/h Caudal de agua osmotizada 2 X 10.5 m3/h Caudal de rechazo 2 X 2.5 m3/h
Unidad de desmineralización
Caudal neto 20 m3/h
Unidad de agua potable
Caudal 1 m3/h
Evaporador-Cristalizador
Caudal de efluente a tratar 10 m3/h
Características del agua
Las características del agua a tratar serán las definidas en la tabla 2. Se muestra a continuación.
45 Análisis de agua cruda
Parámetro (unidad ) M-4 pozo 4 M-2 poso 4
Temperatura en el sitio (°C) 27.8 27.8
Conductividad en el sitio(µS/cm) --- ---
pH en el sitio(unidades de pH) 7.8 7.1
Bióxido de carbono CO2 en el sitio (mg/L) 1.6 1.4
Oxigeno disuelto O2 en el sitio (mg/L)
Temperatura (°C) 22.3 22.87
Conductividad (µS/cm) 170 266
pH (unidades de pH) 7.77 7.85
Color (Upt/Co) 0 0
Turbiedad (UTN) 0.7 0.58
Sólidos suspendidos fijos (mg/L) 5 6
Sólidos suspendidos volátiles (mg/L) 5 1
Sólidos suspendidos totales (mg/L) 10 7
Carbonatos Co3 =(mg/L) 0.0 0.0
Bicarbonatos HCo3 -(mg/L) 222.89 241.29
Alcalinidad como CaCO3(FEN) (mg/L) 0.0 0.0
Alcalinidad como CaCO3(AM) (mg/L) 197.7 197.7
Alcalinidad total como CaCO3 (mg/L) 197.7 197.7
Cloruros Cl- (mg/L) 3.85 3.85
Sulfatos SO4=(mg/L) 0.58 0.53
Nitratos NO3- (mg/L) 5.25 5.36
Fluoruros F-(mg/L) 0.32 0.40
Ortofosfatos PO43-(mg/L) 0.17 0.010
Sólidos disueltos totales (mg/L) 275.22 276.08
Arenas(mg/L) 1.778 3.023
Demanda química de Ox. (mg/L) 0.776 2.33
Fenoles (mg/L) 0.0 0.0
Nitrógeno Kendal (mg/L) <0.27 0.137
Sulfuros (mg/L) (mg/L) 0.0 0.0
Detergentes (mg/L) 0.0 0.0
Grasa y acetites (mg/L) 0.0 0.0
Sodio Na (mg/L) 33 33
Potasio K (mg/L) 9 9
Calcio Ca (mg/L) 14 12
Magnesio Mg (mg/L) 5 5
Dureza total (mg/L) 55.6 50.6
Fierro Fe (mg/L) 0.1 0.1
Manganeso (mg/L) <0.05 <0.05
Sílice SiO2 (mg/L) 85.60 81.32
Cobre (mg/L) <0.05 <0.05
Zinc (mg/L) 0.02 0.02
Arsénico (mg/L) 0.031 0.016
Cadmio (mg/L) <0.00005 <0.00005
Cromo (mg/L) 0.004 0.002
Plomo (mg/L) 0.004 <0.002
Mercurio (mg/L) 0.0024 0.0037
Coliformes totales (UFC/100mL) INC INC
Coliformes fecales (UFC/100mL) 0 0
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Caracterización del agua desmineralizada
Sólidos disueltos totales 0.05 ppm
Dureza total (CaCO3) 0.0 ppm
Sílice (SiO2) 0.01 ppm
Dióxido de Carbono 0.00 ppm
Conductividad 0.2 µS/cm
Hierro 0.01 ppm
Cobre 0.01 ppm
Tabla 3. Características del agua desmineralizada
Descripción de la instalación de la planta de tratamiento de aguas de la Central Termoeléctrica Ciclo Combinado El Sauz
La instalación de tratamiento se compone de las siguientes unidades que serán descritas individualmente con mayor detalle en los siguientes subapartados.
