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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO MEDIO
DE ENFRIAMIENTO
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
QUÍMICA
AUTOR: KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA
QUITO
2015
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO MEDIO
DE ENFRIAMIENTO
TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
QUÍMICA
AUTOR: KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA
TUTOR: ING. WASHINGTON RUIZ LÓPEZ
QUITO
2015
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
En calidad de Tutor del trabajo de grado titulado: “DISEÑO DE UNIDADES DE
DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA UTILIZADA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO”,
me permito certificar que el mismo es original y ha sido desarrollado por la Señorita ARAUJO
ULLOA KAREN DANIELA bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones
realizadas, considero que el trabajo está concluido y tiene mi aprobación.
En la ciudad de Quito, a los 22 días del mes de julio del 2015.
Ing. Washington Ruiz López
PROFESOR TUTOR
iv
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado
sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO
MEDIO DE ENFRIAMIENTO”, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD
CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o
de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de
investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5, 6, 8,19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
En la ciudad de Quito, a los 22 días del mes de julio del 2015
Karen Daniela Araujo Ulloa
C.C.1719710749
v
DEDICATORIA
Con todo mi amor, a mis padres: Elsa y Manuel. A mi madre Elsa, pilar fundamental en mi
vida, que gracias a su apoyo, perseverancia, valentía, rectitud, pureza y por poseer un alma
inquebrantable y una fortaleza innata, logró hacer realidad cada sueño, meta y éxito de mi vida.
A mi padre Manuel, por ser un apoyo incondicional en cada momento, una motivación
constante para salir adelante y un eterno compañero desde mis primeros años de vida. Este logro
es completamente por y para ustedes.
A mis hermanos: Roberto y Andrea, mi motor de vida, ya que con amor y confianza, lograron
forjar un significado de hermandad superior a cualquier clase de amor, lo cual representó una
constante inspiración, valor y fuerza para continuar y seguir adelante. Ustedes fueron la razón
que no me permitía flaquear, ni derrotarme. Estaría incompleta y vacía sin su amor.
A mi tercer hermano, que me hizo creer de la real existencia de ángeles presentes en la tierra.
Daniela Araujo Ulloa
.
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios, Padre Todopoderoso, por cobijarme con su sabiduría, cuidarme y brindarme su amor a
través de mi familia, mis padres y mis hermanos.
A mis padres, por brindarme un hogar estable, el cual siempre represento un santuario para mí,
por todo su esfuerzo, entera confianza, amor, y por enseñarme con el ejemplo a ser una mujer
con valores sólidos como: la honestidad, respeto, equidad, perseverancia, tolerancia y valentía,
estas características llegaron a ser mi principal inspiración para lograr una carrera estudiantil
intachable y exitosa.
A mis hermanos, por su incondicional soporte, su tiempo, esfuerzo, tolerancia y amor; ustedes
fueron parte crucial en el desarrollo de mi proyecto de tesis, además de representar un aliento y
una inspiración para seguir siempre adelante. A pesar de las circunstancias, su amor fue una
parte crucial para seguir y culminar este proceso.
A mi inolvidable Facultad de Ingeniería Química de la Honorable Universidad Central del
Ecuador, por acogerme en sus aulas y permitirme ser partícipe en la enseñanza- aprendizaje de
los principios fundamentales, lo cual permitió potencializar un profesionalismo responsable.
A mi tutor, Ing. Washington Ruiz, por ser una guía fundamental en el desarrollo de mi proyecto
de tesis, por la confianza, tolerancia y apoyo que me brindó durante este proceso.
A la empresa CELEC EP. TERMOPICHINCHA, por su auspicio, lo cual representó un aporte
trascendental para el desarrollo de este proyecto de tesis; en especial al Ing. Juan Carlos López,
Gerente General de la empresa; al Dr. Ramiro Reyes, Jefe de Laboratorio de Control Químico y
al Ing. Javier Lasluiza Navarrete, por su sincera predisposición.
A mis tíos: Julio Ulloa y Janneth Márquez, por su apoyo, confianza y cariño que han
caracterizado un lazo muy fuerte, el cual ha sido una inspiración en toda mi trayectoria
estudiantil.
A mis tíos: Edison Ulloa y Margarita Araujo, a mis primos y a todos mis seres queridos que
conforman la hermosa familia Araujo Ulloa, por demostrar siempre su cariño sincero, su
confianza y por compartir los momentos más felices.
vii
Desde las aulas de mi amado Colegio Municipal Experimental Sebastián de Benalcázar, el lugar
donde he compartido varios años de momentos que fortalecieron lazos de amistad, el cual formó
en mi un fuerte ideal que me orienta para ser una digna representante y llevar el nombre del
colegio muy en alto, a mis amigos, que viven en mi corazón, que alegran mi alma y que siempre
han estado a mi lado apoyándome: Sergio, Fátima, Belén y Lenin.
Finalmente a todos los maestros, que marcaron cada etapa del camino universitario,
potencializaron todos los conocimientos relacionados a la carrera de Ingeniería Química y que
me guiaron en asesorías presentadas durante la elaboración de mi Trabajo de Tesis, mil gracias
de corazón.
viii
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS.................................................................................................................. XI
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. XIII
LISTA DE GRÁFICOS ........................................................................................................... XV
LISTA DE ANEXOS .............................................................................................................. XVI
RESUMEN ........................................................................................................................... XVII
ABSTRACT ......................................................................................................................... XVIII
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 1
1. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................. 3
1.1. Aguas de Enfriamiento en una Central Termoeléctrica ......................................................... 3
1.1.1. Tipos de Agua. .................................................................................................................... 3
1.1.2. Agua Cruda.. ...................................................................................................................... 3
1.1.3. Agua Desmineralizada… ................................................................................................... 3
1.2. Calidad del Agua ................................................................................................................... 4
1.2.1. Parámetros Básicos de la Calidad del Agua ...................................................................... 4
1.3. Etapas en el Tratamiento del Agua ....................................................................................... 8
1.3.1. Clarificación……………………………………………………………………………….8
1.3.2. Filtración ......................................................................................................................... 11
1.4. Desmineralización del Agua ................................................................................................ 13
1.4.1. Descripción del Proceso de Desmineralización del Agua. ............................................... 13
1.4.2. Intercambio Iónico ........................................................................................................... 14
1.4.3. Ósmosis Inversa ............................................................................................................... 39
1.4.4. Tratamiento de Agua de la Central- Termoeléctrica Guangopolo I y II ........................... 72
2. MARCO EXPERIMENTAL .................................................................................................. 82
2.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada ............................ 82
2.1.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada
utilizando Torres de Intercambio Iónico. ................................................................................... 82
ix
2.1.2. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando el
equipo de Ósmosis Inversa. ........................................................................................................ 86
2.1.3. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando la
combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa ............................................. 88
2.2. Diagrama de bloques para el procedimiento experimental .................................................. 89
2.2.1. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando
Torres de Intercambio Iónico. .................................................................................................... 89
2.2.2. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la
combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa ............................................. 90
2.2.3. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando el
equipo de ósmosis inversa .......................................................................................................... 91
2.3. Equipos y Materiales ........................................................................................................... 91
2.4. Sustancias y Reactivos ........................................................................................................ 92
2.5. Diseño Experimental ........................................................................................................... 92
2.5.1. Estudio Comparativo de los procesos para determinar el mejor Método de
desmineralización del agua.. ...................................................................................................... 92
2.5.2. Descripción del Diseño Experimental.. ............................................................................ 93
3. DATOS EXPERIMENTALES .............................................................................................. 95
3.1. Datos de la caracterización del agua a tratar ........................................................................ 95
3.2. Datos de la caracterización del Agua Desmineralizada usando equipos de las Plantas de
Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo ................................................ 97
3.3. Datos de la caracterización del agua para la obtención de agua desmineralizada en el
laboratorio .................................................................................................................................. 99
3.4. Requerimiento de Calidad del Agua para Enfriamiento de Motores de Combustión Interna
(Motor MAN) ........................................................................................................................... 102
3.5. Información del Producto LEWATTIT MonoPlus S 108 H .............................................. 102
3.6. Información del Producto LEWATTIT MonoPlus M500 .................................................. 104
4. CÁLCULOS......................................................................................................................... 105
4.1. Cálculo promedio de las réplicas experimentales .............................................................. 105
4.1.1. Ecuación general para el cálculo promedio de las variables de cada etapa del
proceso.. ................................................................................................................................... 105
x
4.2. Cálculos para el Diseño de la combinación de torres de Intercambio Iónico y Ósmosis
Inversa…………………………………………………………………………………………109
4.2.1. Cálculo del Diseño de la Torre de Intercambio Catiónico (V-01) ................................. 109
4.2.2. Cálculo del Diseño de la Torre de Intercambio Aniónico (V-02) .................................. 120
4.2.3. Cálculo para las especificaciones del Equipo de Ósmosis Inversa (F-01) ..................... 132
4.2.4. Especificaciones de tanques, accesorios y bombas adicionales ..................................... 135
5. RESULTADOS .................................................................................................................... 147
5.1. Características de las Torres de Intercambio Iónico .......................................................... 147
5.2. Características del Equipo de Ósmosis Inversa ................................................................. 148
5.3. Características de la Torre de Almacenamiento del agua de prefiltrado y de la Torre de
Almacenamiento de Agua desmineralizada .............................................................................. 148
6. DISCUSIÓN ........................................................................................................................ 149
6.1. De la parte experimental .................................................................................................... 149
6.2. Del Diseño de Equipos ...................................................................................................... 150
7. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 152
7.1. De la parte experimental .................................................................................................... 152
7.2. Del Diseño de Equipos ...................................................................................................... 153
8. RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 154
CITAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................................................... 155
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................... 160
ANEXOS ................................................................................................................................. 163
xi
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1.Clasificación de la dureza de las aguas ............................................................................6
Tabla 2. Sedimentación según el tamaño de las partículas ...........................................................8
Tabla 3. Categorías primarias de resinas de intercambio iónico ................................................. 24
Tabla 4. Afinidades relativas de los Iones por las resinas........................................................... 25
Tabla 5.Propiedades de las Resinas de Intercambio Iónico ........................................................ 26
Tabla 6. Constantes de permeabilidad al soluto de las membranas de acetato de celulosa ........ 49
Tabla 7. Componentes orgánicos e inorgánicos que rechaza la membrana semipermeable ........ 61
Tabla 8. Parámetros del agua filtrada (Agua de Alimentación para la Torres de Intercambio
Iónico), Ensayo 1, 2 y 3.............................................................................................................. 95
Tabla 9. Parámetros del Agua de Ingreso a las membranas (Agua de Alimentación al Equipo de
Ósmosis Inversa), Ensayo 1, 2 y 3 ............................................................................................. 96
Tabla 10. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida de la Torre Aniónica, Guangopolo I),
Ensayo 1, 2 y 3 ........................................................................................................................... 97
Tabla 11. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis
Inversa, permeado, Guangopolo II), Ensayo 1, 2 y 3.................................................................. 98
Tabla 12.Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida de la Torre Aniónica), Ensayo 1, 2 y 3
................................................................................................................................................... 99
Tabla 13. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa),
Ensayo 1, 2 y 3 ......................................................................................................................... 100
Tabla 14. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa siendo
el agua de alimentación el agua Salida de la Torre Aniónica) (combinación de las Torres de
Intercambio Iónico y el equipo de Ósmosis Inversa, Ensayo 1, 2 y 3 ....................................... 101
Tabla 15. Propiedades Físico-Químicas ................................................................................... 102
Tabla 16. Propiedades Físico-Químicas del Producto Lewatit MonoPlus S 108 H .................. 102
Tabla 17. Condiciones de funcionamiento recomendadas ........................................................ 103
Tabla 18. Propiedades Físico-Químicas del Producto Lewatit MonoPlus M 500 ..................... 104
Tabla 19. Condiciones de funcionamiento recomendadas ........................................................ 104
Tabla 20. Datos experimentales promedio de la obtención de Agua Desmineralizada para los
diferentes puntos de muestreo .................................................................................................. 106
Tabla 21. Continuación datos experimentales promedio de la obtención de Agua
Desmineralizada para los diferentes puntos de muestreo ......................................................... 107
Tabla 22. Cumplimiento de Requerimientos para los diferentes datos experimentales promedio
de la obtención de Agua Desmineralizada para los diferentes puntos de muestreo .................. 108
Tabla 23. Densidad de ácido sulfúrico en diferentes porcentajes y temperaturas ..................... 112
Tabla 24. Densidad del Agua a diferentes temperaturas ........................................................... 114
Tabla 25. Datos necesarios para generar la curva del tiempo de ruptura de la resina catiónica
fuerte ........................................................................................................................................ 119
xii
Tabla 26. Concentración de especies expresadas en mg CaCO3/ L .......................................... 122
Tabla 27. Densidad del Agua a diferentes temperaturas ........................................................... 125
Tabla 28. Datos necesarios para generar la curva del tiempo de ruptura de la resina aniónica
fuerte ........................................................................................................................................ 130
Tabla 29. Variables de diseño del tanque de almacenamiento de agua prefiltrado proveniente de
la salida de la Torre de Intercambio Aniónico (T-03) .............................................................. 136
Tabla 30. Iteraciones del Diámetro del Tanque ........................................................................ 136
Tabla 31. Variables de diseño del Tanque de Almacenamiento de Agua Desmineralizada (T-04)
................................................................................................................................................. 137
Tabla 32. Iteraciones del Diámetro del Tanque de Almacenamiento de Agua Desmineralizada
................................................................................................................................................. 137
Tabla 33. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-01 ......................................................... 140
Tabla 34. Valores de k para diversos accesorios ...................................................................... 143
Tabla 35.Especificaciones de las bombas usadas en el sistema ................................................ 145
Tabla 36. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-02 ......................................................... 145
Tabla 37. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-03 ......................................................... 145
Tabla 38. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-04 ......................................................... 146
Tabla 39. Especificaciones de las Válvulas Múltiples . ............................................................ 146
Tabla 40. Características de las Torres de Intercambio Iónico ................................................. 147
Tabla 41. Características del Equipo de Ósmosis Inversa ........................................................ 148
Tabla 42. Características de las Torres de Almacenamiento .................................................... 148
xiii
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Filtro por gravedad ...................................................................................................... 12
Figura 2. Filtro de presión vertical ............................................................................................. 12
Figura 3. Filtro de presión horizontal ......................................................................................... 13
Figura 4. Equilibrio de Reacción de Intercambio Iónico ............................................................ 15
Figura 5. Burbuja de intercambio orgánico continuo comprendiendo un polímero de
poliestireno de enlace cruzado con divinilbenceno con coiones fijados (cargas negativas) de
carga negativa equilibrada por los contraiones (positivos) móviles (cargas positivas) ............... 18
Figura 6. Intercambiador catiónico ácido fuerte (izquierda) en la forma hidrogenada e
intercambiador de base fuerte aniónico (derecha) en la forma cloruro. ...................................... 18
Figura 7. Estructura del estireno y divilbenceno ........................................................................ 19
Figura 8. Polimerización lineal del estireno ............................................................................... 19
Figura 9. Estructura de una resina de intercambio iónico ........................................................... 20
Figura 10. Estructura Esquema y ciclo de servicio de un proceso de columna de intercambio
iónico ......................................................................................................................................... 30
Figura 11. Fluidización de lecho ................................................................................................ 36
Figura 12. Pérdidas por fricción en lechos fijos y fluidizados .................................................... 37
Figura 13. Exponente de la correlación para la expansión del lecho .......................................... 38
Figura 14. Proceso natural de ósmosis ....................................................................................... 39
Figura 15. Procesos cuya Fuerza Impulsora es la Presión .......................................................... 40
Figura 16. Esquema del fenómeno de Ósmosis Inversa ............................................................. 42
Figura 17. Capa límite y retrodifusión en el proceso de polarización por concentración. ........... 46
Figura 18. Capa de gel por incremento de la polarización por concentración............................. 47
Figura 19. Concentraciones y flujos en el proceso de ósmosis inversa. ...................................... 49
Figura 20. Configuración de la membrana tubular ..................................................................... 50
Figura 21. Configuración de la membrana en espiral ................................................................. 51
Figura 22. Variación de la velocidad de filtración de la presión aplicada. .................................. 54
Figura 23. Sección Transversal de Módulo en espiral ............................................................... 56
Figura 24. Membrana de espiral ................................................................................................. 57
Figura 25. Sección transversal de una membrana de fibras huecas ............................................ 57
Figura 26. Módulos de fibras huecas .......................................................................................... 58
Figura 27. Membrana tubular ..................................................................................................... 59
Figura 28. Resistencias de la membrana..................................................................................... 64
Figura 29. Localización de la Central Termoeléctrica Guangopolo............................................ 72
Figura 30. Central Termoeléctrica Guangopolo I ....................................................................... 73
Figura 31. Central Termoeléctrica Guangopolo II ...................................................................... 74
Figura 32. Reservorio de Agua Cruda ........................................................................................ 74
Figura 33. Estanque de Tratamiento ........................................................................................... 75
xiv
Figura 34. Primera Piscina de Tratamiento ................................................................................ 75
Figura 35. Piscina de Floculación .............................................................................................. 76
Figura 36. Tanques de Sedimentación ........................................................................................ 76
Figura 37. Última Piscina de Sedimentación .............................................................................. 77
Figura 38. Piscina de Agua Filtrada ........................................................................................... 78
Figura 39. Torre de Intercambio Catiónico y Aniónico .............................................................. 78
Figura 40. Sistema de Ablandamiento de Agua.......................................................................... 80
Figura 41. Equipo de Ósmosis Inversa en la Central Guangopolo II .......................................... 81
Figura 42. Trasvasado de Agua Filtrada ..................................................................................... 83
Figura 43. Verificación de apertura de válvula ........................................................................... 84
Figura 44. Verificación de ciclo en service ................................................................................ 84
Figura 45. Bypass del flujo de entrada a las Torres .................................................................... 84
Figura 46. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Catiónica ................................................ 85
Figura 47. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Aniónica ................................................. 85
Figura 48. Recepción de Agua desmineralizada ......................................................................... 86
Figura 49. Verificación de válvula en la corriente de entrada de agua a las membranas ............ 87
Figura 50. Muestreo de Agua de Permeado y Rechazo .............................................................. 87
Figura 51. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando
Torres de Intercambio Iónico ..................................................................................................... 89
Figura 52. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la
combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa ............................................. 90
Figura 53. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando el
equipo de ósmosis inversa .......................................................................................................... 91
Figura 54. Diagrama de Flujo del Proceso más idóneo para Desmineralización de Aguapara
enfriamiento de motores de la Central Termoeléctrica Guangopolo ........................................... 94
Figura 55. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos .................................... 138
Figura 56. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos .................................... 139
Figura 57. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos .................................... 140
Figura 58. Diagrama Modificado de Moody, para obtener el factor de fricción ....................... 142
Figura 59. Curva de rendimiento para el modelo PS 1 ¼ -3-3, 3HP ......................................... 144
Figura 60. Válvula Múltiple ..................................................................................................... 146
xv
LISTA DE GRÁFICOS
pág.
Gráfico 1. Cf/Co=f (t) (Resina Catiónica fuerte) ...................................................................... 119
Gráfico 2. Cf/Co=f(t) (Resina Aniónica fuerte) ........................................................................ 131
xvi
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) y Simbología del proceso
propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada ............................................................ 164
ANEXO B. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada ... ¡Error!