1. Un sistema de filtrado de agua cruda. 2. Una unidad de ósmosis inversa. 3. Una columna descarbonatadora.
4. Un equipo de desmineralización por lecho mixto.
5. Una fosa de desmineralización y una de balance de efluentes.
6. Equipamiento de dosificación para regeneración del lecho mixto y neutralización de efluentes.
7. Un equipo de filtración y cloración de agua potable.
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Filtración de agua cruda
El agua cruda se toma de los tanques de almacenamiento de agua de servicio y contra incendio (TK-5103-A/B) y es trasegada por medio de dos bombas centrifugas horizontales (BC-5002-A/B) (1+1 en reserva) a los filtros de arena (FR-5051-A/B) a razón de 32 m3/h
Los dos filtros de arena trabajan en paralelo, salvo en las operación es de lavado en que todo el caudal pasa por uno de ellos, los filtros se han diseñado con un diámetro 1.84 m y una capacidad de tratamiento de 16 m3/h
El agua una vez tratada en los filtros será conducida hasta el tanque de almacenamiento de agua filtrada (TK-5104).
Los filtros están dotados en su frontal de una batería de válvulas automáticas provistas de actuadores neumáticos, para la automatización de sus secuencias de funcionamiento.
Unidad de osmosis inversa
El agua una vez filtrada se trasegara desde el tanque de almacenamiento de agua filtrada hasta la unidad de osmosis inversa, por medio de dos bombas centrifugas horizontales (BC-5003-A/B) (1+1 reserva) a razón de 28 m3/h.
Previo a la entrada del agua en le unidad de ósmosis inversa, se filtrara mediante dos filtros de cartuchos (FR-5054-A/B), diseñados para trabajar en paralelo con una capacidad máxima de tratamiento de 28 m3/h cada uno, disponiendo en su interior un conjunto de cartuchos con paso de malla de 5µm. Conectado entre la entrada a los filtros y su salida se dispondrá de un presostato diferencial (PDSH-5053) con indicación de alarma cuando el grado de ensuciamiento llegue al de consigna, indicando la necesidad de sustitución de los cartuchos colmados.
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primera indicara la alarma por necesidad de reposición de producto, la segunda indicara la alarma por nivel muy bajo de producto y enclavara a las bombas dosificadoras no permitiendo su arranque o parándolas si están en condición de marcha. Como seguridad adicional se dispondrá de un interruptor de caudal con la bomba dosificadora en marcha.
La unidad de ósmosis inversa se compondrá de dos módulos (OI-5077-A/B) con funcionamiento independiente y una capacidad de tratamiento de 10.5 m3/h netos de permeado por cadena.
Se instalaran tres bombas de presión (BC 5006-A/B), una para cada modulo de ósmosis inversa y una en reserva común, encargadas de alimentar a los módulos al caudal y presión requeridos para su correcto funcionamiento. Las bombas estarán controladas, mediante un regulador de frecuencia, por el caudal de agua de alimentación a cada modulo (FT5060 y FT5061-A) y por el caudal de agua tratada (permeado) (FT-5067 y FT-5061B) de forma que mantengan el caudal de consigna de tratamiento de las diversas faces de funcionamiento a además este control indicara la necesidad de lavado de las membranas cuando no se alcance el caudal de tratamiento a una frecuencia de consigna.
Cada uno de los módulos estará compuesto por diez membranas de alto rendimiento de tipo espiral distribuidas en dos colectores de presión.
El agua tratada (permeado) se enviara a la columna descarbonatadora (TO-5001), mientras que el concentrado salino producido se dirigirá por gravedad a las fosas de balance (CO5002).
Se instalara un sistema de lavado común a ambos módulos; el lavado se realizara con la misma bomba de presión de cada una de las cadenas ajustando sus condiciones de funcionamiento de modo automático por medio de un variador de frecuencia; el tanque de lavado dispondrá de control de nivel y temperatura.