Marcador no definido.
ANEXO C. Diagrama del Equipo para obtención de Agua Desmineralizada .......................... 173
ANEXO D. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada ........................................................... 174
ANEXO E. Análisis Físico-Químico del Agua de Ingreso a las Membranas del Equipo de
Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II .......................................................................... 178
ANEXO F. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres de
Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I ....................................................................... 182
ANEXO G. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo de
Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II .......................................................................... 186
ANEXO H. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de
Intercambio Iónico en el Laboratorio ....................................................................................... 193
ANEXO I. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo de
Ósmosis Inversa del Laboratorio .............................................................................................. 197
ANEXO J. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando la
combinación de las Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del
Laboratorio ............................................................................................................................... 204
ANEXO K. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H ..................... 211
ANEXO L. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500 ................................ 214
ANEXO M. Curvas de Rendimiento del Modelo requerido para el sistema propuesto ............ 217
ANEXO N. Información Técnica de las Válvulas Múltiples de las torres de Intercambio Iónico
diseñadas .................................................................................................................................. 218
xvii
DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO MEDIO DE
ENFRIAMIENTO
RESUMEN
Se diseñaron dos unidades de desmineralización del agua a ser usada como medio de
enfriamiento en motores de combustión interna pertenecientes a la Empresa CELEC (Central
Guangopolo).
Para ello, se procedió a la regeneración de las resinas catiónicas y aniónicas fuertes de las
Torres de Intercambio Iónico, usando ácido sulfúrico y sosa cáustica respectivamente y a la
desmineralización utilizando los procesos de intercambio iónico, ósmosis inversa y la
combinación de ambos. Para el primer y segundo proceso, se empleó agua filtrada proveniente
de la Central Guangopolo I y II, respectivamente, y para la combinación, se utilizó agua de
salida de las Torres. Las muestras obtenidas de los procesos fueron caracterizadas para
determinar parámetros como: pH, conductividad, sólidos totales disueltos, dureza total, cloruros,
sílice y hierro.
Con los datos obtenidos se seleccionó, a la combinación como el mejor método que cumple con
el requerimiento de calidad y se procedió al diseño de las torres de intercambio iónico,
especificación del equipo de ósmosis inversa y equipos adicionales necesarios.
Se concluye, que empleando el método de combinación de ambos procesos, se logró reducir la
concentración de dureza total de 216.4 ppm CaCO3 a 0.6 ppm CaCO3 y de sílice de 40 ppm SiO2
a 9 ppm SiO2.
PALABRAS CLAVES: / TRATAMIENTO DEL AGUA / DESMINERALIZACIÓN/
INTERCAMBIO IÓNICO/ ÓSMOSIS INVERSA / RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO /
DISEÑO
xviii
DESIGNING OF A WATER DEMINERALIZATION UNIT AS COOLING METHOD
ABSTRACT
Two units of water demineralization were designed to be used as a cooling method in internal
combustion engines belonging to the company CELEC (Guangopolo Central).
To do so, the cation and anion strong resins from the Towers of Ionic Interchange were
regenerated by using sulfuric acid and caustic soda respectively, and the demineralization using
the processes of iron interchange, inversed osmosis and the combination of both. For the first
and second processes filtrated water coming from the Central Guangopolo I and II was used
respectfully, and for the combination water running from the towers was used. The samples
obtained from the processes were characterized to determine parameters such as: pH,
conductivity, total dissolved solids, total hardness, chlorides, silica and iron.
With the obtained data the combination was selected as the best method, with fulfills the quality
requirements, then the ionic interchange towers were designed, specification of the inverse
osmosis and other needed equipment.
It is concluded that employing the combination of these methods, the total hardness was reduced
from 216.4 ppm CaCO3 to 0.6 ppm CaCO3 and from 40 ppm SiO2 to 9 ppm SiO2.
KEY WORDS: WATER TREATMENT/ DEMINERALIZATION/ IONIC INTERCHANGE/
INVERSED OSMOSIS/ IONIC INTERCHANGE RESINS/ DESIGNING.
1
INTRODUCCIÓN
Debido a la creciente demanda energética, el país se ha visto en la necesidad de instalar
centrales termoeléctricas. En agosto del 2006, se inicia una nueva etapa de crecimiento para
TERMOPICHINCHA S.A, mediante la instalación en la Central Termoeléctrica Guangopolo de
una unidad de 1.8 MW, para incrementar su capacidad de operación de 31.2 a 33 MW. Esta
Central Termoeléctrica requiere de grandes volúmenes de agua que se captan desde el río San
Pedro, que después de ser tratada desde su fuente, una parte de la misma es usada en el proceso
de enfriamiento de motores de combustión interna, por lo que necesita de unidades
desmineralizadoras.
En el año 2014, el personal encargado de la Planta de Tratamiento de Agua, después de
observar fallas en la operación de enfriamiento en los motores de combustión interna,
determinaron que la Unidad de Desmineralización actual no cumple con las exigencias
demandadas por el proceso y presenta falencias en la operación. Por lo que el presente trabajo
de investigación, se enfoca en el diseño de un mejor sistema de Desmineralización del agua que
cumpla con el requerimiento de calidad del agua desmineralizada que se usa como agua de
enfriamiento en los motores de combustión interna.
Para el presente estudio se inició, obteniendo los parámetros de diseño como: diámetro y altura
de torres aniónica y catiónica, horas de operación, tiempo de regeneramiento para el proceso de
intercambio iónico, y para el equipo de ósmosis inversa, parámetros como: tipos de membranas,
incidencia de sílice y capacidad de retención de los sólidos disueltos. Posteriormente, se realizó
la caracterización físico-química tanto del agua de entrada como de salida de cada proceso.
Utilizando la planta piloto se recreó tres métodos de desmineralización del agua tales como:
Intercambio Iónico, Ósmosis Inversa y la combinación de ambos, para determinar cuál de los
tres métodos cumple con el requerimiento de calidad del agua desmineralizada a emplearse en
el proceso de enfriamiento de los motores.
Con el proceso de Intercambio Iónico se cumplieron todos los requerimientos, excepto la
concentración de sílice (15.67 ppm SiO2) que supero el valor requerido (< 10 ppm SiO2).
Analizando el proceso de Ósmosis Inversa, se cumplieron todos los requerimientos menos el
2
pH (8.36), valor que debe estar en el rango de 6 a 8 de unidades de pH, y la concentración de
sílice (18 ppm SiO2). Finalmente, con la combinación de ambos procesos, se cumplieron todos
los requerimientos. Por lo tanto, determinando que la combinación de los procesos de
Intercambio Iónico y Ósmosis
Inversa es el mejor método para la obtención de agua desmineralizada que cumple con el
requerimiento de calidad, se realizó el escalamiento a nivel industrial, obteniéndose el siguiente
dimensionamiento: una Torre de Intercambio Catiónico de 73.728 cm de diámetro, 128 cm de
altura y con un volumen de resina de 328.407 L; una Torre de Intercambio Aniónico de
112.613 cm de diámetro, 160 cm de altura y con un volumen de resina de 717.85 L, y por
último un equipo de ósmosis inversa de 4 m de longitud y 20.52 cm de diámetro para cada
cilindro que contiene las membranas semipermeables. Con este método se redujo un 99% de la
concentración de dureza total y un 78 % de la concentración de sílice inicial aproximadamente.
3
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Aguas de Enfriamiento en una Central Termoeléctrica
1.1.1. Tipos de Agua. A diferencia de los aceites minerales, el agua es una sustancia de
composición y propiedades bien definidas. Sus características únicas y abundancia la hacen
indispensable para sostener no sólo la vida sino también un sin número de procesos productivos,
convirtiéndola en el medio físico de trabajo de muchos diferentes tipos de instalaciones
industriales siendo de particular interés, los sistemas de enfriamiento (de circuito abierto y
cerrado).
Los sistemas de enfriamiento aprovechan la baja viscosidad del agua y su relativamente alto
coeficiente de transferencia de calor para disipar la energía calórica que se genera y puede
acumular en varios componentes de las máquinas de generación. No obstante, el agua debe ser
purificada y tratada desde su fuente de captación hasta cada instancia de su utilización. [1]
1.1.2. Agua Cruda. Es aquella que no ha sido sometida a Proceso de Tratamiento.
1.1.3. Agua Desmineralizada. El agua desmineralizada es aquella a la cual se le han quitado
los cationes, como los de sodio, calcio, hierro, cobre y otros, y aniones como
el carbonato, fluoruro, cloruro, etc. mediante un proceso de intercambio iónico. Esto significa
que al agua se le han quitado todos los iones excepto el H+, o más rigurosamente H3O+ y
el OH-, pero puede contener pequeñas cantidades de impurezas no iónicas como compuestos
orgánicos. [2]
El agua desmineralizada o agua pura se utiliza para los siguientes propósitos:
Como agua primaria de enfriamiento de camisas y válvulas de motores
Como agua primaria de enfriamiento de inyectores
Como agua de enfriamiento de los compresores de arranque de los motores.
Como agua para la producción, de vapor en los calderos de gases de escape de los motores y
en el caldero auxiliar. [3]
4
1.2. Calidad del Agua
La calidad del agua se determina por la cantidad de sólidos suspendidos, la cantidad y el tipo de
sales disueltas, el número y el tipo de bacterias presentes y su tendencia corrosiva o incrustantes.
Para garantizar el control de la calidad del agua debe realizarse pruebas periódicas y sistemáticas
en diferentes puntos del sistema. El análisis del agua cuantifica la cantidad de impurezas disueltas
en ella y determina ciertas propiedades físico – químicas tales como: pH, índice de estabilidad,
cloruros, dureza, alcalinidad, sulfatos, fosfatos, sílice, dióxido de carbono, etc.).
A continuación se mencionan los principales factores de la calidad del agua:
1.2.1. Parámetros Básicos de la Calidad del Agua
1.2.1.1. pH. El carácter ácido o básico del agua está dado por la concentración de los iones
hidrógenos H+ presentes. [4] Con el pH se determina si el agua es ácida (aquella característica
que provoca la corrosión de las tuberías de fierro), neutra o básica. Una solución que tenga pH
menor que 7 es ácida, la que tenga un pH equivalente a 7 es neutra y, si el pH es mayor que 7, la
solución es alcalina. [5] La determinación del pH es importante y debe realizarse con frecuencia
durante el proceso de tratamiento de agua cuando hay un pH óptimo de floculación, con el cual
se obtiene el mejor tipo de floc y, por lo tanto, una mejor decantación. [6]
1.2.1.2. Conductividad. La conductividad eléctrica es una medida de la resistencia que opone el
agua (u otro cuerpo) al paso de la corriente eléctrica, tiene como unidad de medida µS/cm. La
conductividad del agua está relacionada con la concentración de los sales en disolución, cuya
disociación genera iones capaces de transportar la energía eléctrica. Como la solubilidad de las
sales en el agua depende de la temperatura, evidentemente la conductividad varía con la
temperatura del agua (en general, aumenta conforme aumenta la temperatura del agua). Para
estandarizar la medición de la conductividad eléctrica se toma como referencia a una
temperatura de medida, generalmente a 20 o a 25 °C. [7]
5
1.2.1.3. Sólidos Totales Disueltos. Se determina en forma directa por evaporación del agua y
pesada del residuo salino. Se lo determina también por cálculo a partir de la conductividad del
agua, medida por un puente de conductividad. Los sólidos totales disueltos nos indican la
cantidad de sustancias disueltas en el agua y se lo determina en ppm. Dichos sólidos están
relacionados con la tendencia corrosiva o incrustante del agua. [8]
Para los ambientes de agua dulce y salobre se puede utilizar la siguiente expresión:
(1)
Donde:
K= Conductividad expresada en μS.
T=Sólidos Disueltos Totales.
c=Coeficiente de correlación (establecido a una temperatura standart). [9]
1.2.1.4. Alcalinidad. La alcalinidad del agua se relaciona con su capacidad de disolver el gas
carbónico, CO2. Este, bajo la forma de ácido carbónico, se puede mezclar de varias formas con
metales alcalinos (Na, K) y alcalinos terrosos (Ca, Mg) en forma de carbonatos. Estas sales,
teniendo bases fuertes y ácidos débiles, le dan al agua un carácter básico. La determinación de la
alcalinidad consiste en agregar un ácido (H2SO4) de concentración conocida y determinar los
volúmenes utilizados (titulación). Esta determinación permite comprobar la existencia de
hidróxidos (OH-), carbonatos (CO3 -) y bicarbonatos (HCO3) en el agua. En general, se puede
decir que las aguas con pH 12,0 tienen hidróxido (son cáusticas); pH 8,0 tienen carbonatos y
bicarbonatos; pH 4,5 a 8,0 solo tienen bicarbonatos (son más comunes), y pH 4,5 son ácidas; es
decir, tienen ácido libre además del ácido carbónico.
La necesidad de determinar la alcalinidad, en el caso del control de tratamiento, reside en lo
siguiente:
a) En la necesidad de controlar el agua tratada, que de ninguna manera puede ser cáustica
(existencia de hidróxidos OH-), pH 12,0.
b) En la necesidad de controlar el agua en estado natural, puesto que la alcalinidad natural
influye en la coagulación combinándose con el sulfato de aluminio.
c) Con el resultado del pH y de la alcalinidad se determina el gas carbónico libre (CO2). Este
debe ser nulo en el agua tratada para que no se vuelva corrosiva. [10]
6
1.2.1.5. Dureza Total. La dureza del agua se debe principalmente a las sales de calcio y
magnesio; algunas veces, al hierro y al aluminio. La mayor parte del calcio y el magnesio
presentes en el agua natural se encuentra bajo la forma de bicarbonatos, sulfatos y,
ocasionalmente, cloruros y nitratos.
Las sustancias productoras de dureza se depositan como escamas en las tuberías de aguas
(principalmente, en las tuberías calentadas).
Tabla 1.Clasificación de la dureza de las aguas
Dureza: ppm o µg/L CaCO3 Clasificación
0 a 55 Densa
56 a 100 Ligeramente dura
101 a 200 Moderadamente dura
201 a 500 Muy dura
a) Tipos de Dureza
Existen dos tipos de dureza:
Temporal, dureza de carbonatos (CO3-2) o Cálcica: constituida por carbonato ácido de
calcio o magnesio. Estos bicarbonatos precipitan cuando se calienta el agua transformándose
en carbonatos insolubles.
Permanente o Magnésica: sulfatos (SO4-2), nitratos (NO3-) y cloruros de calcio (CaCl2) y
magnesio (MgCl2). Esas sales no precipitan por ebullición.
La dureza se presenta siempre en términos de carbonato de calcio (CaCO3) como alcalinidad.
La dureza del carbonato se determina por los resultados de la alcalinidad. Tal como:
Si la alcalinidad producida por bicarbonatos y carbonatos normales, expresada en términos
de CaCO3, es mayor que la dureza total, quiere decir que hay sales de sodio. Tales
compuestos no producen dureza y, en ese caso, la dureza de carbonato será igual a la dureza
total.
Si la suma de la alcalinidad producida por bicarbonatos y carbonatos normales es igual a la
dureza total, la dureza de los carbonatos también será igual a la dureza total.
7
Si la suma de la alcalinidad, producida por bicarbonatos y carbonatos normales, es menor
que la dureza total, esta suma es igual a la dureza de carbonatos (temporal), y la diferencia
entre la dureza total y dicha suma es la dureza de no carbonatos (permanente).
[11] (2)
1.2.1.6. Cloruros. Los cloruros son sales que resultan de la combinación del gas cloro (ion
negativo) con un metal (ion positivo). En la naturaleza las sales de cloruro de sodio, cloruro de
potasio, y cloruro de calcio están ampliamente distribuidas, su solubilidad en agua fría es: 357,
344, 745 (g/L), respectivamente. [12]
Los cloruros son sales que están presentes en grandes cantidades en todas las fuentes de
abastecimiento de agua y drenaje. Un alto contenido de cloruros en el agua industrial puede
causar corrosión en las tuberías y en las estructuras. [13]
1.2.1.7. Sílice. La sílice puede, por sí sola o combinada fundamentalmente con el Magnesio,
formar incrustaciones muy duras. [14]
Los análisis de la sílice, proporcionan un método sensitivo para el control de la operación de los
desmineralizadores de agua, ya que la sílice es una de las primeras impurezas que salen a través
de una unidad agotada. Se puede eliminar la sílice del agua por intercambio iónico, destilación,
tratamientos con cal, carbonatos y magnesio.
1.2.1.8. Hierro. Es un catión muy importante desde el punto de vista de contaminación, aparece
en dos formas: ión ferroso: Fe+ +
, o más oxidado como ión férrico: Fe+ + +
. La estabilidad y
aparición en una forma u otra depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras, composición
de la solución, etc. [15]
La presencia de hierro en el agua refleja la corrosión del metal de los equipos del metal de los
equipos, tuberías, tanque, etc.; con los cuales está en contacto dicha agua. [16]
8
1.3. Etapas en el Tratamiento del Agua
1.3.1. Clarificación. Es el proceso por medio del cual se remueven y separan las impurezas
contenidas en el agua cruda. Esta materia no disuelta está constituida por partículas
relativamente grandes, las mismas que son arrastradas por el agua y partículas muy finas,
representadas por los coloides, los cuales son arrastradas debido a las cargas eléctricas de dichas
partículas; la presencia de estas partículas es la responsable de esta turbiedad y del color del
agua cruda.
La clarificación comprende las etapas de sedimentación, coagulación y floculación. [17]
1.3.1.1. Sedimentación. La clarificación empieza con la sedimentación, es el proceso que
elimina la materia suspendida sin la ayuda de sustancias químicas, donde los sólidos
suspendidos se sedimentan de acuerdo a la diferencia de densidades.
En el siguiente cuadro se observa el tiempo de sedimentación de diferentes partículas a una
misma temperatura. [18]
Tabla 2. Sedimentación según el tamaño de las partículas
Diámetro de las partículas, mm Orden de magnitud Tiempo de sedimentación, s
10 Grava 0,3
1 Arena gruesa 3
0,1 Arena Fina 38
0,001 Bacterias 35
0,0001 Partículas Coloidales 65
1.3.1.2. Coagulación. La coagulación tiene como finalidad anular las cargas eléctricas de las
partículas y transformar las impurezas que se encuentran en suspensiones finas o en estado
coloidal y algunas que están disueltas en partículas que puedan ser removidas por la decantación
(sedimentación) y la filtración. Tales aglomerados gelatinosos se agrupan y producen los
flóculos.
Las sustancias químicas utilizadas en la coagulación se pueden clasificar en tres categorías:
9
Coagulantes: compuestos de aluminio o de fierro que generalmente pueden producir
hidróxidos gelatinosos no solubles y absorber las impurezas.
Alcalinizantes: cal viva (óxido de calcio), hidróxido de calcio, hidróxido de sodio (soda
cáustica), carbonato de sodio (carbonato sódico), que pueden proporcionar la alcalinidad
necesaria para la coagulación.
Coadyuvantes de la coagulación: compuestos (arcilla, sílice activada, polielectrólitos,
etcétera), que se pueden convertir en partículas más densas y hacer que los flóculos sean más
firmes.
Los coagulantes actúan con los alcalis para producir hidróxidos gelatinosos que contienen y
absorben impurezas. Esta propiedad es más adecuada para la remoción de la turbidez. Como
también producen iones trivalentes de cargas eléctricas positivas, que atraen y neutralizan las
cargas eléctricas de los coloides protegidos que, por lo general, son negativas. Esta propiedad es
más adecuada para la remoción del color. [19]
a) Coagulantes de aluminio
El coagulante más utilizado para el tratamiento del agua es el sulfato de aluminio, cuya
fórmula química es Al2 (SO4)3.18H2O.
Se puede presentar de tres formas:
Blanco: llamado también libre de fierro. Es más costoso debido a que posee una
característica que no es indispensable (libre de fierro).
Amarillo: es el más común y económico. Se produce mediante la reacción del ácido
sulfúrico comercial con la bauxita pulverizada.
Negro: mezcla homogénea de sulfato de aluminio (blanco o amarillo) con 2 a 5% de carbón
activo. Se utiliza para el control del sabor y del olor. La coagulación con hidróxido de
aluminio Al(OH)3 se realiza en la zona de pH entre 5,0 y 8,0 por la reacción del sulfato con
la alcalinidad natural o cuando se añade al agua.
Teóricamente, las reacciones son las siguientes:
10
Con la alcalinidad natural:
Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)2 2 Al(OH)3 + 3CaSO4 +18H2O + 6CO2 1
Con la alcalinidad agregada:
Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(OH)2 2 Al(OH)3 + 3CaSO4 +18H2O 2
Al2(SO4)3.18H2O + 3Na2CO3 2 Al(OH)3 + 3Na2SO4 + 15 H2O+ 3CO2 3
Sulfato doble de aluminio y amonio:
Al2(SO4)3.(NH4)2SO4.24H2O, llamado también alumbre de amonio.
Alumbre de sodio:
Na2O.Al2O3, llamado también alumbre de soda. [20]
1.3.1.3. Floculación. Es el proceso de aglomeración de las partículas previamente coaguladas,
para formar flóculos de mayor tamaño causados por su reunión, a través de la agitación
moderada del agua, un número de partículas precipitadas de óxido hidratado junto a la turbiedad
forman una masa mayor de rápida sedimentación.
Cada coagulante posee un óptimo rango de pH para mejor coagulación. Por tanto es necesario
controlar el pH de máxima precipitación del coagulante. El pH de precipitación no depende
solamente del coagulante sino de las características minerales del agua.
La temperatura del agua también afecta el proceso de coagulación y a temperaturas cercanas al
punto de congelación se incrementa el tiempo de mezclado así como también la dosis de
coagulante.
En general el éxito de la coagulación depende de tres factores principales:
a) La presencia de una mínima cantidad de iones aluminio para formar flóculos insolubles.
b) La presencia de un ion fuerte, tal como un sulfato o cloruro.
c) El pH del agua debe ser controlado en un rango definido. [21]
11
1.3.2. Filtración
La filtración del agua consiste en hacerla pasar por sustancias porosas las cuales puedan retener
o remover algunas de sus impurezas. Por lo general, se utiliza como medio poroso la arena
soportada por capas de piedras, debajo de las cuales existe un sistema de drenaje. Con el paso
del agua a través de un lecho de arena se produce lo siguiente:
la remoción de materiales en suspensión y sustancias coloidales;
la reducción de las bacterias presentes;
la alteración de las características del agua, inclusive de sus características químicas.
Los fenómenos que se producen durante la filtración son los siguientes:
a) la acción mecánica de filtrar;
b) la sedimentación de partículas sobre granos de arena;
c) la floculación de partículas que estaban en formación, debido al aumento de la posibilidad de
contacto entre ellas;
d) la formación de la película gelatinosa en la arena, producida por microorganismos que se
reproducen allí (filtro lento). [22]
1.3.2.1. Filtración por Gravedad. Son aquellos que están abiertos a la atmósfera. Sobre un
fondo de diseño especial, descansa sobre un lecho de grava o antracita gruesa y sobre ella lechos
de arena y antracita fina de tamaño de partícula decreciente. La capa de lecho filtrante es de 1,2
a 1,6 m. El retrolavado se realiza cuando la pérdida de presión alcanza los 2 o 3 metros de
columna del agua. [23]
12
Figura 1. Filtro por gravedad
1.3.2.2. Filtración por Presión. Pueden ser verticales u horizontales y están formados por una
coraza cilíndrica, que contiene lecho filtrante. Están equipados con los accesorios necesarios
para realizar las operaciones de filtración retrolavado y enjuague (Figura 2), representa un filtro
vertical de presión. La facilidad de operar con presión permite flujos de filtración altos.
Además, pueden ser intercalados en sistemas de tuberías sin necesidad de rebombeo, y también
pueden permitir operar a temperaturas elevadas sin mayores pérdidas de calor. Los de tipo
horizontal son menos usados por problemas de estabilidad de los lechos filtrantes, aunque
ofrecen la ventaja de menos flujo y presión de retrolavado, puesto que cada comportamiento
puede ser operado individualmente.
Figura 2. Filtro de presión vertical
13
Figura 3. Filtro de presión horizontal
1.4. Desmineralización del Agua
1.4.1. Descripción del Proceso de Desmineralización del Agua. Existen procesos industriales
tales como los sistemas de enfriamiento, generación de vapor, efluentes, etc., donde se requiere
un acondicionamiento del agua muy específico relacionado cuantitativamente y
cualitativamente con los sólidos disueltos presentes.
El proceso de desmineralización consiste en la eliminación total de los iones presentes en el
agua, tanto de origen catiónico como de origen aniónico, utilizando una serie de tratamientos
tales como: evaporación/destilación, membranas (ultrafiltración, ósmosis inversa), precipitación
química (cal en caliente) y por intercambio iónico. Este último se realiza mediante el uso de un
conjunto de resinas de intercambio iónico, las cuales deben conformar un arreglo de forma que
se pueda llevar a cabo el proceso en tres pasos principales:
Reducción de cationes, en donde se utilizan resinas catiónicas fuerte y débil.
Eliminación del CO2, el dióxido de carbono que es desprendido como producto de la
eliminación de los cationes asociados al ion bicarbonato (HCO3), se elimina por
desgasificación del agua descationizada.
Reducción de aniones, los aniones presentes son convertidos tanto en ácidos fuertes como
débiles en la descationización, para eliminarlos se usan resinas aniónicas débiles y fuertes.
[24]
14
1.4.2. Intercambio Iónico
Las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre
un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la solución.
Los intercambiadores iónicos son elementos conformados por una estructura sólida de forma
esférica (diámetro de partículas ± 0,4 mm) y que tienen la capacidad de remover los iones
(cationes o aniones) llamados contra-iones presentes en una fase líquida, mediante la sustitución
del mismo con otro ion con el mismo tipo de carga o coion. La especie removida es retenida en
otra fase líquida confinada en la estructura sólido o gel del intercambiador iónico.
Los propósitos para realizar el intercambio iónico son:
Purificación o modificación de la concentración de iones de una fase líquida original.
Reconcentración, aislamiento o depuración de uno o más componentes iónicos.
Separación de una mezcla de diferentes componentes iónicos en dos o más fracciones. [25]
a) Equilibrio de Reacción
Todas las reacciones químicas que se llevan a cabo en el intercambio iónico trabajan bajo un
estado de equilibrio, considérese la siguiente reacción:
4
Siendo R el cuerpo de la Resina de Intercambio.
Al producirse esta reacción la concentración de dichos elementos disminuirán gradualmente
a medida que ocurra la reacción hacia la derecha, como también disminuirá en esa misma
proporción la velocidad de formación de los componentes R-B+A.
A partir de la formación del compuesto R-B, simultáneamente comenzará una segunda
reacción con sentido opuesto, cuya velocidad de reacción aumentará en la medida que exista
mayor concentración del mismo.
La concentración del producto R-B aumentará en el sistema hasta lograrse un punto de
equilibrio, y éste se obtendrá cuando ambas velocidades de reacción, con signo opuesto,
15
tengan la misma magnitud. Este estado se denomina Equilibrio Químico. Es importante
observar que las concentraciones permanecerán constantes debido a que las velocidades de
las reacciones opuestas son iguales y no debidas a que ha cesado la actividad. También es
importante mencionar que el estado de equilibrio es particular o dependiente a las siguientes
condiciones:
Concentración de los componentes de la reacción.
Temperatura
Presión.
Figura 4. Equilibrio de Reacción de Intercambio Iónico
b) Equilibrio iónico para un sistema constituido por dos fases (Agua-Resina)
Dada la existencia de dos iones A y B en un sistema conformado por dos fases considerando
para este estudio una fase Agua rica en elementos A y otra fase Resina con elementos B, en
el sistema ocurrirá un desplazamiento de ambos iones a través de ambas fases con el fin de
compensar en cada una el valor de concentración donde dichos elementos logran
simultáneamente dos estados en equilibrio, uno para la fases Agua y otro para fase Resina.
En otras palabras, si el Agua dispone de una concentración X% de A, ocurrirá una migración
de éste hacia la fase Resina con el objeto de lograr su correspondiente valor de concentración
Y% con la cual se satura o logra el equilibrio.
16
c) Descripción mecanismo para remoción de contra-iones por intercambio iónico
Para que suceda la remoción o sustitución de especies iónicas por medio del uso de resinas
de intercambio, inicialmente debe ocurrir un desplazamiento (difusión) de los contra – iones
contenidos en el agua hacia el interior de la resina, una vez dentro se lleva a cabo la reacción
química para ser sustituido por su correspondiente co-ion, posteriormente el co-ión. Cedido
se deberá desplazar hacia el agua. Este proceso cesará tan pronto como la reacción química
alcance su punto de equilibrio o Agotamiento.
En Intercambio Iónico se entiende como ciclo de Servicio al proceso cuando la resina lleva a
cabo la remoción de los contra-iones hasta su agotamiento, y Regeneración a la reacción
inversa donde se restituyen los co-iones en la resina. Es viable que ambos procesos ocurran
en forma controlada debido a la capacidad de reversibilidad que presentan las reacciones en
equilibrio.
Si se considera el ciclo de Servicio de una Resina al mezclar con agua en un envase, la
remoción de contra-iones contenidos en el agua se detendrá una vez que se alcance el
Equilibrio Iónico en el sistema. Esto significa que no habrá la remoción total deseada de la
especie iónica.
Si se parte de un lecho de resina que se encuentra totalmente regenerado con iones (B) y por
él fluye Agua cargada con contra-iones (A), como la dilución que sufre (A) en el Agua
durante su travesía por el lecho de resina hasta su total remoción.
Esta dilución se debe a sucesivas reacciones químicas producto de diferentes estados de
equilibrio que es debido a la variación de la relación de concentración entre los iones (A) y
(B) en los diferentes Sistemas Agua-Resina constituidos por las diferentes capas del Lecho
de Resina.
1.4.2.1. Resinas de Intercambio Iónico. Son polielectrolitos o macromoléculas insolubles en
agua, compuestos por una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a
una matriz de un polímero sintético.
17
Estas resinas de intercambio iónico reaccionan como ácidos, bases o sales, pero tienen la
peculiaridad de tener sólo cationes o aniones con la habilidad de tomar la parte de la reacción
química, por su capacidad de migración.
Como la concentración de grupos polares en la resina es un número finito, éstas tienen una
capacidad definida del intercambio. La ventaja de las resinas de intercambio iónico es que
tienen habilidad para recuperar la capacidad original, mediante el tratamiento con una solución
que puede ser ácido, una base o una sal, según la resina y el uso, que desplace los iones
retenidos por la resina y los reemplace por iones deseados.
Este procedimiento se llama regeneración y es el que permite utilizar la resina otra vez.
Simplemente cuando la resina agota su capacidad de intercambio, se regenera. [26]
La mayoría
de las reacciones normales de cambio iónico son sensibles. En los casos más sencillos, el lecho
agotado se regenera con un exceso del ion presaturante. Idealmente, no tiene lugar un cambio
permanente de estructuras durante el ciclo de agotamiento/regeneración (No obstante, las
resinas se hinchan y encogen, y la alúmina se disuelve parcialmente durante la regeneración).
Cuando las reacciones son reversibles, el medio puede ser reutilizado muchas veces antes de ser
reemplazado a causa del ensuciamiento irreversible. [27]
1.4.2.2. Estructura de las resinas de intercambio iónico. Un intercambio iónico de resina
consta de una matriz de polímero de enlace cruzado a la que están apegados unos grupos de
cargas funcionales mediante enlace covalente. La matriz usual es de poliestireno de enlace
cruzado para estabilidad estructural con un 3 a 8 por 100 de divinil-benceno. Los grupos
funcionales caen dentro de cuatro categorías fuertemente ácidos (p.ej., sulfonatos SO3-);
débilmente ácidos (p.ej., carboxilatos COO-); fuertemente básicos (p.ej., aminas cuaternarias
N+(CH3)3) y débilmente básicos (p.ej., aminas tercianas N(CH3)2).
Una presentación esquemáticamente de la matriz de resina de enlace cruzado y su funcionalidad
se muestra en la Figura 5. La figura es una esfera o rosario (esférico), tridimensional, echa de
cadenas de polímeros de poliestireno unidas conjuntamente por enlace cruzado de divinil
benceno no los lugares cargados con iones negativos ( SO3)- o (CCO) están fijados al esqueleto
básico e resina o matriz, como así se denomina. Los contraiones móviles positivos (cargas
positivas en la Fig. 5) están atracción electrostática con cada ion negativo en cada posición de
intercambio. La capacidad intercambio de las resinas se mide como números de cargas fijadas
por unidad de volumen o peso de resina. La funcionalidad es el término utilizado para
18
identificar la composición química de los lugares de fijación cargas, por ejemplo sulfonatos
(SO3)- o carboxilato (COO
-). La porosidad (p.ej., gel microporoso o macroporoso) es la
caracterización de la resina al grado de apertura de la estructura del polímero. Un lecho actual
de resinas es mucho más cerrado que lo que señala esquema, que se muestra francamente
abierto para propósito de la ilustración solamente. [28]
Figura 5. Burbuja de intercambio orgánico continuo comprendiendo un polímero de
poliestireno de enlace cruzado con divinilbenceno con coiones fijados (cargas negativas) de
carga negativa equilibrada por los contraiones (positivos) móviles (cargas positivas)
Figura 6. Intercambiador catiónico ácido fuerte (izquierda) en la forma hidrogenada e
intercambiador de base fuerte aniónico (derecha) en la forma cloruro.
Las resinas comerciales más usadas se conforman, generalmente, por una estructura de red que
hace el papel de cuerpo de la resina. Por lo general, la estructura sólida de la resina proviene de
la polimerización de sustancias orgánicas que mayormente son los monómeros estireno y
divilbenceno (DVB), los cuales presentan una estructura bien definida y gran estabilidad en todo
el rango de pH (Figura 7).
19
Figura 7. Estructura del estireno y divilbenceno
De la polimerización del estireno se obtienen cadenas muy largas, generando esencialmente una
estructura lineal (Figura 8), la cual presenta poca resistencia en presencia de solventes orgánicos
empleados usualmente para preparar y dar forma a la resina. Si durante la polimerización del
estireno se le añade una porción de divinilbenceno, cada molécula de éste iniciará
separadamente la formación de dos cadenas de estireno. Como resultado, se obtendrá una serie
de segmentos de cadenas interconectados en intervalos regulares, proporcionando una estructura
tridimensional en forma de red que presenta mayor resistencia a los solventes orgánicos (Figura
9).
Figura 8. Polimerización lineal del estireno
20
Figura 9. Estructura de una resina de intercambio iónico
A la cantidad de divinilbenceno, normalmente entre 2 y 12% de la mezcla con estireno, añadida
durante la polimerización se denomina “grado de reticulación” o entrecruzamiento, de esta
proporción dependerán las características mecánicas de la resina en aspectos como dilatación,
resistencia a la abrasión, dureza y forma. La resina que presente mayor grado de reticulación
ofrecerá mayor resistencia mecánica, pero su capacidad de dilatación será menor. [29]
1.4.2.3. Tipos de Resinas de Intercambio Iónico
a) Resinas Catiónicas Fuertemente Ácidas
Intercambian iones positivos (cationes).
Funcionan a cualquier pH.
Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de
desionización en los desmineralizados o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y
necesitan una gran cantidad de regenerante.
Las resinas catiónicas fuertemente ácidas derivan su funcionalidad de los grupos ácidos
sulfónicos.
21
Estas resinas fijan los cationes que están unidos a los iones cloruros, nitratos, sulfatos,
silicatos, quedando en el agua los ácidos de las sales inicialmente presentes en el agua de
acuerdo al siguiente detalle:
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
(35)
15
b) Resinas Catiónicas Débilmente Ácidas
Tienen menor capacidad de intercambio.
No son funcionales a pH bajos.
Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las pérdidas de carga o
provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior.
Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque
trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de
desecho procedente de las de ácido fuerte.
Las resinas catiónicas débiles están sujetas a una menor capacidad por un aumento en la
velocidad de flujo.
Estas resinas fijan los cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio de los bicarbonatos, y
liberan ácido carbónico; los cationes unidos a los aniones sulfatos, cloruros y nitratos no son
intercambiados. Si consideramos a las resinas de intercambio catiónico como R-2H, con R
como radical fijo y H como ion de sustitución, tendremos las siguientes reacciones (de
acuerdo a los cationes presentes).
Estas resinas fijan los cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio de los bicarbonatos, y
liberan ácido carbónico; los cationes unidos a los aniones sulfatos, cloruros y nitratos no son
intercambiados. Si consideramos a las resinas de intercambio catiónico como R-2H, con R
22
como radical fijo y H como ion de sustitución tendremos las siguientes reacciones (de
acuerdo a los cationes presentes):
16
17
18
19
c) Resinas Aniónicas Fuertemente Básicas
Intercambian iones negativos (aniones).
Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de
desionización en los desmineralizadores para lechos mixtos. Elimina los aniones del agua
y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa.
Estas resinas derivan su funcionalidad de amonios cuaternarios que cambian de sitio.
Todas las resinas fuertemente básicas usadas para la desmineralización pertenecen a dos
grupos: tipo 1 y 2. Químicamente los dos tipos difieren de las especies de amonio
cuaternario intercambiado.
Tipo 1: Tienen tres grupos metil, estas resinas son adecuadas para remoción total de aniones
en todas las aguas, estas son más difíciles de regenerar y se hinchan más desde la forma
clorinada a la forma hidróxido. Es más resistente a altas temperaturas y pueden ser usadas en
aguas alcalinas y altas en sílice.
Tipo 2: Tiene un grupo etanol y dos metil, estas remueven todo tipo de aniones, pero pueden
ser menos efectivas en la remoción de sílice, dan buenos resultados en aguas que contienen
predominantemente minerales ácidos libres, cloruros y sulfatos como en el influente de una
unidad descarbonatadora.
El cambiador de tipo 1 es de mayor grado básico, pero tiene menor capacidad de intercambio
que el tipo 2, cuando se opera al mismo nivel de regeneración y es, por lo tanto, menos
eficiente para absorber ácidos fuertes. Los tipos 1 y 2 difieren en selectividad, siendo el tipo
1, el mejor para remover sílice y ácidos débiles. El tipo 2 pierde basicidad más rápido bajo
ciclos repetidos que el tipo 1 y posee menor estabilidad a altas temperatura.