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Columna Descarbonatadora
El agua osmotizada (permeado) producida por los módulos de ósmosis inversa se enviara a la columna descarbonatadora (TO-5001) para eliminar el CO2 presente
en la misma.
En la columna descarbonatadora de agua osmotizada entra el colector de distribución, situado en la zona superior de la columna y provisto de difusores encargados de pulverizar sobre un relleno de anillos, de forma que descienda en forma de una lamina fina sobre una gran superficie en la que se pone en contacto con aire ascendiente. Se instalaran dos ventiladores (SP-514-A/B) para la producción de corriente de aire requerida, funcionando uno o dos según los módulos de ósmosis inversa que estén operando en cada momento.
El agua desgasificada será recogida en un deposito inferior que estará dotado de control de nivel, el nivel de este depósito actuará sobre la ósmosis inversa y sobre las bombas de alimentación a la unidad de desmineralización.
Equipo de desmineralización de agua
Desde la columna descarbonatadora (TO-5001), el agua osmotizada y desgasificada es impulsada por medio de dos bombas centrifugas horizontales (BC-5004-A/B) (1+1 reserva) a la columna de lecho mixto de resinas de intercambio iónico (LM-5129) y una vez desmineralizada prosigue de la columna al tanque de almacenamiento de agua desmineralizada (TK-5105) a razón de 21 m3/h.
La columna de intercambio iónico de lecho mixto se ha diseñado para una capacidad de tratamiento de 20 m3/h netos con un periodo mixto entre ciclos de regeneración en las condiciones de diseño de 144 h. para ello dispone en su interior de un lecho mixto formado por dos tipos de resina de intercambio iónico, uno de tipo catiónica fuerte y uno de tipo aniónica fuerte, mezcladas en la operación normal de trabajo.
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Fosas de neutralización y Balance de efluentes.
Todos los efluentes generados en la planta de tratamiento de agua y los drenajes químicos procedentes de otras instalaciones de la central, se enviaran a la fosa de balance (CO-5002), para su almacenamiento y homogenización; desde esta fosa una ves homogenizados se trasiegan por medio de las bombas centrifugas verticales (BC-5015-A/B), una en reserva, al evaporador-cristalizador para su deshidratación.
Equipos de dosificación de acido y sosa
Para proporcionar el acido sulfúrico y la sosa caustica, necesarios para la regeneración de la columna de lecho mixto y la neutralización de los efluentes de esta, se dispone de dos equipos de dosificación uno para cada producto, instalados en cubetas de seguridad. A continuación se describe cada uno de ellos. Equipo de dosificación de acido sulfúrico
Está compuesto por un tanque de almacenamiento de producto (TK-5156), dos bombas dosificadoras de regeneración de columna de lecho mixto (BD-5156-A/B,) una reserva y dos bombas dosificadoras a neutralización de efluentes (BD-5157-A/B), en reserva.
Equipo de dosificación de sosa caustica.
Está compuesto por un tanque de almacenamiento del producto (TK-5154), dos bombas dosificadoras a regeneración de columna de lecho mixto (BD-5154-A/B), una en reserva y dos bombas dosificadoras de neutralización de efluentes (BD-5158-A/B), una en reserva.
Filtración y cloración de agua potable
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en paralelo y dos filtros de carbón activado (FR-5053-A/B) diseñados para trabajar en paralelo. Además se dispone de un grupo de dosificación de hipoclorito de sódio, formado por el tanque de almacenamiento (TK-5116) del que se alimentan las bombas dosificadoras (BD-5160-A/B), una en reserva, encargada de dosificar el producto al recolector de distribución por medio de un mezclador estático. Para controlar la dosis de hipoclorito a inyectar se dispone de un analizador de cloro (AIT-5056).