23
Asimismo, existen en disponibilidad estructuras de resina basadas en otras materias primas,
pero también contenido grupos cuaternarios de nitrógeno. Estas resinas poseen diferentes
selectividades, capacidades, eficiencias y estabilidad específicas, paralelas, hasta cierto
grado, a los de tipo 1 y 2, anteriormente descritos, pero sobreponiéndose lo suficiente para
hacer sumamente difícil la clasificación.
La sílice, que es muy débilmente básica, se desplazará a través de un lecho del cambiador
aniónico antes de que los iones de ácidos fuertes, ya que éstos desalojan a la sílice hacia la
parte inferior conforme progresa el ciclo.
Por lo tanto, la capacidad de las resinas, basada sobre el punto de escape de sílice, dependerá
obviamente de la relación de sílice a aniones totales.
Los cambiadores fuertemente básicos deberán ser regenerados con sosa cáustica al 4% a una
temperatura entre (35 a 37,8) °C con un tiempo de contacto entre 60 a 90 minutos.
Este intercambiador fija los aniones de los ácidos débiles tales como el ácido carbónico y el
ácido silícico. Las reacciones serían:
20
(37)
21
d) Resinas Aniónicas Débilmente Básicas
Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneración.
No se puede utilizar a pH altos, pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento.
Deben ser usadas en aguas con niveles elevados de sulfatos o cloruros, o donde no se
requiera la eliminación de la alcalinidad y del silicio.
Secuencia de selectividad para resinas aniónicas:
Fijan los aniones de los ácidos fuertes como sulfatos, cloruros y nitratos, pero no los aniones
débiles del ácido carbónico ( ), ni del ácido silícico ( ). Si consideramos a las
resinas de intercambio aniónico como R-2OH, compuestas de un radical fijo R y de un ión
móvil constituido por el grupo Oh de acuerdo a los aniones presentes, tendremos las
siguientes reacciones:
22
23
24
24
25
1.4.2.4. Selectividad de las Resinas de Intercambio Iónico. Es influenciada por las propiedades
de la esfera, los iones intercambiadores, y la solución en la están presentes los iones. El agua es
un componente esencial en las resinas de intercambio iónico. Por ejemplo, las resinas catiónicas
de ácido fuerte contienen más o menos 50% de humedad. La cantidad de entrecruzamiento de la
esfera tiene un impacto sobre el contenido de la humedad de la esfera, y por su parte, el
contenido de humedad tiene un impacto sobre la selectividad.
Una esfera con alto contenido de humedad tiene alta porosidad y los grupos activos se
encuentran más separados uno del otro. Las resinas de intercambio iónico por lo general tienen
mayor selectividad a los iones de mayor valencia o carga. Entre los iones con una misma carga
se encuentran mayores afinidades hacia los iones con un número atómico más alto.
Los fabricantes de las resinas son muy conscientes de la naturaleza del material de intercambio
iónico, y en especial del grupo funcional.
Por esta razón, algunos fabricantes no sólo han desarrollado resinas de intercambio iónico tipo
fuerte, sino que han puesto especial énfasis en las resinas de tipo débil e inclusive con distintos
grados de enlaces cruzados y también tamaño, con el objeto de optimizar la eficiencia de
operación de un proceso de intercambio iónico.
Podemos representar la eficiencia de una resina, con esta ecuación:
(3)
Tabla 3. Categorías primarias de resinas de intercambio iónico
Categoría Ácido o base inorgánico análogo Resina Intercambio
Catiónica fuerte
Catiónica débil
Aniónica fuerte
Aniónica débil
Podemos representar el proceso dentro de una columna de intercambio iónico, como un sistema
compuesto por series de equilibrios químicos; para hacerlo más gráfico, lo podemos asimilar a
la idealización de la teoría de destilación en “bandejas”. Como la solución fluye hacia abajo en
25
la columna, la reacción de intercambio se desplaza en el lecho a niveles inferiores de acuerdo a
las condiciones de cada nueva bandeja encontrada.
Cuando se diseña una columna de intercambio iónico, se establece a priori la concentración
máxima admisible de iones indeseables en el efluente producido. Cuando se llega esa
concentración, es decir, que el equilibrio en ese punto se ha conseguido en la última bandeja, se
debe proceder a regenerar la resina, para poder utilizarla en un nuevo ciclo.
La cinética, estabilidad o vida efectiva, deben ser consideradas antes de seleccionar la resina
adecuada. [30]
1.4.2.5. Secuencia de selectividad. Una secuencia de selectividad describe el orden en el que los
iones son preferidos por una resina particular, las resinas comercialmente disponibles catiónicas
y aniónicas exhiben secuencias de selectividad similar. Éstas están representadas en la Tabla 4.
[31]
Tabla 4. Afinidades relativas de los Iones por las resinas*
Resinas catiónicas de ácido fuerte ** Resinas aniónicas de base fuerte
Catión, i Anión, i ***
Ra2+
13.0 3.200
Ba2+
5.8 150
Pb2+
5.0 100
Sr2+
4.8 17
Cu2+
2.6 9.1
Ca2+
1.9 4.5
Zn2+
1.8 4.1
Fe2+
1.7 3.2
Mg2+
1.67 2.3
K+ 1.67
1.3
Mn2+
1.6 1.2
NH4+ 1.3
1.1
Na+ 1.0 1.0
H+ 0.67
0.9
0.27
0.14
0.07
26
* Los valores son aproximadamente los factores de reparación de una solución 0.005-
0.010 N (TDS=250-500 mg/L en CaCO3).
** Resinas SAC son de matriz sulfonica de poliestireno divinilbenceno con grupos
funcionales sulfonados.
*** Los factores de reparación son aproximados y están basados en diversas fuentes de
literatura técnica y en experimentos realizados en la Universidad de Houston.
1.4.2.6. Propiedades de las Resinas de Intercambio Iónico
Tabla 5.Propiedades de las Resinas de Intercambio Iónico
Propiedades Descripción
Tamaño de partícula
Resulta de la relación entre la velocidad de intercambio (la cual es mayor
con partículas pequeñas) y la rata de flujo (la cual requiere partículas
grandes para tener menores perdidas de presión).
Solubilidad
Las resinas actualmente son poliácidas o polibases de alto peso molecular
que son virtualmente insolubles pero después de ciertas temperaturas se
solubilizan.
Forma
La forma de los gránulos esféricos debe tener máxima homogeneidad y
dimensión uniformes, tal que las pérdidas en la cabeza del fluido en la
percolación permanezcan aceptables.
Densidad
La densidad más representativa es la densidad húmeda de una partícula
individual, estos tipos de resinas están entre los siguientes rangos:
Resinas catiónicas fuertes: 1.18-1.38
Resinas catiónicas débiles: 1.13-1.20
Resinas aniónicas fuertes: 1.07-1.12
Resinas aniónicas débiles:1.02-1.10
Caída de presión
La caída de presión relaciona el tamaño, la forma, la uniformidad y la
compresibilidad de las partículas, la viscosidad de la solución, la
temperatura y rata de flujo utilizada.
Resistencia a la
fractura
La expansión y contracción de la resina durante el agotamiento y la
regeneración no debe ser causa para que se revienten los gránulos. El diseño
de aparatos de intercambio iónico debe también estar dirigido a la
expansión, a evitar excesiva tensión o abrasión mecánica de la resina.
27
1.4.2.7. Estabilidad de las Resinas de Intercambio Iónico. Cuando hablamos del deterioro de
una resina de intercambio iónico, se debe considerar el hecho de que el deterioro se manifiesta
en diferentes formas, cada una de ellas es independiente o relacionada con otros factores.
Las formas de deterioro las podemos enumerar:
a) Ruptura de las partículas de la resina.
b) Despolimerización de la resina y consecuentemente hinchamiento.
c) Disminución de la capacidad total.
d) Envenenamiento de los grupos funcionales.
e) Ensuciamiento debido a la precipitación de elementos extraños en o sobre la partícula del
intercambiador.
Normalmente las resinas aniónicas son las menos estables que todas las resinas de intercambio
iónico y su vida útil entre 70 y 300 m3 de agua tratada por cada litro. Bajo condiciones
normales, la degradación es de naturaleza química, y se manifiesta en una pérdida gradual de su
capacidad de intercambio.
1.4.2.8. Regeneración de las Resinas de Intercambio Iónico
La regeneración de las resinas de intercambio iónico es el proceso inverso del proceso de
intercambio iónico es el proceso inverso del proceso de intercambio iónico y tiene por finalidad
devolverle a la resina de intercambio iónico su capacidad inicial de intercambio. Esto se realiza
haciendo pasar soluciones que contengan el ión móvil original, el cual se deposita en la resina y
desaloja los iones captados durante el agotamiento.
Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico (depende del costo y de la eficiencia): para regenerar
resinas catiónicas de ácidos fuertes y resinas catiónicas de ácidos débiles.
Hidróxido de sodio o hidróxido de amonio: para regenerar resinas aniónicas de bases fuertes
y resinas aniónicas de bases débiles.
Una vez regenerada la resina está lista para un nuevo ciclo de intercambio iónico. [32]
28
a) Regeneración de las Resinas de Intercambio Catiónico
Cuando cualquiera de las resinas de intercambio catiónico débiles o fuertes ya no tienen
iones hidrógeno para intercambiar, a estas resinas se les regenera haciendo pasar una
solución de ácido (normalmente ácido sulfúrico), produciéndose las siguientes reacciones:
26
(Resina regenerada)
27
(Resina regenerada)
28
(Resina regenerada)
29
(Resina regenerada)
La regeneración se realiza normalmente en serie y la solución de ácido sulfúrico atraviesa
sucesivamente la resina fuertemente ácida y la resina débilmente ácida. El exceso de ácido
proveniente de la regeneración de la resina fuertemente ácida es suficiente para regenerar
completamente la resina débilmente ácida.
b) Regeneración de las Resinas de Intercambio Aniónico
Una vez que las resinas de intercambio aniónico débilmente y fuertemente básicas no tienen
más iones OH- que intercambiar con los aniones del agua, estas deben ser regeneradas. Su
capacidad de intercambio le es devuelta haciendo pasar una solución de base fuerte
(generalmente se emplea hidróxido de sodio), la cual atraviesa primero el intercambiador de
las resinas aniónicas de base fuerte y luego el intercambiador de las resinas aniónicas de base
débil. Se producirán las siguientes reacciones:
30
31
32
[33] 33
29
c) Regeneración concurrente versus contracorriente
La reciente tendencia es usar el flujo de regeneración o caudal hacia arriba (contracorriente)
con el propósito de minimizar la fuga de iones contaminantes en los subsiguientes
agotamientos de los desmineralizadores de intercambio iónico. Técnicamente, la
regeneración contracorriente es mejor porque expone la parte inferior (o de salida) de lecho a
mejores indicios de regeneración.
1.4.2.9. Procesos de Columnas
Las operaciones de columna de intercambio iónico no dan como resultado un porcentaje fijo de
remoción de contaminante en el tiempo que resultaría. Estos procesos de columna exhiben un
grado variable de remoción de contaminante y una rotura en el enlace de contaminante similar.
a) Columnas de lecho fijo
Las columnas de intercambio iónico son normalmente serpientes de acero a presión
construidas para proporcionar (1) un buen sistema de alimentación y distribución del
regenerante; (2) un apropiado soporte al lecho, incluyendo provisión para retroplano y
distribución del agua; y (3) suficiente espacio libre encima del lecho de resina para permitir
la expansión esperada del lecho durante el retrolavado. Adicionalmente, el recipiente debe
estar revestido de forma que se eviten problemas de corrosión resultantes de las soluciones
concentradas salinas y, en algunos casos, de los ácidos y bases utilizadas para la
regeneración o limpieza de la resina. Debe haber un mínimo espacio muerto debajo del lecho
de resina, donde deben recogerse las soluciones regenerantes y de limpieza y,
subsiguientemente, mezclarse en el efluente durante el ciclo de servicio.
b) Típico ciclo de servicio para una sola columna
Las columnas de intercambio iónico operan sobre ciclos de servicio similares, que constan
de seis etapas o pasos: (1) agotamiento, (2) retrolavado o lavado intenso, (3) regeneración,
(4) lavado suave, (5) lavado rápido y (6) retomo al servicio. Un esquema de proceso simple
de una sola columna se muestra en la Figura 10, que incluye un «bypass» opcional para una
parte del agua de alimentación. El «bypass» de mezcla será un proceso normal para
aplicaciones de tratamiento de agua potable porque las resinas de intercambio iónico pueden
normalmente producir un efluente libre de contaminantes que es más puro que el exigido
30
legalmente. Además, para minimizar los costos de tratamiento, parte del agua de
alimentación contaminada, típicamente del 10 al 50 por 100, será «by-paseada» del proceso
y mezclada con el efluente para producir un agua producto que se aproxima al agua fracción
(p. ej., 70 por 100). [34]
Figura 10. Estructura Esquema y ciclo de servicio de un proceso de columna de
intercambio iónico
1.4.2.10. Cálculos
a) Tamaño de lecho y tasas de flujo
Una profundidad del lecho de resinas de 30 pulgadas (76 cm) se considera usualmente como
mínima, y lechos tan profundos como de 12 pies (3,67 m) no son infrecuentes. El tiempo de
contacto de lecho vacío (EBCT) escogido determina el volumen de resina requerido y está
normalmente en la banda de 1,5 a 7,5 min. El recíproco o inverso del EBCT es la tasa de
flujo de servicio (SFR) o tasa de agotamiento, y su rango aceptado es de 1 a 5 gpm/pie3.
31
(4)
(5)
Donde
QF: tasa de control volumétrico, gal/min (L/min).
VR: volumen de lecho de resina incluyendo huecos, pies3 (m
3).
b) Bypass de agua permitido
Suponiendo que el agua que pasa a través de la resina tiene dureza cero. El caudal de bypass
se calcula escribiendo un balance de dureza en el punto de mezcla, punto E en la Figura. 10,
donde el efluente de la columna se mezcla con el agua fuente en paralelo. Balance de dureza
de masa en el punto E:
(6)
Balance de caudal en el punto E:
(7)
Dónde:
QB: tasa de caudal de bypass
QF: tasa de alimentación de columna y de caudal efluente
QP: tasa de caudal de producto mezclada (es decir, tasa total de caudal)
CB: concentración de dureza en el agua bruta de bypass
CE: concentración de dureza en el efluente de la columna, supuesto que sea cero, mg/L
CP: concentración elegida de dureza en el agua producto mezclada
La solución a estas ecuaciones se obtiene fácilmente en términos de la fracción by pasada :
(8)
La fracción , que debe tratarse por intercambio iónico es:
(9)
32
c) Duración del tratamiento
El tiempo de agotamiento para el brote de dureza y los volúmenes de lecho para el
brote de dureza se calcula de un balance de masa de dureza se calcula de un balance de masa
de dureza, suponiendo de nuevo que el efluente de la resina contiene dureza nula.
Expresando en palabras este balance de masa es:
(10)
Donde:
qH: capacidad de dureza de la resina al nivel de regeneración seleccionado eq/L (kg/pie3)
VR: Volumen de lecho de resina incluyendo los huecos o agujeros, L
QF tH: volumen de agua alimentada a la columna durante el tiempo tH, L
Así pues:
(11)
El tiempo tH para un brote de dureza está relacionado con los volúmenes de lecho para el
brote
BVH y el EBCT:
(12)
d) Volumen de resina
El parámetro escogido más importante fue la tasa del caudal de servicio (SFR), porque
especifica directamente el volumen de resina necesario VR.
(13)
33
e) Mínimo tiempo fuera de servicio para regeneración.
El tiempo fuera de servicio (tos) de la columna que está siendo regenerada no debería exceder
del tiempo de agotamiento del brote de dureza tH.
(14)
Donde:
: tiempo de retrolavado, min
: tiempo de regeneración, de 30 a 60 minutos
: tiempo de regeneración lento,min
: tiempo de regeneración rápido, min
Un tiempo fuera de servicio conservador seria la suma de los máximos tiempos de
retrolavado, regeneración y limpieza (p. ej., 2 horas). Esto no causa problemas con relación a
la operación continua porque el tiempo de agotamiento debe ser mayor al tiempo fuera de
servicio.
f) Dimensiones de columna.
La profundidad h de la resina fue especificada antes; de modo que la altura de la columna,
además del volumen o altura para expansión del 100 por 100 del lecho de resina durante el
retrolavado, se especifica en esta sección.
(15)
La relación resultante de la profundidad del techo de resina al diámetro de la columna debe
estar dentro del rango aceptable de 0,2:1 a 2:1 si se proporciona una adecuada distribución
del flujo.
g) Volumen de agua residual.
La solución regenerante gastada comprende los volúmenes de regenerante y de lavado lento
(lavado de desplazamiento). [35]
34
h) Cálculos en lechos empacados y fluidizados
En el proceso de retrolavado en la Torres de Intercambio Iónico, el lecho se fluidiza, es por
tal razón que se consideren las siguientes ecuaciones en su diseño.
Coeficiente de arrastre.
El arrastre es una fuerza mecánica que se genera por el contacto entre un sólido y el fluido.
La magnitud del coeficiente de arrastre depende de varios factores como la rugosidad de la
superficie del cuerpo, el número de Reynolds del fluido, la geometría del objeto y cuerpos
externos o superficies cercanas.
El número de Reynolds para un determinado sólido inmerso se define como se muestra en la
ecuación 16.
(16)
Donde:
: número de Reynolds
: diámetro de la partícula, m
: velocidad intersticial del fluido, m/s
: densidad de la partícula, kg/
: viscosidad del fluido, Pa.s
Pérdida por fricción en lechos empacados
La resistencia al flujo de un fluido a través de los huecos de un lecho de sólidos es la
resultante del rozamiento total de todas las partículas del lecho. Las pérdidas por fricción
para un flujo a través de un lecho empacado pueden calcularse utilizando la ecuación de
Ergum:
(17)
Perdidas viscosas Perdidas turbulentas
35
Donde:
: perdidas por fricción
L: longitud del lecho, m
: velocidad superficial del fluido, m/s
: viscosidad, Pa.s
: porosidad
: diámetro de partícula, m
: densidad del fluido, kg/
La caída de presión en un lecho empacado es directamente proporcional a las pérdidas por
fricción en el lecho y corresponde a:
(18)
Ergun define el número de Reynolds como se muestra en la ecuación 19.
(19)
(20)
Si > 1, domina el término de pérdida viscosa.
Si < , domina el término de pérdida turbulenta.
Cuando 1< < , ósea que está en régimen de transición, se utiliza la siguiente
expresión:
(21)
Siendo: = factor de fricción en un lecho empacado. [36]
Fluidización
Cuando un fluido corre hacia arriba a través de un lecho empacado a bajas velocidades, las
partículas permanecen estacionarias. Al aumentar la velocidad del fluido, la caída de presión
aumenta de acuerdo a la ecuación de Ergum (ec.17 y ec. 18). Si se sigue incrementando la
velocidad, llegará un momento en que la fuerza de la caída de presión iguale a la fuerza
36
gravitatoria sobre la masa de las partículas, entonces las partículas comenzarán a moverse, y
éste es el principio de la fluidización.
Figura 11. Fluidización de lecho
Velocidad y porosidad mínima de fluidización
La porosidad cuando ocurre la verdadera fluidización es la porosidad mínima para la
fluidización. El lecho se expande hasta esta porosidad antes de que aparezca el movimiento
de las partículas.
Se puede estimar mediante ecuaciones empíricas sugeridas por Wen la esfericidad. [37]:
(22)
La relación entre la altura del lecho y la porosidad es:
(23)
Donde es la altura del lecho con porosidad , y es la altura con porosidad .
La velocidad mínima de fluidización es la velocidad a la cual comienza la fluidización, en la
figura 12 corresponde al punto “A” que es la intersección de la ecuación para lechos fijos y
la ecuación para lechos fluidizados.
37
Figura 12. Pérdidas por fricción en lechos fijos y fluidizados
Caída de presión y velocidad mínima de fluidización
Cuando comienza la fluidización, la caída de presión a través del lecho equilibra la fuerza de
gravedad sobre los sólidos, descontando el empuje del fluido.
(24)
Como se muestra en la figura 12, el punto de intersección entre la ec. 24 y la ec. 17 (Ergun)
nos permite tener la siguiente expresión, que corresponde a la velocidad mínima de
fluidización:
(25)
Donde:
: velocidad mínima de fluidización, cm/s
: viscosidad, Pa.s
: porosidad mínima de fluidización
: esfericidad
: diámetro de partícula, cm
: densidad del sólido, g/
: densidad del fluido, g/
38
Expansión del lecho fluidizado
La variación de la porosidad tiene relación con la velocidad del fluido, dicha relación se
define como sigue:
[38] (26)
Figura 13. Exponente de la correlación para la expansión del lecho
1.4.2.11. Ventajas y desventajas de los procesos de remoción de contaminante inorgánico por
Intercambio Iónico.
a) Ventajas.
Operaciones sobre demanda.
Relativamente insensible a las variaciones de flujo, corto tiempo de contacto requerido.
Relativamente insensible a las trazas de concentración del nivel contaminante.
Esencialmente nivel cero de afluente contaminante posible.
Gran variedad de resinas efectivas disponibles.
Los efectos beneficiarios de la selectividad conversa ocurren después de la regeneración.
En algunas aplicaciones, el regenerante utilizado puede volver a utilizarse sin remoción
de contaminante.
39
b) Desventajas.
Capacidad potencial de puntas cromatográficas de efluente cuando se usan lechos
simples.
Calidad del efluente variable con respeto a los iones de respaldo cuando se utilizan lechos
simples.
Usualmente no factibles a altos niveles de sulfato o sólidos totales disueltos.
Grandes volúmenes de regenerante deben utilizarse y verterse. [39]
1.4.3. Ósmosis Inversa
1.4.3.1. Ósmosis. La ósmosis es un proceso natural donde el solvente, principalmente agua,
fluye a través de una membrana semipermeable, 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 solución con una alta concentración de sólidos disueltos. El
solvente, fluye de la membrana hasta que la concentración se iguale en ambos lados de la
membrana.
Figura 14. Proceso natural de ósmosis
1.4.3.2. Técnicas con Membranas cuya fuerza impulsora es la presión. De acuerdo con el
tamaño de las partículas del soluto que va a atravesar la membrana, se clasifican éstas,
valiéndose para ello del denominado umbral de corte, que es un parámetro referido al peso
molecular medido en Dalton, del producto más pequeño que es retenido por la membrana en un
90 o 95 % aunque en la retención influyen otros factores como la forma y carga de las
moléculas, otros solutos, etc., (Cheryan, 1986, Mulder, 1991).
40
Estas técnicas con membranas, cuya fuerza impulsora es la presión son: Microfiltración (MF),
Ultrafiltración (UF), Nanofiltración (NF) y Ósmosis Inversa (OI).
Figura 15. Procesos cuya Fuerza Impulsora es la Presión
La microfiltración retiene partículas en suspensión con un diámetro medio de una micra, con
tamaños que van de 0,05 a 10 micrómetros. Utiliza membranas porosas y el mecanismo de
exclusión. Las presiones que se aplican van de 0.5 a 3 bares y se dispone de membranas con un
amplio rango de materiales.
La microfiltración se emplea en la clarificación de vinos, cerveza y zumos de frutas, en la
esterilización de fármacos, concentración de células, como pretratamiento para procesos
posteriores de nanofiltración y ósmosis inversa, y en el tratamiento de aguas residuales
utilizadas para reemplazar filtros prensa, decantadores, etc.
La ultrafiltración retiene macromoléculas, pero utiliza el peso molecular como índice de
rechazo, ya que por tamaños de las moléculas no se puede determinar el umbral de corte. El
intervalo está entre 1000 y 5000 Dalton, o de 2 a 100 nanómetros. Utiliza como principio el
mecanismo de exclusión mediante membranas porosas, de material polimérico o inorgánico.
Presentan el problema del ensuciamiento.
41
Las aplicaciones de la ultrafiltración se dan en la concentración y purificación empleadas en la
industria lechera y de alimentos, en la metalurgía, textiles y automóviles y en el tratamiento de
aguas residuales y otros efluentes.
La nanofiltración ocupa un lugar intermedio entre la Ultrafiltración y la Ósmosis Inversa.
En la ósmosis inversa, la separación del soluto no se debe a su tamaño, y es un mecanismo de
disolución-difusión a través de la membrana. Estas sólo permiten el paso del agua, (Mulder,
1991, Bhattacharyya, 1992). [40]
1.4.3.3. Descripción del Proceso de Ósmosis Inversa. Este fenómeno se determina tomando en
consideración la posibilidad de invertir la presión osmótica aplicando una presión igual o
superior a la misma, en el lado de la solución más concentrada para de esta manera, provocar el
paso del agua en sentido inverso. Este fenómeno se llama ósmosis inversa.
La ósmosis inversa es la separación de componentes orgánicos e inorgánicos del agua por el uso
de una presión ejercida en una membrana semipermeable mayor que la presión osmótica de la
solución. La presión forza al agua pura a través de la membrana semipermeable, dejando atrás
los sólidos disueltos. El resultado es un flujo de agua pura, esencialmente libre de minerales,
colídales, partículas de materia y bacterias.
El agua se hace pasar a través de membranas que dividen el flujo en dos efluentes, uno
concentrado y otro que se conoce como permeado. La membrana es una película semipermeable
que permite obtener agua con una baja concentración de contaminantes debido a la diferencia de
presión osmótica generada entre el efluente de alimentación, el permeado y la membrana.
El permeado es un efluente bajo en sales y el Rechazo es un efluente con alto contenido de sales
y contaminantes. [41]
42
Figura 16. Esquema del fenómeno de Ósmosis Inversa
1.4.3.4. Presión Osmótica. Los datos experimentales muestran que la presión osmótica de una
solución es proporcional a la concentración del soluto y a la temperatura T. Van´t Hoff
demostró originalmente que la relación es semejante a la de la presión de un gas ideal. Por
ejemplo, en soluciones de agua diluidas:
(27)
Donde:
: presión osmótica en atm .
: concentración total de los iones disueltos en
.
R: constante de la ley de los gases (
)
T: temperatura en °C.
Una aproximación de la presión osmótica puede ser que por cada 1.000 ppm de concentración
de TDS es igual a 0.76 atm de presión osmótica.
La presión osmótica es un valor estático, es decir que el valor de presión osmótica cambiará al
momento en que pase un poco de agua a través de la membrana, en el sentido del agua salada al
agua pura, ya que tendremos un incremento en la concentración en el agua salada, lo que
ocasionará que se incremente la presión osmótica, razón por la cual será necesario incrementar
la presión en el agua a desalar. Una forma de calcular la presión máxima a aplicar se puede
obtener conociendo las características de la membrana, es decir, conocer el porcentaje de
43
rechazo de sales de la membrana, así como el porcentaje de recuperación máximo que permite
la membrana sin sufrir daño alguno, por lo general las membranas rechazan un 99.7% de sales y
pueden recuperar hasta un 14% del agua de alimentación, variando según el agua de
alimentación. [42]
1.4.3.5. Paso de sales. El paso de sales se define como la proporción de concentración de sales
en el lado de permeado de la membrana relativa al promedio de concentración en la
alimentación/concentrado. Matemáticamente se expresa en la ecuación 4:
(28)
Donde:
SP: paso de sales en (%).
: concentración de sales en el permeado
.
: concentración media de sales en el caudal de alimentación
. [43]
1.4.3.6. Rechazo de sales. El rechazo de sales es lo opuesto del paso de sales y se define por la
ecuación siguiente:
(29)
Donde:
SR: rechazo de sales en (%).
SP: paso de sales como se definió en la ecuación 28. [44]
1.4.3.7. Porcentaje de Recuperación de Permeado (Conversión). La recuperación de permeado
es otro parámetro importante en el diseño y operación de sistemas de ósmosis inversa. El
porcentaje de recuperación o conversión del agua de alimentación en el producto (permeado) se
define por la siguiente ecuación:
(30)
(31)
44
Donde:
R: recuperación en (%).
: caudal de agua del producto o permeado.
: caudal de agua de alimentación.
: caudal del concentrado
La recuperación también puede expresarse en función de las concentraciones, es decir:
(32)
Donde:
R: recuperación en (%).
: concentración del concentrado.
: concentración de alimentación.
: concentración en el permeado.
El porcentaje de recuperación afecta el paso de sales y el caudal del producto. A medida que se
incrementa el porcentaje de recuperación, la concentración de sales en el lado de alimentación
de la membrana aumenta, lo que causa un incremento en el flujo de sales que atraviesa la
membrana como se indica en el ecuación 39. [45]
1.4.3.8. Presión neta de manejo. Se la define como la fracción de presión que se aplica en
exceso a la presión osmótica a la entrada y a cualquier caída de presión dentro del sistema. El
valor de este decrece a lo largo de la unidad de ósmosis inversa, también conocida como Net
Driving Presurre (NDP).
(33)
Donde:
: presión de alimentación.
: presión osmótica.
: presión de permeado.
: caída de presión a lo largo de la unidad de ósmosis inversa.
: presión osmótica del permeado.
45
El NDP está en función del porcentaje de recuperación, así como del arreglo de membranas en
el sistema de ósmosis inversa y de la presión de alimentación.
1.4.3.9. Flujo promedio. Es una combinación del flujo de permeado dividido entre el área total
de las membranas instaladas en la unidad de ósmosis inversa.
(34)
Donde:
: caudal del permeado
.
: número de elementos en el sistema .
: área de la membrana por elemento ( .
1.4.3.10. Permeabilidad específica. La permeabilidad específica o flujo específico, caracteriza
el material de la membrana en términos de la cantidad de agua que produce dividido entre el
gradiente de la presión neta de transporte, es decir:
(35)
La permeabilidad específica depende de la resistencia que presenta la membrana al flujo de
agua.
Donde:
APF: flujo promedio.
NDP: presión neta de manejo.
1.4.3.11. Concentración por polarización (Factor Beta). Cuando se desarrolla un proceso de
separación con membranas, a medida que avanza el tiempo van quedando solutos en cercanías
de la membrana, del lado de la alimentación, las cuales pertenecen a sales disueltas que no han
podido pasar al permeado.
46
Figura 17. Capa límite y retrodifusión en el proceso de polarización por concentración.
Estos solutos son arrastrados por la corriente de rechazo, pero esta velocidad en la superficie de
la membrana es casi nula, por lo que estos sólo pueden pasar a la corriente rápida del rechazo
por difusión, que se produce en sentido contrario a la del flujo a permear, razón por la cual se le
puede llamar retrodifusión, y que origina una zona en la que la concentración de especies es
mayor que la del resto de la solución, y que se denomina “capa límite”.
La situación anterior se ha llamado polarización de la membrana, y cuando aumenta la
concentración de esta solución en contacto con la membrana, se dice que hay concentración por
polarización. (Fariñas, 1999).
Con el tiempo esta concentración de soluto en proximidades de la superficie de la membrana se
incrementa, pero llega hasta un valor límite para el que los dos flujos opuestos se igualan y se
llega al estado estacionario. Sin embargo, puede suceder que la concentración de soluto en la
capa de polarización se incremente hasta que llegue a formarse una capa de gel que se opone a
la transferencia de materia.
47
Figura 18. Capa de gel por incremento de la polarización por concentración.
Desde la superficie de la membrana hacia la corriente principal difunden diversos solutos, a
distintas velocidades, dependiendo del tamaño del ion o partícula, su carga y su concentración,
pero los iones monovalentes lo hacen mucho más rápido que los de valencias superiores.
La concentración de solutos límite en la superficie de la membrana se denomina concentración
de gel. (Cheryan, 1986, Shu-Sen, 1988, Mulder, 1991, Kulkarni, 1992). Cuando se llega a esta
situación, un incremento en la presión de operación no aumenta la velocidad de permeación sino
únicamente el espesor de la capa de gel.
La capa límite se forma rápidamente durante el proceso, pero desaparece cuando se suspende el
gradiente de presión, pero la capa de gel se forma más lentamente y suele ser permanente.
A medida que el agua fluye a través de la membrana y las sales son rechazadas por ésta, una
capa límite se forma cerca de la superficie de la membrana en la cual la concentración de sales
excede la concentración promedio de sales en el flujo turbulento. Este aumento de
concentración de sales se denomina concentración por polarización es la reducción del caudal
real de agua del producto y del rechazo de sales contras los estimados teóricos. Los efectos de la
concentración por polarización son los siguientes:
a) Mayor presión osmótica en la superficie de la membrana que en el promedio del caudal de
alimentación, , y reducción del diferencial de Presión Neta aplicada a través de la
membrana:
48
b) Reducción del caudal de agua que traviesa la membrana.
c) Aumento del paso de sales a través de la membrana.
d) Aumento de la probabilidad de exceder la solubilidad de sales moderadamente solubles en la
superficie de la membrana, y de las posibilidades de precipitación que causará la formación
de incrustaciones sobre las membranas.
El Factor de Concentración por Polarización (CPF o Factor Beta), se puede definir como la
proporción de concentración de sales en la superficie de la membrana (Cs) en la concentración
en el flujo turbulento promedio (Cb).
(36)
1.4.3.12. Ecuaciones de flujo específico para la ósmosis inversa
a) Modelos básicos para los procesos de membrana
Existen dos tipos básicos de mecanismos de transporte de masa que pueden ocurrir a través
de membranas. En el primer tipo básico, que utiliza membranas apretadas capaces de retener
solutos con tamaños de cerca de 10 o menores, ocurre principalmente el transporte tipo
difusión. Tanto el soluto como el disolvente migran por difusión molecular o de Fickian en
el polímero, impulsados por gradientes de concentración establecidos en la membrana por la
diferencia de presión aplicada. En el segundo tipo básico que utiliza membranas
microporosas holgadas que retienen partículas mayores de 10 , ocurre un mecanismo tipo
criba en el cual el disolvente se mueve a través de los microporos con flujo esencialmente
viscoso, y las moléculas de soluto, lo bastante pequeñas como para pasar a través de los
poros, son arrastradas por convección con el disolvente.
Modelo del tipo de difusión
Para la difusión del disolvente a través de la membrana, se muestra en la siguiente figura:
49
Figura 19. Concentraciones y flujos en el proceso de ósmosis inversa.
1.4.3.13. Constantes de permeabilidad para las membranas de ósmosis inversa. Las constantes
de permeabilidad de las membranas se determinan experimentalmente para el e tipo particular
de membrana que se va a usar en las membranas de acetato de celulosa, las constantes típicas de
permeabilidad al agua fluctúan entre ( y )
.
Los valores para otros tipos de membranas pueden ser muy diferentes. En general, la constante
de permeabilidad al agua de una membrana particular no depende del soluto presente. Algunos
valores relativos comunes para las constantes de permeabilidad al soluto de las membranas
de acetato de celulosa son los siguientes:
Tabla 6. Constantes de permeabilidad al soluto de las membranas de acetato de celulosa
Constante de permeabilidad al soluto ,
Sales
NaCl
BaCl2
MgCl2
CaCl2
Na2SO4
KCl
NH4Cl , Al
50
1.4.3.14. Tipos de equipo para ósmosis inversa. En la unidad de placa y marco, unas delgadas
placas de apoyo de plástico con finas ranuras se cubren por ambos lados con membranas como
en un filtro de prensa. Una solución de alimentación con sobrepresión fluye entre las
membranas, que guardan poco espacio entre sí. El disolvente permea a través de la membrana y
fluye en las ranuras hacia la salida.
En la unidad tubular, las membranas en forma de tubos se insertan dentro de fundas de tubos
porosos, que sirven como recipiente con sobrepresión. Estos tubos se disponen en manojos
como en un intercambiador de calor.
Figura 20. Configuración de la membrana tubular
En la unidad de enrollado en espiral se usan membranas planas, y entre ellas se interpone
material de soporte poroso y plano. Después, las membranas, el soporte y un separador de malla
del lado de la alimentación se enrollan en espiral alrededor de un tubo. En el de fibras huecas,
de 100 a 200 µm de diámetro y paredes de cerca de 25 µm de grueso, las fibras se disponen en
un manojo semejante al de un intercambiador de calor. [46]
51
Figura 21. Configuración de la membrana en espiral
1.4.3.15. Parámetros en los procesos con Membranas
a) Velocidad de Filtración
Se determina con base en el volumen de solución de la alimentación que pasa en un lapso de
tiempo a través de la membrana, donde el flujo de alimentación es tangencial a permear por
unidad de área.
El concepto de velocidad de filtración anterior se expresa matemáticamente como:
(37)
Donde:
J: velocidad de Filtración en
.
V: volumen de solución de la alimentación en m3.
t: tiempo de la solución a través de la membrana en s.
A: área de la membrana en m2.
De acuerdo con (Mulder, 1991, Raman, 1994), la resistencia al flujo a través de la membrana
se puede obtener como la suma de las resistencias R:
52
(38)
Donde:
: Resistencia de la membrana, que depende del grado de porosidad de la membrana y del
espesor de la misma.
: Resistencia por la adsorción de solutos sobre la membrana.
: Resistencia por el bloqueo de poros, debido a sustancias en suspensión.
Resistencia debido a la capa de gel formada a la entrada de flujo a permear la membrana
y localizada sobre ella. Es similar a la de polarización de la concentración. Responde a
sustancias que se agregan y se compactan formando una segunda capa. No siempre ocurre,
pero es causada por la concentración de sólidos sobre la membrana.
: Resistencia debida a la polarización de la concentración por sólidos que se agrupan a la
entrada de la membrana, y se oponen a la filtración.
Las resistencias anteriores no siempre se presentan todas, pero su ocurrencia afecta de forma
inversa la velocidad de filtración, de tal manera que si la fuerza impulsadora que es la
diferencia de presión es directamente proporcional a ella, esta relación se puede expresar
como:
(39)
Como se desprende la ecuación 23, el aumento de la resistencia va reduciendo la velocidad
de filtración, y esta resistencia puede ir en aumento por que el transporte de sólidos hacia la
membrana se hace cada vez mayor.
La formación de la torta en un proceso de filtración a presión constante en el cual la
dirección del flujo es tangencial a la membrana, y se expresa como:
(40)
Donde:
µ: viscosidad dinámica de la solución de alimentación.