Evaporador-Cristalizador
Los efluentes producidos por la planta de tratamiento de agua y sistemas auxiliares son impulsados desde la fosa de balance hasta el tanque de recepción de vertidos (Tk-5201) perteneciente al equipo de evaporación por medio de las bombas centrifugas verticales (BC-5015-A/B), una en reserva. En este equipo los efluentes son evaporados en una serie de efectos, obteniéndose por un lado agua evaporada de buena calidad que se recircula al tanque da agua filtrada (TK-5104) y por otro de una salmuera altamente concentrada en sales. La salmuera obtenida se envía a un concentrador donde se efectúa una nueva concentración obteniéndose un concentrado que se envía a las balsas de almacenamiento para su posterior gestión exterior.
El evaporador que se describe es de tipo múltiple efecto bajo vacio con tres efectos de tipo hilo caído y un cuarto efecto tipo inundado con circulación forzada ascendente y rompe espumas superior. Además incorpora un concentrador de tipo atmosférico con camisa de vapor y agitador que actúa como elemento de finalización.
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PROCEDIMIENTOS Y DESCRIBCION DE ACTIVIDADES REALIZADAS
a) Búsqueda de información bibliográfica
Consistió en una investigación bibliográfica (en libros e Internet) con motivo de obtener datos generales que sirvan para el proyecto; así como también identificar los libros mas adecuados para tal fin.
b) Recolección de información en la planta
Se realizó una recopilación de información de la planta que sirvió para lograr los objetivos, como planos existentes, manuales internos. También se asistió a los curso de adiestramiento de los operadores de la planta de tratamiento.
c) Evaluación y discriminación de las posibles tecnologías aplicables para el tratamiento de agua de rechazo
Consistió en hacer un análisis de las características de operación de cada una de las tecnologías disponibles para así poder hacer una discriminación y determinar la propuesta más viable para las características del proceso de la planta.
d) Determinación de los costos de producción de la osmosis de servicio AELSA y de la osmosis de rechazo AQUAPRO
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RESULTADOS
Análisis del Evaporador cristalizador
Cuando se instalo el paquete del ciclo 2 de la Central Termoeléctrica Ciclo Combinado el Sauz incluía un sistema de evaporación para tratar el agua de circulación para no generar derrames el cual no se pone en funcionamiento debido a un mal calculo de diseño ya que el ciclo 2 ni la central completa cuentan con la capacidad para que este pueda operar, además que el efluente de salida del evaporador sale a 60°C el cual es dirigido al tanque de agua filtrada de donde procede el agua que va hacia la osmosis inversa de servicio y debido a que esta tiene una temperatura máxima de operación de 40°C utilizar el efluente del Evaporizado-Cristalizador dañaría las membranas del sistema de osmosis de servicio debido a esto se descarta la posibilidad de utilizar dicho evaporador para tratar el agua de rechazo de la osmosis inversa.
Análisis del Intercambio Iónico
La utilización de resinas de intercambio iónico para el tratamiento del agua de rechazo generaría en primer demasiadas regeneraciones de las camas debido a que como esta agua se encuentra saturada esto agotaría demasiado rápido las resinas, lo cual se interpretaría en mucho gasto de regenerantes y neutralización de estos que a su ves también representa demasiado desperdicio de agua, también y además las constantes regeneraciones de las camas mixtas se generarían mayor perdida de las resinas ya que en el proceso de regeneración una cantidad de estas se escapan aumentando las reposiciones de resinas y aumentando así también los costos.
Análisis ósmosis inversa de reciclaje
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operatividad del la ósmosis de reciclaje permitiendo así que se realice el proceso de permeado obteniéndose un agua con baja concentración de contaminantes la cual se encuentra en condiciones ideales para que pueda volver a entrar al proceso de purificación disminuyendo el consumo de agua de la planta aunado a que en esta tecnología no se produce ninguna alteración a la temperatura del agua que pudiera afectar a la ósmosis de servicio adelante se muestran los parámetros de operación de la osmosis de reciclaje y de la osmosis de servicio.
Fig. 13. Parámetros de los flujos de OI de servicio
Como se observa en el diagrama anterior la concentración de sílice en la entrada de la ósmosis inversa de servicio se encuentra de entre 70-90 ppm la cual no afecta la operatividad de esta debido a que el sílice empieza a precipitarse a una concentración de 120 ppm sin embargo el flujo de rechazo puede contener hasta 250 ppm concentración a la cual el sílice se precipitaría incrustándose en las membranas de la osmosis averiándolas definitivamente.