: concentración de la solución de alimentación.
53
α: característica de la torta, y depende de los sólidos que se aglomeran encima de la
superficie de la membrana.
V: volumen de solución de la alimentación en m3.
t: tiempo de la solución a través de la membrana en s.
A: área de la membrana en m2.
: Resistencia de la membrana, que depende del grado de porosidad de la membrana y del
espesor de la misma.
Combinando las ecuaciones 28 y 29, se obtiene:
(41)
En la ecuación 30, el término
representa la resistencia de las partículas que se van
acumulando. De acuerdo a esta ecuación, se puede afirmar que la velocidad de filtración se
ve afectada por cambios en la presión; por cambios en la temperatura porque su variación
afecta la viscosidad del fluido y por cambios en la concentración de solutos en la
alimentación, ya que una mayor concentración de ellos hará más difícil el flujo a través de la
membrana.
b) Presión de Operación
En ósmosis inversa, el flujo de alimentación es en dirección tangencial a la superficie de
permeado de la membrana, y en razón de la alta velocidad de alimentación inducida por las
presión aplicada, las sustancias retenidas allí son arrastradas de la superficie, evitando así la
obstrucción de poros.
54
Figura 22. Variación de la velocidad de filtración de la presión aplicada.
Como se vio al tratar lo relativo a la velocidad de filtración, ésta afectada directamente por la
presión aplicada a la solución de alimentación, y la relación entre la velocidad de filtración y
la presión transmembranar se mantiene constante sólo cuando el flujo de alimentación está
libre de solutos como el agua pura. [47]
1.4.3.16. Sistemas de Membranas. Las membranas se utilizan de manera muy particular para la
obtención de agua tratada procedente de aguas subterráneas, superficiales o residuales.
Actualmente las membranas son competitivas con las técnicas convencionales. El proceso de la
separación por membrana se basa en la utilización de membranas semipermeables.
El principio es bastante simple: la membrana actúa como un filtro muy específico que dejará
pasar el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias.
Hay dos factores que determinan la efectividad de un proceso de filtración de membrana:
selectividad y productividad.
La selectividad se expresa mediante un parámetro llamado factor de retención o de separación
mientras que la productividad se expresa mediante un parámetro llamado flujo. Estos dos
parámetros dependen del tipo de membrana que se utilice dentro de un sistema de purificación
de agua.
55
a) Membrana semipermeable
Una membrana semipermeable es cualquier membrana animal, vegetal o sintética en la que
el agua puede penetrar y traspasar con mucha más facilidad que los otros componentes que
se encuentran en dicha solución; por ejemplo para separar y quitar los sólidos disueltos,
materia orgánica, materia coloidal, sub-microorganismos, virus y bacterias del agua.
El proceso se llama ósmosis inversa puesto que requiere la presión para forzar el agua pura a
través de una membrana; saliendo las impurezas detrás. La ósmosis inversa es capaz de
quitar un 95 a 99% los sólidos disueltos totales (TDS) y el 99% de todas las bacterias para de
esta manera generar agua segura y de buena calidad para el consumo humano.
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, su función
consiste básicamente en la remoción o desmineralización de los componentes orgánicos
presentes disueltos en el agua (TDS) por la acción de una presión ejercida sobre una
membrana semipermeable. [48]
1.4.3.17. Material de las membranas. Dependiendo del material de las membranas, ciertos
factores afectaran la calidad y la cantidad del agua producida a través de esta tecnología. En la
actualidad hay tres tipos de materiales para membranas que son usados en sistemas de ósmosis
inversa: Acetato de Celulosa, Poliamidas y Membrana de Película Delgada.
Cada uno de los materiales de las membranas exige ciertos requisitos sobre el agua de entrada,
los cuales deben cumplirse si se aspira lograr la vida normal de la membrana. Los factores que
más afectan el material de la membrana son: la temperatura, el pH, las bacterias, el cloro libre y
el índice de saturación de Langlier.
a) Acetato de Celulosa (CA)
Se obtiene de tratar la celulosa procedente del algodón y la madera con ácido acético. A
partir del acetato de celulosa modificado, se han fabricado una gran diversidad de
membranas en función de los tratamientos complementarios a los que se someten después de
su formación. A continuación se muestra una representación gráfica de la evolución de la
esperanza de vida de una membrana de acetato de celulosa en función de la temperatura y
del pH de trabajo.
56
b) Poliamidas aromáticas
Dentro del grupo de las poliamidas aromáticas, existen dos polímeros con unas
características de resistencia química muy parecidas: la poliamida aromática lineal y la
poliamida aromática con entrecruzamientos. El primer tipo se utiliza para fabricar
membranas integrales, mientras que la poliamida aromática entrecruzada presenta una menor
compactación y un mejor comportamiento ante los oxidantes. [49]
1.4.3.18. Tipos de Membranas
Entre los tipos de membranas más importantes tenemos: la de espiral enrolladas y las que son
fabricadas con fibra hueca; aunque también existen membranas planas y en configuración
tubular.
a) Membranas de espiral
Las membranas de espiral consisten en dos capas de membrana, situadas en un tejido
colector de permeados. Esta funda de membrana envuelve a un desagüe de permeados
situados en posición central. Esto hace que la densidad de embalaje de las membranas sea
mayor. El canal de entrada del agua se sitúa a una altura moderada, para prevenir la
obstrucción de la unidad de membrana.
Las membranas de espiral son usadas solamente para aplicaciones de nanofiltración y
ósmosis inversa.
Figura 23. Sección Transversal de Módulo en espiral
57
Fuente: AQUARENT. Plantas purificadoras de agua, ósmosis inversa, agua destilada.
[Fecha de consulta: 14 julio 2015]. Disponible: < http://www.living-
water.org/osmosis_inversa___desmineralizacion__desalacion__agua_destilada.htm
Figura 24. Membrana de espiral
b) Membranas de fibras huecas
Las membranas de fibras huecas tienen un diámetro inferior a 0.1 µm. En consecuencia, las
posibilidades de obstrucción de una membrana de fibras huecas son muy elevadas. Las
membranas solo pueden ser usadas para el tratamiento de agua con un bajo contenido de
sólidos suspendidos. La densidad de empaquetamiento de una membrana de fibras huecas es
muy alta. Las membranas de fibras huecas son casi siempre usadas solamente para
nanofiltración y ósmosis inversa.
Figura 25. Sección transversal de una membrana de fibras huecas
58
Figura 26. Módulos de fibras huecas
c) Membranas planas o almohadiformes
Las membranas que constan de placas planas se llaman membranas almohadiformes. El
nombre de almohadiforme viene de la forma de almohada que tienen dos membranas cuando
son empaquetadas juntas en una unidad de membrana. Dentro de la “almohada” hay una
placa de apoyo, que se ocupa de la solidez.
En el módulo se encuentran muchas almohadas con un cierto espacio de separación entre
ellas que depende del contenido en sólidos disueltos del agua residual. El agua fluye de
adentro hacia afuera a través de las membranas. Cuando el tratamiento ha sido realizado, el
permeado se recoge en el espacio entre las membranas, desde donde es sacado a través de
cañerías. [50]
d) Membranas tubulares
Las membranas tubulares no son membranas autosuficientes. Están situadas dentro de un
tubo, hechas de un tipo especial de material. Este material es la capa que sostiene a la
59
membrana. Debido a que las membranas tubulares se localizan internamente en un tubo, el
flujo en una membrana a la capa que la sostiene es muy débil.
Las membranas tubulares tienen un diámetro de 5 a 15 mm. Debido al tamaño de la
superficie de la membrana, no es probable que las membranas tubulares se obstruyan. Un
inconveniente de las membranas tubulares es que la densidad del empaquetamiento es baja,
lo que resulta en un mayor precio por módulo.
Figura 27. Membrana tubular
e) Membranas capilares
Con las membranas capilares la membrana sirve de barrera selectiva, que es suficientemente
grande para resistir las presiones de filtración. Debido a esto, el flujo a través de las
membranas capilares puede ser tanto de adentro afuera como de afuera hacia adentro.
El diámetro de las membranas capilares es mucho más pequeño que el de las membranas
tubulares, concretamente de 0.5 a 5 mm. Debido al menor diámetro, las probabilidades de
obstrucción con una membrana capilar son mucho mayores.
1.4.3.19. Ventajas de las Membranas
Menor costeo que otras tecnologías que tienen objetivos similares.
Alta selectividad.
Diseño a menudo simple.
Trabajan en continuo y en condiciones poco forzadas.
60
Fácil cambio de escala.
Flexibilidad para ser ajustada a diferentes procesos y fácil de ser combinada en procesos
híbridos. Lo más importante es que puede ser combinada con un proceso tradicional, puesto
que hay procesos que no son suficientemente eficaces, pero al trabajar conjuntamente con
membranas pueden dar muy buenos resultados.
Se considera como una de las mejores tecnologías medioambientales disponibles por su gran
selectividad para efluentes.
1.4.3.20. Factores del agua de alimentación que afecta a la membrana semipermeable
Entre los factores más importantes que afectan a las membranas semipermeables utilizadas en
los tratamientos de purificación de agua tenemos los que se enuncian a continuación:
a) Presión
La presión del agua de alimentación afecta la cantidad y la pureza del agua producida por la
ósmosis inversa. Baja presión del agua de alimentación causa baja corriente y baja pureza.
b) pH
Determinar la variedad del pH en agua de alimentación es muy importante. Es recomendado
de usar una variedad más amplia de membranas cuando el agua de alimentación es básica,
ácida o inestable.
c) Índice de saturación de Langlier (ISL)
El ISL indica el principio de la formación de una escala sobre el área de la membrana. El ISL
necesita examen de la temperatura, del total de sólidos inorgánicos, de la dureza alcalina, y
pH del agua de alimentación. Si el índice ISL es positivo, se recomienda la instalación de un
suavizador de agua ante del sistema de ósmosis inversa.
d) Cloro libre (TFC) y bacterias
Las membranas de acetato de celulosa necesitan una limpieza constante de TFC para impedir
la propagación de bacterias y que se dañe la membrana. En cambio, la poliamida y las
61
membranas finas, como cintas, son dañadas por el TCF. El carbón activado es usado para
remover el TCF cuando la poliamida y las membranas finas lo necesitan.
e) Temperatura
La duración de la membrana se basa la temperatura del agua de alimentación que debe ser de
25°C. Por cada 1°C bajo 25°C, la cantidad de la producción del agua es reducida por 3%. El
agua de alimentación que tiene una temperatura superior a 35°C dañara la mayoridad de las
membranas.
1.4.3.21. Elementos que rechazan la membrana semipermeable. Respecto a los componentes
orgánicos e inorgánicos peligrosos para la salud; y que las membranas semipermeables retienen
y rechazan tenemos los siguientes:
Tabla 7. Componentes orgánicos e inorgánicos que rechaza la membrana semipermeable
Componente Porcentaje, % Componente Porcentaje, %
Aluminio 97-98 Mercurio 96-98
Amonio 85-95 Níquel 97-99
Arsénico 94-96 Nitrato 93-96
Bacterias 96-98 Fosfato 96-99
Bicarbonatos 95-98 Polifosfato 98-99
Bromuros 93-96 Potasio 92
Cadmio 96-98 Pirogen 96-98
Calcio 96-98 Radioactividad 95-98
Cloro 94-95 Radio 97
Cromato 90-98 Selenio 97
Cromo 96-98 Silicona 85-90
Cobre 97-99 Silicato 95-97
Cianuro 90-95 Plata 95-97
Ferrocianuro 98-99 Sodio 96-98
Fluoruro 94-96 Sulfato 96-98
Hierro 98-99 Zinc 98-99
Plomo 96-98 Insecticidas 97
Magnesio 96-98 Detergentes 97
Manganeso 96-98 Herbicidas 97
62
Fuente: Carate Safla, Enrique y Lapo Molina, Luis.(2011). Diseño y Construcción de una
Planta Prototipo para Purificación de Agua de Vertientes por el Método de Ósmosis Inversa.
Trabajo de Grado. Ingeniero Mecánico. Universidad Politécnica Salesiana. Sede Quito. Facultad
de Ingenierías. 2011. 40p.
1.4.3.22. Limitaciones de las Membranas
Polarización de la concentración.
Ensuciamiento de las membranas.
Bajo tiempo de vida de las membranas.
1.4.3.23. Ensuciamiento de Membranas. El ensuciamiento es favorecido por la polarización
por concentración. (Mulder, 1991). Si aumenta la concentración del flujo de alimentación y se
produce adsorción, o interacción química de sustancias en la superficie de la membrana o al
interior de los poros, entonces aumenta la polarización de la membrana, puesto que los
depósitos sobre las mismas retrasan la retrodifusión de los solutos hacia la corriente principal,
ocasionando una disminución de la productividad y un aumento en el paso de esos solutos, y por
consiguiente una mayor concentración del permeado.
Así es que ocurre el ensuciamiento de la membrana que ya constituye un estado permanente
mientras no se le limpie debidamente utilizando sustancias químicas, y ya no simplemente con
agua, como se afirmaba para el caso de polarización de la concentración.
El ensuciamiento se debe a las interacciones soluto-soluto y soluto-membrana, pero para cada
aplicación tiene un origen determinado, de acuerdo con el material de la membrana y la solución
a tratar.
a) Orígenes del Ensuciamiento
Físico-químicos: adsorción de moléculas sobre la superficie de la membrana o su
interior.
Químicos: poca solubilidad en la capa de polarización o insolubilización por cambio de
condiciones. Precipitación sobre la superficie de la membrana de sales minerales y óxidos
metálicos.
Mecánicas: depósitos en los poros de la membrana, bloqueándolos.
63
Hidrodinámicos: irregularidad en el reparto del flujo, que acelera la concentración por
polarización y el ensuciamiento en zonas de la membrana que trabajan con conversiones
elevadas, y la existencia de zonas muertas, que tienen muy poco flujo.
Otros: ensuciamientos extraños, como el de azufre coloidal, cuando en un pozo de
captación de agua, hay H2S, y se inyecta cloro o entra aire en el pozo, se puede llegar a
formar azufre coloidal por oxidación del H2S por parte del oxígeno o del cloro. Este
azufre coloidal es muy difícil de eliminar.
b) Expresión Matemática para Ensuciamiento de Membranas
Se emplea una ecuación como la de los estudios de filtración, donde a la resistencia de la
membrana (Rm) se le añade la del ensuciamiento (Re). (Cheryan, 1986, Kulkarni, 1992):
(42)
La resistencia del ensuciamiento cambia con el tiempo, con lo cual para poder predecir su valor
hay que realizar pruebas con la disolución a separar.
De acuerdo con Mulder, 1991, la velocidad de permeación convectiva (J) a través de la
membrana se relaciona directamente con la diferencia de presiones aplicada entre alimentación
y permeado, ( ), y en forma inversa con la viscosidad entre la solución y la membrana, ( ), y
la resistencia total a la velocidad de permeación J, como ( ):
(43)
En mayor o menor grado las resistencias que contribuyen a RT son:
64
Figura 28. Resistencias de la membrana
La resistencia de la membrana, (Rm), la cual sería la única involucrada en un caso ideal, la
resistencia por el bloqueo de poros, Rp, la resistencia de absorción de solutos por parte de la
membrana, la resistencia por la formación de la capa de gel, Rg y la resistencia de la
polarización por concentración, Rcp.
El ensuciamiento se relaciona con el tamaño de la molécula o partícula, (d), y el tamaño de poro
(dp) de la membrana.
Si
ensuciamiento por adsorción sólo se produce en la superficie de la membrana. No
existe gran incidencia en la velocidad de permeación.
Si
ensuciamiento también se produce al interior de los poros. Si incide en la
velocidad de permeación.
El ensuciamiento se puede sostener dentro de un cierto rango de valores cuando las moléculas o
partículas permanecen estables con relación al pH, fuerza iónica y temperatura de la disolución.
También es importante tener presente que una alta velocidad tangencial de circulación, resulta
en un incremento del esfuerzo cortante sobre la superficie de la membrana. Desfavoreciendo la
adsorción de moléculas sobre ella.
c) Consecuencia del ensuciamiento
Entre los efectos del ensuciamiento se puede mencionar la reducción del tamaño aparente de los
poros e incremento de la selectividad con el paso del tiempo, pero con reducción de la velocidad
65
de permeación, (flux). No obstante, esta disminución aparente de los poros es de acuerdo a la
estructura inicial de ellos, y del tamaño de las sustancias que causan ensuciamiento.
Estos hechos hacen un tanto compleja la predicción de la selectividad en el tiempo, sobre todo a
largo plazo, y cuando se hacen separaciones finas.
La disminución de la velocidad de permeación tiene una influencia negativa sobre la economía
de una operación con membranas, y por consiguiente la medida a tomar es la de reducir su
ocurrencia, lo cual se recomienda mediante el pretratamiento del flujo de alimentación, del que
se espera sirva como método preventivo de este ensuciamiento, y preserve la membrana de
sustancias o elementos agresivos.
Para un funcionamiento adecuado de las membranas es conveniente que la solución de
alimentación se halla sometido previamente a un pre-tratamiento, para retener sustancias que se
puedan depositar sobre la membrana o quedar atrapadas en el interior de los módulos.
En general, los sistemas de membranas tienen una instalación de pretratamiento, ya que es
mejor evitar ese ensuciamiento, que pensar en protocolos de limpieza, puesto que estos van
reduciendo la vida útil. Este pretratamiento es un punto de análisis económico importante,
puesto que se evalúa frente a sus beneficios al evitar el ensuciamiento y la limpieza de la
membrana.
1.4.3.24. Prevención de Incrustaciones. En la ósmosis inversa llega a ocurrir que sales solubles
como CaCO3 se concentran por debajo de su límite de solubilidad. Aunque el CaCO3 es más
soluble que muchas otras sales, (BaSO4, etc.), el Ca++
es un elemento mucho más abundante en
la naturaleza.
El CaCO3 se precipita rápido, si se concentra por debajo de su límite de solubilidad. Este
problema se previene añadiendo un ácido, un inhibidor de incrustaciones, haciendo un
ablandamiento del agua de alimentación, limpieza preventiva o utilizando una baja
recuperación.
El uso de ácido sulfúrico para bajar el pH y prevenir la formación de incrustaciones de CaCO3
puede aumentar la probabilidad de éstas por el sulfato.
66
a) Uso de un ácido
La solubilidad del CaCO3 depende del pH:
34
Se puede alcanzar el equilibrio del lado derecho cuando se pasa el CaCO3 a Ca (HCO3)2 al
añadir un ácido que baja el pH. El ácido a utilizarse deberá ser alto grado de calidad.
El H2SO4 es muy empleado, pero es preferible el HCl en el caso de tener un alto potencial de
que se forma incrustación por CaSO4, SiSO4 y BaSO4.
Para que no haya incrustaciones en una sistema de ósmosis inversa, por carbonato de calcio,
el pH en la corriente concentrada deberá ser menor que el pH de saturación, (pHs), y así esté
en equilibrio con el CaCO3.
La relación anterior se puede poner en términos del índice de saturación de Langelier (LSI)
para aguas salobres, y el índice de estabilidad de Stiff & Davis para aguas de mar.
El LSI se calcula como:
Para Sólidos Disueltos Totales (SDI)
(44)
(45)
(46)
(47)
(48)
(49)
Donde:
SDT: sólidos disueltos totales en
67
Alcalinidad como en
.
La ecuación 28 se la obtuvo en ASTM D3739-88: Cálculo y Ajuste del LSI Para Ósmosis
Inversa.
b) Uso de un inhibidor de las incrustaciones.
Estos hacen más lento el proceso de precipitación de las sales solubles, siendo absorbidas
sobre cristales de sal formados, que previenen la atracción de sales supersaturadas a las
superficies del cristal. En estas condiciones los cristales nunca crecen de tamaño hasta una
concentración suficiente que les permita caer y quedar fuera de la suspensión.
Además, muchos inhibidores de incrustaciones tienen algunas cualidades dispersivas. Estos
disponen de partículas que circulan las sales suspendidas, o sólidos orgánicos con el
inhibidor de escala cargado aniónicamente. Estas partículas cargadas repelen la
aglomeración de sales, que podrían llegar a precipitar.
Los inhibidores de incrustaciones que son efectivos para controlar la del carbonato de calcio,
sulfato de calcio y fluoruro de calcio son:
Hexametafosfato de sodio (SHMP), ampliamente utilizado porque es un buen inhibidor de
bajo costo. Sin embargo se debe tener cuidado con la hidrólisis del SHMP en la dosificación
del tanque de alimentación (debe prepararse una solución fresca cada 3 días).
La hidrólisis no solo disminuye la eficacia en la prevención de incrustaciones, sino que
puede originar una incrustación de fosfato de calcio.
El SHMP debe ser dosificado para que resulte una concentración en la corriente de 20
. La
dosis en la corriente de alimentación se calcula como:
Dosis= 20 x (1-recobro)
Otros inhibidores de incrustaciones que se utilizan son los organofosfonatos, que son más
resistentes a la hidrólisis, pero son más costosos; y los ácidos poliacrílicos (PAA) de mayor
peso molecular; llegan a ser más efectivos que SHMP.
68
c) Ablandamiento con resinas de intercambio iónico de ácido fuerte
Los cationes que forman escala tales como: Ca 2+
, Ba2+
, Mg2+
y Fe 2+
, pueden ser eliminados
por una resina de intercambio iónico. Esta puede ser una forma de prevenir la escala en
plantas pequeñas a medianas de ósmosis inversa.
Estas resinas deben ser regeneradas con NaCl al acercarse a la saturación. Este sistema tiene
el problema del alto consumo de cloruro de sodio, con el consiguiente efecto ambiental si no
se dispone convenientemente el efluente, y motiva un coste económico añadido.
Una técnica reciente de regeneración es el uso de resinas denominadas Menósferas Dowex,
que pueden reducir el consumo de NaCl en 110% del valor estequiométrico.
d) Ablandamiento con resinas de intercambio iónico de ácido débil
Este tipo de resina puede eliminar cationes que forman incrustaciones tales como Ca2+
, Ba2+
,
Mg2+
y Fe 2+
, ligado a bicarbonato, y liberan H+, y se baja el pH a un valor mínimo de 4,2
para el cual los ácidos del grupo carboxílico no están muy disociados. Esta forma de
ablandamiento es solo parcial, y es ideal para aguas con un alto contenido de bicarbonato, y
tiene como ventajas que el consumo de ácido para regeneración es casi el estequiométrico
(105%), y en consecuencia se reduce los costes de operación y el impacto ambiental, y
además la disminución de los SDT del agua por la eliminación de las sales del bicarbonato
permite obtener permeados con menores SDT.
Como desventajas de estas resinas esta la dureza residual del ablandamiento incompleto y las
variaciones del pH del agua tratada de 3,5 a 6,5 según el grado de ensuciamiento de la resina.
Cuando el pH es menos de 4.2 el paso de ácido mineral aumenta los SDT en el permeado,
por lo cual se recomienda usar más de una columna de resina en paralelo y regenerarlas en
diferentes tiempos para mantener el valor del pH. Otra posibilidad para evitar pH bajos es la
eliminación de CO2 o el ajuste del pH con NaOH.
69
1.4.3.25. Limpieza de Membranas
a) Detección del ensuciamiento
El requerimiento de limpieza se convierte en una urgencia cuando se reduce la velocidad de
permeación en forma significativa, con problemas tan difíciles de resolver como el
ensuciamiento al interior de los poros, dificultando la recuperación total de la membrana a
pesar de que se use agentes químicos a elevadas temperaturas.
Si las membranas se ensucian en un corto periodo de operación del sistema, la recuperación
de membranas es muy factible. Sin embargo, cuando una membrana sucia sigue trabajando,
puede llegar a un estado irreversible totalmente, por atascamiento, creando caminos
preferenciales, que evitan que el agente de limpieza llegue donde se le requiere.
En una planta de ósmosis inversa los parámetros más importantes son su pérdida de carga, su
producción (caudal de permeado) y el porcentaje de rechazo de sales. (Fariñas, 1999).
Los parámetros anteriores dependen de unas variables entre las cuales están:
Presión de funcionamiento.
Temperatura del sistema.
Salinidad.
Porcentaje de recuperación.
El ensuciamiento o precipitación en las membranas se puede detectar por el seguimiento de
los parámetros en el tiempo, bajo condiciones estacionarias. Por ejemplo, una primera señal
de ensuciamiento es la pérdida de carga a través de los módulos, que suele suceder antes de
que el porcentaje de rechazo de sales o la velocidad de permeación comiencen a disminuir.
El paso de sales es también un buen indicador, el cual cuando la membrana está limpia, no
varía en un lapso importante de tiempo.
Otros indicadores para saber cuándo limpiar la membrana son la variación del caudal de
rechazo y de permeado, y la necesidad de incrementar la presión de operación.
Se recomienda realizar limpiezas preventivas periódicamente, ante la sospecha de que hay
ensuciamiento, verificando antes que esta situación no sea atribuible a otros motivos.
70
b) Métodos de Limpieza
La selección de un método específico depende del agente que provoca el ensuciamiento,
pero en principio se hace un enjuague con agua para que la suciedad no se quede adherida a
su superficie. Luego se hacen unos tratamientos, hasta que recupere sus condiciones
iniciales.
Mulder, 1991, distingue los siguientes métodos de pretratamiento:
Limpieza hidráulica.
Limpieza mecánica.
Limpieza química.
Limpieza eléctrica.
Limpieza Hidráulica. Incluye el lavado con permeado a presión y retroalimentación, que
solo es aplicable a membranas de microfiltración y ultrafiltración. Se utiliza normalmente
durante las paradas, a fin de:
Disminuir el retorno de solvente por ósmosis natural.
Eliminar completamente la solución a tratar, del interior de las tuberías y de los módulos
del sistema, evitando corrosión de partes metálicas y precipitación posible de sales.
Lo anterior también se realiza para desplazar reactivos del interior de la planta, cuando esta
se somete a limpieza química.
Son limpieza hidráulica también la presurización, y el cambio en la dirección del flujo con
una frecuencia dada.
Limpieza Mecánica. Solo se puede aplicar sistemas tubulares, donde se utiliza un cepillo o
una esponja para retirar la suciedad de las membranas. También haciendo circular bolas de
esponja, como se acostumbra a hacer con los condensadores de las centrales térmicas.
Esta limpieza mecánica no es posible en los módulos espirales ni de fibra hueca, por no tener
acceso a su superficie activa. Pero debido a lo delicado de la superficie activa no se
recomienda este método de limpieza, en general.
71
Limpieza Química. Es el método más importante para reducir el ensuciamiento, con
diversos químicos que se utilizan separados o en combinación, que se hacen recircular por
los módulos para disolver las precipitaciones o remover depósitos de las membranas.
Los pasos recomendados a seguir para realizar la limpieza química son:
Identificación del problema.
Selección del sistema de limpieza.
Formulación para el tipo de ensuciamiento.
1.4.3.26. Ventajas de la Ósmosis Inversa
Permiten la eliminación de todos los iones contaminantes inorgánicos y la mayoría de los
iones disueltos.
Son relativamente insensibles a flujos y niveles de sólidos disueltos totales (TDS), y así,
apropiado para sistemas pequeños con alto grado de fluctuación estacional en la demanda de
agua.
No tiene interrupciones ya que es un proceso continuo.
La baja concentración posible del efluente favorece la mayor velocidad de permeación.
Se elimina también bacterias y partículas.
La simplicidad en la operación y en la automatización permite la menor atención del
operador y hace a la Ósmosis Inversa adecuada para aplicaciones en sistemas pequeños.
1.4.3.27. Desventajas de la Ósmosis Inversa
Las membranas son propensas al ensuciamiento.
Alta inversión de capital y costos de operación.
Importancia de la presión osmótica que se opone a la presión aplicada.
Manejo de aguas residuales (solución de salmuera) es un problema potencial.
En algunos casos se requiere un alto nivel de pretratamiento.
Umbral de corte de las membranas no muy bien definido.
72
1.4.4. Tratamiento de Agua de la Central- Termoeléctrica Guangopolo I y II
1.4.4.1. Ubicación de la Planta de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica
Guangopolo I y II.
Figura 29. Localización de la Central Termoeléctrica Guangopolo
La Central Termoeléctrica Guangopolo se encuentra ubicada en la provincia de Pichincha, Valle
de los Chillos, Calle José de la Cuadra, junto al Reservorio de Guangopolo, Sector Armenia.
1.4.4.2. Descripción de la Central Termoeléctrica Guangopolo I
El 23 de mayo de 1961, se crea al Instituto Ecuatoriano de Electrificación, INECEL, como una
Institución Pública para el manejo del Sistema Eléctrico del Ecuador.
En abril de 1977 inicia la operación comercial de la Central Termoeléctrica Guangopolo con
una potencia instalada de 31.2 MW, y en marzo de 1981 se da inicio a la operación de la Central
Termoeléctrica Santa Rosa con una capacidad instalada de 51 MW. El 6 de enero de 1999,
luego de la escisión del INECEL se constituye la Compañía de Generación Termoeléctrica
TERMOPICHINCHA S.A, encargándose de la operación, mantenimiento, producción y
comercialización de la energía producida en las Centrales Termoeléctricas Guangopolo y Santa
Rosa.
En agosto de 2006, se inicia una nueva etapa de crecimiento para TERMOPICHINCHA S.A,
con la instalación de una unidad de 1.8 MW para contar con una potencia total instalada de 33
73
MW. Las unidades de generación de la Central utilizan para su operación, residuo de la
Refinería Shushufindi.
La producción de la Central se entrega al Sistema Nacional Interconectado a través de la
Subestación Vicentina.
Figura 30. Central Termoeléctrica Guangopolo I
1.4.4.3. Descripción de la Central Termoeléctrica Guangopolo II
El Gobierno Ecuatoriano a través del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable y la
Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP vieron la necesidad de dotar de autonomía
energética a la ciudad de Quito, ante posibles contingentes en la línea de transmisión Totoras-
Santa Rosa del Sistema Nacional Interconectado que abastece a la ciudad capital, se incluyó el
Proyecto denominado Guangopolo II, en lo que constituye la Fase II del programa de
cooperación técnica con el Gobierno de Cuba denominado “Instalación de Unidades
Termoeléctricas de Generación con una capacidad total de 150.8 MW de Potencia”. Este
Convenio Cuba-Ecuador es ejecutado por CELEC EP TERMOPICHINCHA, en el marco del
Decreto Ejecutivo No. 89, emitido por el señor Presidente Constitucional de la República, el 12
de Octubre de 2009.
La Central Termoeléctrica Guangopolo II genera 50 MW, sustituyendo tecnología con más de
35 años de antigüedad, por tecnología de punta, mucho más eficiente y que cumple con la
normativa nacional e internacional en emisiones al ambiente, y a la vez fortalece el Sistema
Nacional Interconectado, aumentando la confiabilidad y continuidad del servicio. La Central se
encuentra ubicado junto a la actual Central Térmica “Guangopolo”, Valle de los Chillos-Sector
74
La Armenia, Parroquia Conocoto, cantón Quito en la provincia de Pichincha, a una altitud de
2.434 msnm. [52]
Figura 31. Central Termoeléctrica Guangopolo II
1.4.4.4. Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo I
a) Sistema de Captación
La captación del agua se realiza directamente por gravedad desde el reservorio de la
Empresa Eléctrica Quito (piscina Nº 2) y se controla mediante una válvula de compuerta.
El agua así captada se almacena en el estanque de captación de agua cruda, cuya capacidad
es de 63m3. En el ingreso al estanque existe una rejilla que impide el paso de materiales
sólidos y otras impurezas.
Figura 32. Reservorio de Agua Cruda
75
b) Sistema de Clarificación
Para el tratamiento del agua cruda, se hace mediante dos bombas que funcionan en forma
alternada, se conduce el agua al estanque de tratamiento, el mismo que se halla conformado
por 6 tanques intercomunicados entre sí, en los cuales se lleva a cabo el proceso de
clarificación por decantación de los sólidos.
Figura 33. Estanque de Tratamiento
Primera Piscina de Tratamiento
En el tanque de agua cruda, cuya capacidad es de 14 m3, se adiciona hipoclorito de sodio
al 10% con el fin de eliminar las bacterias existentes.
Este químico se bombea directamente desde un tanque de almacenamiento de 500 litros
de capacidad, ubicado en el cuarto de tratamiento de agua.
Figura 34. Primera Piscina de Tratamiento
76
Piscina de Floculación
En el tanque mezclador, cuya capacidad es de 14m3, se adiciona policloruro de aluminio,
bombeado desde un tanque de 3m3 de capacidad, ubicado también en el cuarto de
tratamiento de agua. La mezcla se realiza mediante un agitador motorizado para aglutinar
las impurezas del agua.
En el tanque floculador, que tiene una capacidad de 36 m3, por acción de un agitador se
separan las impurezas del agua.
Figura 35. Piscina de Floculación
Centro de Sedimentación y Piscina de Distribución
Los tanques de sedimentación, cuya capacidad es de 145 m3 c/u, se los utiliza para la
sedimentación de las impurezas existentes en el agua. En este estanque se reduce la
velocidad del agua por medio de una pared perforada que evita la turbulencia y favorece
la sedimentación.
Figura 36. Tanques de Sedimentación
77
Ultima Piscina de Sedimentación
En el tanque intermedio, de capacidad aproximada de 72m3, una parte del agua es
purificada y se envía al subproceso de agua desmineralizada y la otra parte se envía al
estanque de la torre de enfriamiento. El agua perteneciente en este tanque se denomina
Agua Clarificada.
Figura 37. Ultima Piscina de Sedimentación
c) Sistema de Obtención de Agua Desmineralizada
Una vez que el agua llega al tanque intermedio, una parte de la misma se destina a este
subproceso.
Piscina de Agua Filtrada
Por medio de dos bombas que funcionan alternadamente, se envía el agua desde el tanque
de agua clarificada hasta el estanque de filtración, cuya capacidad es de 7m3, pasando el
agua por dos filtros, uno de antracita con el fin de retirar las impurezas que hayan
quedado y otro de carbón activado para eliminar el cloro residual.
78
Figura 38. Piscina de Agua Filtrada
Desmineralización del Agua
La desmineralización se realiza llevando el agua cristalina por medio de dos bombas
desde el estanque de filtración, hasta la torre catiónica de capacidad de 7m3 para separar
los cationes. A continuación se bombea el agua a una torre aniónica con el fin de separar
los aniones, hasta llegar al tanque de agua pura con capacidad de 30 m3. Luego de cierto
periodo de tiempo es necesario realizar la regeneración de las resinas, para lo que se hace
circular en contra flujo ácido sulfúrico al 25% en la torre catiónica y sosa cáustica al 25%
en la torre aniónica.
Figura 39. Torre de Intercambio Catiónico y Aniónico
El ácido sulfúrico se almacena en un tanque con una capacidad de 5.8m3, del cual se
abastece mediante una bomba al tanque intermedio y por medio de gravedad se alimenta
al tanque de mezcla, cuya capacidad es de 400 litros, el mismo que posee un
79
intercambiador de calor que utiliza como fluido de absorción de calor, agua cristalina
bombeada desde el estanque de filtración; además posee un agitador que se encarga de
mezclar el ácido sulfúrico con agua para obtener ácido sulfúrico al 25%.
La sosa cáustica se almacena en un tanque con una capacidad de 12.18m3, desde el que se
abastece por medio de una bomba al tanque de servicio de sosa cáustica al 25%, cuya
capacidad es de 200 litros, el mismo que posee un agitador para mezclar la sosa cáustica
con agua y es bombeada hasta un tanque de servicio donde se prepara la mezcla.
d) Sistema de agua de enfriamiento
El agua que ha circulado por la torre de enfriamiento y el agua que viene directamente del
estanque intermedio para compensar la pérdida de agua durante el proceso de enfriamiento,
es almacenada en el estanque de la torre de enfriamiento que tiene una capacidad de 495 m3.
En este estanque se adiciona ácido sulfúrico bactericida, hipoclorito de sodio y un inhibidor
de corrosión de sistema abierto, con el fin de bajar la concentración alcalina del agua y
eliminar bacterias.
Para la circulación del agua de enfriamiento se utilizan tres bombas con una capacidad de
1900 m3/h, abasteciendo todos los sistemas de intercambiadores de calor del aceite de
sistema, agua de camisas de cilindro, aceite de turbo alimentador, agua de válvulas y aire de
admisión de cada una de las unidades, logrando así mantener temperaturas normales de
operación.
1.4.4.5. Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo II
a) Sistema de Captación
La línea de tratamiento de Agua Cruda en la Central Guangopolo II, inicia con la captación
de agua, esto es para generar 100 m3 de agua desmineralizada como requerimiento diario. Al
igual que el sistema de captación de la Central Termoelectrica Guangopolo I, esta agua es
captada de la misma piscina de captación.
80
b) Sistema de Clarificación
El sistema de Clarificación está compuesto por procesos de desferrización, filtración con
arena, ablandamiento de agua y terminando con el filtro de arena.
Primero, el agua bruta pasa al lado de aspiración del sistema intensificador de presión, que
genera la presión requerida para suministrar los componentes de tratamiento de agua.
Después de ello, el agua pasa a través del filtro de flujo reversible de 100 μm. Después de
esta etapa de filtrado, un caudal parcial del agua se dirige al tanque de suministro. El caudal
principal de agua fluye hacia el sistema de desferrización para eliminar las partículas
residuales de hierro.
Después de este paso, el agua fluye hacia el ablandador del agua, el cual elimina la dureza
del agua.
Figura 40. Sistema de Ablandamiento de Agua
El sistema siguiente de filtro de carbón activo se usa para combinar el cloro y para el pulido
general. Finalmente, el agua tratada se controla mediante el sistema de análisis automático de
agua para la dureza residual antes de que fluya al sistema de ósmosis inversa.
c) Sistema de Obtención de Agua Permeada
Para la obtención de Agua Desmineralizada, se utiliza un equipo de Ósmosis Inversa
(GENO®-RKF 7.000S (00GCF37AT020). El agua antes de entrar a las membranas se le
coloca un regulador de pH (ácido clorhídrico) para regular el pH de entrada que tolera las
membranas. El agua desmineralizada se almacena en dos tanques de almacenamiento de 8
metros de altura cada uno de 50 m3. [53]
81
Figura 41. Equipo de Ósmosis Inversa en la Central Guangopolo II
82
2. MARCO EXPERIMENTAL
2.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada
2.1.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando
Torres de Intercambio Iónico.