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operatividad de de la osmosis de rechazo en la imagen de de mas adelante se observan los parámetros de los flujos de la osmosis de reciclaje.
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Determinación de los costos de producción de la planta de tratamiento AELSA
Para poder hacer una análisis de los costos de producción se realizo un balance de materia de la planta de tratamiento AELSA Fig. 15.
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Costos de producción de la planta de tratamiento AELSA Gasto de agua
El ciclo dos consume 32m3 por turno y la ósmosis de servicio tiene una eficiencia de 56% entonces se necesitan 57.14m3por turno de agua cruda
Por 3 turnos diarios
Consumo de agua mensual = 5142.6 m3 Consumo de agua anual = 61711.2 m3 H2O
Gasto de agua de retro lavadosde filtro Zeolita
Se realizan retro lavados de los filtros de Zeolita cada 3000 m3 de agua filtrada
Para fines prácticos se redondea a 1 (1)12 = 12 lavados anuales
Cada retro lavado dura 45 min a una velocidad de 48 m3/h
m3
Gasto retro-lavados de filtros de zeolita anuales = (36 m3 por retro lavado) (12 retro lavados anuales) = 432 m3 H2O /año
Gasto de agua de regeneraciones del lecho mixto Etapa previa
Retro-lavado en manual 26 min a 21 m3/h hr
(0.4333h) (21 m3/h) = 9.093 m3 H2O
En automático
Retro lavado 25 min a 21 m3/h
(0.4166h) (21 m3/h) = 8.7486 m3 H2O
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Inyección de regenerantes
NaOH al 4% →5.68 m3
solución- 0.227205 m3 NaOH =5.45m3H2O
H2SO4 al 4% →3.61 m3 solución -0.14466 m3 H2SO4 = 3.47m3H2O
Desplazamiento de regenerantes
90 min a una velocidad de 6.2 m3/h por lado
(1.5h) (12.4 m3/h) = 18.6m3 H2O
Llenado de columna
(0.05hr)(48m3/h)=2.4m3 H2O
Enjuague rápido primera etapa
(0.5833hr)(20.5m3)=11.9583m3 H2O
Enjuague rápido segunda etapa
(0.433hr)(20.5m3)=8.883m3 H2O
Gasto total de regeneración de una columna = 9.093 + 8.7486 + 5.45 + 3.47 + 18.6 + 2.4 + 11.9583 + 8.883 = 68.6029m3
Las regeneraciones se realizan cada 3000m3
Agua de permeado de la osmosis inversa anual = (61711.2m3)(0.56)=34558.27m3 Numero de regeneraciones =34558.27/3000 = 11.51 regeneraciones con una columna
Para fines prácticos se redondea a 12
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Y luego (6 regeneraciones)(68.6029m3)=411.61m3 gasto de regeneraciones anuales
Consumo de agua total anual = consumo de agua anual + gasto retro lavados filtros de zeolita anuales + gasto de regeneraciones anuales
Consumo de agua total anual = 61711.2m3 + 432m3 +411.61m3=62554.81m3 Costo de agua =$10.06/m3
Costo anual de agua= (62554.81m3)( $10.06/m3 )= $629301.38
Costo de filtros cartucho
Los filtros cartucho se cambian cada 2 meses cada recipiente contiene 7 cartuchos y se cuenta con dos recipientes
Total de filtros cartucho anuales (7)(2)(6)=84 (84)($400)=$33600
Costo de anti incrustante
Se dosifica una solución al 10% de anti-incrustante y se desea que la
concentración del agua que pasara a través de la osmosis inversa sea de 5 ppm.
5g/m3(consumo anual de agua)
5g/m3 (61711.2m3)=308556gr de anti incrustante necesario al año
Costos de NaOH