2.1.1.1. Regeneración de Resinas
a) Regeneración de Resinas Catiónicas
El proceso se realiza con la válvula múltiple, realizando los siguientes pasos:
Lavar la resina por 10 min, para esto colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash.
Preparar previamente la solución de ácido: colocando en el tanque de preparación de
solución acida, 2 kg de ácido sulfúrico y completando con agua hasta los 65 litros.
Nota: la cantidad necesaria de ácido para cada regeneración, se obtiene mediante cálculo
utilizando la Ficha Técnica de la Resina Catiónica Fuerte: Lewatit MonoPlus S 108 H.
(Ver la sección 3.5).
Colocar la válvula múltiple en el ciclo Brine and Slow, para comenzar el proceso de
Inyección de Ácido, después del primer retrolavado por un tiempo de 30 a 50 min.
Colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash, terminando el proceso de inyección de
ácido por un tiempo de 15 min.
Colocar válvula múltiple en el ciclo Service, terminando el proceso de Retrolavado.
b) Regeneración de Resinas Aniónicas
El proceso se realiza con la válvula manual, una vez terminada la regeneración de la
columna catiónica, realizando los siguientes pasos:
Lavar la resina por 10 min, para esto colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash.
83
Preparar previamente la solución de sosa cáustica: colocando en el tanque de preparación
de solución alcalina, 2 kg de ácido sulfúrico y completando con agua hasta los 65 litros.
Agitar hasta la completa disolución.
Nota: la cantidad necesaria de sosa cáustica sólida para cada regeneración, se obtiene
mediante cálculo utilizando la Ficha Técnica de la Resina Aniónica Fuerte: Lewatit
MonoPlus M 500. (Ver la sección 3.6).
Colocar la válvula múltiple en el ciclo Brine and Slow, para comenzar el proceso de
Inyección de Ácido, después del primer retrolavado por un tiempo de 30 a 50 min.
Colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash, terminando el proceso de inyección de
ácido por un tiempo de 15 min.
Colocar la válvula múltiple en el ciclo Service, terminando el proceso de Retrolavado.
quedando el equipo listo para el proceso de intercambio iónico.
2.1.1.2. Obtención de Agua Desmineralizada
Tomar una muestra del agua filtrada de la Central Termoeléctrica Guangopolo I para una
posterior caracterización.
Tomar 153 L de Agua Filtrada de la Planta de Tratamiento de Agua de la Central
Termoeléctrica Guangopolo I.
Trasvasar el volumen del Agua Filtrada tomada de la Planta de Tratamiento de Agua de la
Central Termoeléctrica Guangopolo I al tanque de alimentación del Proceso de Intercambio
Iónico.
Figura 42. Trasvasado de Agua Filtrada
Verificar si la válvula de globo en la salida del tanque de alimentación se encuentra
completamente abierta.
84
Figura 43. Verificación de apertura de válvula
Verificar si las 2 válvulas múltiples tanto de la Torre Catiónica o Aniónica se encuentran en
la Etapa Service.
Figura 44. Verificación de ciclo en service
Colocar la válvula de globo en ¼ de abertura, esto quiere decir que en el flujo de by-pass se
mantenga con un flujo 3
y que entre a la Torre de Intercambio Iónico con 13
.
Nota: no se coloca a la válvula de globo una posición de totalmente abierta ya que es una
sugerencia de diseño hacer bypass en el flujo de entrada.
Figura 45. Bypass del flujo de entrada a las Torres
Encender la bomba de 1 HP.
85
Tomar una muestra de agua después de la Torre Catiónica en el punto de muestreo, para esto
se abre la válvula y otra muestra después de la Torre Aniónica para una posterior
caracterización.
Figura 46. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Catiónica
Figura 47. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Aniónica
Receptar el agua proveniente después de la Torre Aniónica en un tanque de recepción. Nota:
esta agua receptada se trata de Agua Desmineralizada.
86
Figura 48. Recepción de Agua desmineralizada
2.1.2. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando el
equipo de Ósmosis Inversa.
2.1.2.1. Obtención de Agua Desmineralizada
Tomar muestra del agua filtrada de la Central Termoeléctrica Guangopolo II para una
posterior caracterización.
Tomar 153L de Agua de Ingreso para las membranas de la Planta de Tratamiento de Agua de
la Central Termoeléctrica Guangopolo II.
Trasvasar el volumen del Agua de Ingreso para las membranas tomada de la Planta de
Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo II al tanque de alimentación
del Proceso de Ósmosis Inversa.
Verificar si la válvula de globo en la salida de la línea de permeado esté totalmente abierta.
87
Figura 49. Verificación de válvula en la corriente de entrada de agua a las membranas
Encender la bomba de 1 HP.
Tomar la medida de la presión de alimentación hasta que se estabilice el manómetro.
Tomar una muestra de agua en la línea de rechazo (manguera negra) y otra muestra en la
línea del permeado (manguera azul).
Figura 50. Muestreo de Agua de Permeado y Rechazo
Receptar el agua de rechazo y permeado en los recipientes de recepción de permeado y de
recepción de rechazo.
Nota: el agua de permeado se trata de Agua Desmineralizada.
88
2.1.3. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando la
combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa
Colocar el agua perteneciente a la salida de la Torre Aniónica (la obtención de dicha agua se
logra siguiendo el procedimiento 2.1.1.2.) en el tanque de alimentación.
Verificar si la válvula de globo en la salida de la línea de permeado esté totalmente abierta.
Encender la bomba de 1 HP.
Tomar la medida de la presión de alimentación hasta que se estabilice el manómetro.
Tomar una muestra de agua en la línea de rechazo (manguera negra) y otra muestra en la
línea del permeado (manguera azul).
Receptar el agua de rechazo y permeado en los recipientes de recepción de permeado y de
recepción de rechazo.
Nota: el agua de permeado se trata de Agua Desmineralizada
89
2.2. Diagrama de bloques para el procedimiento experimental
2.2.1. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico.
Figura 51. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico
LAVADO DE RESINA
Agua
H2O
Agua
Residual
PREPARACIÓN DE ÁCIDO
Agua
H2O H2SO4 al 98.5 % (p/v)
INYECCIÓN DE ÁCIDO LAVADO DE RESINA
SERVICIO
t= 10 min t= (30-50) min
H2SO4 al 98.5 % (p/v)
t= 15 min
Agua
H2O
LAVADO DE RESINA
Agua
H2O
t= 10 min
Agua
Residual
PREPARACIÓN DE SOSA
NaOH al 98 % (p/p) Agua
H2O
INYECCIÓN DE SOSA
t= (30-50) min
LAVADO DE RESINA
Agua
H2O
t= 10 min
Agua
Residual
SERVICIO RECEPCIÓN INTERCAMBIO IÓNICO
t intercambio= (45-50) min
AGUA DESMINERALIZADA
REGENERACIÓN DE RESINAS CATIÓNICAS
REGENERACIÓN DE RESINAS ANIÓNICAS
90
2.2.2. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico y
Ósmosis Inversa
Figura 52. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico
y Ósmosis Inversa
LAVADO DE RESINA
Agua
H2O
Agua
Residual
PREPARACIÓN DE ÁCIDO
Agua
H2O H2SO4 al 98.5 % (p/v)
INYECCIÓN DE ÁCIDO LAVADO DE RESINA
SERVICIO
t= 10 min t= (30-50) min
H2SO4 al 98.5 % (p/v)
t= 15 min
Agua
H2O
LAVADO DE RESINA
Agua
H2O
t= 10 min
Agua
Residual
PREPARACIÓN DE SOSA
NaOH al 98 % (p/p) Agua
H2O
INYECCIÓN DE SOSA
t= (30-50) min
LAVADO DE RESINA
Agua
H2O
t= 10 min
Agua
Residual
SERVICIO RECEPCIÓN INTERCAMBIO IÓNICO
ÓSMOSIS INVERSA
t intercambio= (45-50) min
AGUA DESMINERALIZADA
Agua de Rechazo
REGENERACIÓN DE RESINAS CATIÓNICAS
REGENERACIÓN DE RESINAS ANIÓNICAS
91
2.2.3. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando el
equipo de ósmosis inversa
Figura 53. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada
utilizando el equipo de ósmosis inversa
2.3. Equipos y Materiales
Termómetro (1) Ap= ± 1 °C Rg: (-20-250) °C
Conductímetro (4) Ap= ± 0.01 mS/cm Rg: (0-2000) mS/cm
Vaso de Precipitación (28) Ap=± 50 ml Rg: (50-1000) ml
Frascos para muestreos (7) V= 1000 ml
Canecas de plástico (1) V= 61 L
Manómetro (2) Ap=± 5 psi Rg: (0-200) psi
Cronómetro (4) Ap=± 0.001 s
Balde plástico graduado (10) Ap=± 1 L Rg: (0-20) L
Guantes plásticos (2)
Gafas de seguridad (1)
Mandil (1)
Mascarilla de doble filtro (1)
Agitador de vidrio (1)
Equipo de Ósmosis Inversa (1)
Torres de Intercambio Iónico (2)
Probeta (1) Ap=± 1 ml Rg: (0-1000) mL
Balanza (1) Ap= ± 0,1 g Rg: (0 – 600) g
ÓSMOSIS INVERSA
RECEPCIÓN
Agua de Rechazo
AGUA
DESMINERALIZADA
Agua Filtrada (Guangopolo II)
H2O
92
2.4. Sustancias y Reactivos
Agua potable H2O
Agua Filtrada H2O
Ácido sulfúrico H2SO4 Conc= 98.5% (p/v)
Sosa cáustica NaOH Conc= 98.5% (p/p)
Resina de intercambio catiónica fuerte: Lewatit® MonoPlus S 108 H
Resina de intercambio aniónica fuerte: Lewatit® MonoPlus M 500
2.5. Diseño Experimental
En el desarrollo del presente trabajo de grado se considera: el estudio comparativo de los
procesos para determinar el mejor método de desmineralización del agua mediante: Torres de
Intercambio Iónico, equipo de Ósmosis Inversa y la combinación de los mismos para obtener
una mayor eficiencia del proceso, planteamiento de diseño experimental, y diseño del mejor
método de desmineralización del agua.
2.5.1. Estudio Comparativo de los procesos para determinar el mejor Método de
desmineralización del agua. La Central Termoeléctrica de Guangopolo, al dividirse en dos
secciones: Guangopolo I y Guangopolo II, utiliza en cada Planta de Tratamiento de Agua dos
diferentes Procesos de Desmineralización del Agua para enfriamiento de motores; tales como
Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa respectivamente. Pero basándose en el requerimiento de
calidad del agua para enfriamiento de la empresa cada método empleado tiene inconvenientes.
Es por tal razón que, se plantea 3 métodos para así realizando un estudio comparativo de los
mismos, se concluya con el mejor proceso de Desmineralización de Agua: Intercambio Iónico,
Ósmosis Inversa y/o la combinación de ambos procesos.
2.5.1.1. Intercambio Iónico. Las ventajas de este método radican en que su operación es sobre
demanda, el tiempo de contacto es corto, la insensibilidad a la concentración del agua de
alimentación, la extensa variedad y disponibilidad de resinas efectivas; con lo cual lo hace un
proceso de desmineralización idóneo. Sin embargo, la utilización de únicamente este método en
la Central Guangopolo I no satisface los requerimientos de calidad del agua requeridos.
93
2.5.1.2. Ósmosis Inversa. Las ventajas de este método son amplias como una gran eliminación
de contaminantes del agua de alimentación, insensibilidad a flujos y niveles de sólidos totales
disueltos, continuidad en su proceso, simplicidad en su operación, hacen que sea un sistema
idóneo para desmineralizar el agua. Sin embargo, aunque el requerimiento de calidad se
cumple, el tiempo de vida útil de las membranas se está disminuyendo de 1 año a 4 meses ,
debido a que el agua de alimentación posee un alto nivel de Sílice ≈70 ppmSiO2, que contamina
a las membranas y acorta su tiempo de vida útil.
2.5.1.3. Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa. Al combinar estos dos procesos, el de
Intercambio Iónico seguido por Ósmosis Inversa (ya existentes en las Plantas de Tratamiento
de Agua de la Central Termoeléctrica de Guangopolo), se combinan los beneficios de los
mismos, siendo así que el agua de alimentación al equipo de Ósmosis Inversa se trataría del
agua de salida de la Torre de Intercambio Aniónico, por lo cual se reduciría notablemente la
concentración de Sílice que ingresa a las membranas de 70 a 15 ppm SiO2 aproximadamente, y
así se aumentaría el tiempo de vida útil de las membranas.
2.5.2. Descripción del Diseño Experimental. Esta sección plantea la descripción de los sistemas
experimentales para la Desmineralización del Agua utilizada para enfriamiento de motores de
combustión interna. Se utilizan Torres de Intercambio Iónico, el sistema de intercambio
catiónico utiliza resina de intercambio catiónicas fuerte: Lewatit® MonoPlus S 108 H y el
sistema de intercambio aniónico utiliza resina de intercambio aniónicas fuerte: Lewatit®
MonoPlus M 500. Como también se implementa la utilización de Equipo de Ósmosis Inversa:
MerlinTM, Reverse Osmosis System. Adicionalmente, en esta sección se describen las
consideraciones de diseño de cada equipo que interviene en el sistema experimental.
La especificación de unidades adicionales para la operación del mejor método para
desmineralizar agua tales como: tanques de almacenamiento, tanques de preparación de ácido y
sosa, válvulas y bombas se consideran en esta sección.
94
Figura 54. Diagrama de Flujo del Proceso más idóneo para Desmineralización de
Aguapara enfriamiento de motores de la Central Termoeléctrica Guangopolo
Intercambio
Catiónico
(Resina
Catiónica
Fuerte)
Agua Filtrada
Intercambio
Aniónico
(Resina
Aniónica
Fuerte) Corriente de
Salida
Rechazo o Concentrado
Agua Desmineralizada
(Permeado)
Agua de Retrolavado Agua de Retrolavado
Agua Residual
Ósmosis
Inversa
95
3. DATOS EXPERIMENTALES
3.1. Datos de la caracterización del agua a tratar
En esta sección se presentan los datos del análisis físico-químico del agua a tratar, es decir, el agua de alimentación a las Torres de Intercambio Iónico y
al equipo de Ósmosis Inversa de la Planta de Tratamiento de Guangopolo I y II, respectivamente.
Tabla 8. Parámetros del agua filtrada (Agua de Alimentación para la Torres de Intercambio Iónico), Ensayo 1, 2 y 3
IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA
Tipo de Muestra Agua Filtrada Fecha de Toma de Muestra 2/06/15 17/06/15 01/07/2015
Punto de Toma de Muestra: Piscina de Agua Filtrada
RESULTADOS
ENSAYO REALIZADO VALORES
UNIDAD MÉTODO ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3
Alcalinidad Total 173.4 201.8 201 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320
Cloruros 57.4 58.5 99 ppm Cl- APHA,AWWA,WPCF 4500- Cl
-
Conductividad 570.4 583 566.9 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510
Dureza Cálcica 64.4 68.6 66 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Magnésica 111.6 147.8 102 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Total 176 216.4 168 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Hierro 0.1 0.1 0.2 ppm Fe Colorímetro (kit)
pH 7.70 7.75 7.7 Unidades de pH APHA,AWWA,WPCF 4500- H+
Sílice 45 40 70 ppm SiO2 APHA,AWWA,WPCF 4500- Si-
Sólidos Totales Disueltos 283 287 279 ppm APHA,AWWA,WPCF 2540
Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada
muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el anexo D.
96
Tabla 9. Parámetros del Agua de Ingreso a las membranas (Agua de Alimentación al Equipo de Ósmosis Inversa), Ensayo 1, 2 y 3
IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA
Tipo de Muestra Agua Tratada Fecha de Toma de Muestra 2/06/15 17/06/15 01/07/2015
Punto de Toma de Muestra: Agua de Alimentación al Equipo de Ósmosis Inversa
RESULTADOS
ENSAYO REALIZADO VALORES
UNIDAD MÉTODO ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3
Alcalinidad Total 195 195.2 194.8 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320
Cloruros 46.3 59.1 93 ppm Cl- APHA,AWWA,WPCF 4500- Cl
-
Conductividad 556.1 582 563 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510
Dureza Cálcica <0.6 <0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Magnésica 1.4 ND 0 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Total 1.4 <0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Hierro 0.1 0.3 0.3 ppm Fe Colorímetro (kit)
pH 8.05 8.02 7.73 Unidades de pH APHA,AWWA,WPCF 4500- H+
Sílice 70 50 60 ppm SiO2 APHA,AWWA,WPCF 4500- Si-
Sólidos Totales Disueltos 275 280 265 ppm APHA,AWWA,WPCF 2540
ND: no detectable
Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada
muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el Anexo E.
97
3.2. Datos de la caracterización del Agua Desmineralizada usando equipos de las Plantas de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica
Guangopolo
En esta sección se presentan los datos del análisis físico-químico del agua desmineralizada, es decir, el agua de salida de la Torre de Intercambio
Aniónico y del equipo de Ósmosis Inversa (permeado) de la Planta de Tratamiento de Guangopolo I y II, respectivamente.
Tabla 10. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida de la Torre Aniónica, Guangopolo I), Ensayo 1, 2 y 3
IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA
Tipo de Muestra Agua Desmineralizada Fecha de Toma de Muestra 2/06/15 17/06/15 01/07/2015
Punto de Toma de Muestra: Salida de la Torre Aniónica
RESULTADOS
ENSAYO REALIZADO VALORES UNIDAD MÉTODO
ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3
Alcalinidad Total 30 17.2 6.8 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320
Cloruros 15.7 10.4 4.5 ppm Cl- APHA,AWWA,WPCF 4500- Cl
-
Conductividad 90.2 40.9 9.5 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510
Dureza Cálcica < 0.6 0.6 < 0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Magnésica < 0.6 26.2 0 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Total < 0.6 26.8 < 0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Hierro 0.1 < 0.1 0.2 ppm Fe Colorímetro (kit)
pH 8.08 9.48 7.92 Unidades de pH APHA,AWWA,WPCF 4500- H+
Sílice 15 20 14 ppm SiO2 APHA,AWWA,WPCF 4500- Si-
Sólidos Totales Disueltos 45.1 15.19 5.25 ppm APHA,AWWA,WPCF 2540
Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada
muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el anexo F.
98
Tabla 11. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa, permeado, Guangopolo II), Ensayo 1, 2 y 3
IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA
Tipo de Muestra Agua Desmineralizada Fecha de Toma de Muestra 2/06/15 17/06/15 01/07/2015
Punto de Toma de Muestra: Salida del Equipo de Ósmosis Inversa (permeado)
RESULTADOS
ENSAYO REALIZADO VALORES UNIDAD MÉTODO
ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3
Alcalinidad Total 5.2 5.4 8.2 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320
Cloruros 7.5 6.1 6.5 ppm Cl- APHA,AWWA,WPCF 4500- Cl
-
Conductividad 10.8 11.8 17 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510
Dureza Cálcica < 0.6 < 0.6 0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Magnésica < 0.6 ND 0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Total < 0.6 < 0.6 1.2 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Hierro < 0.1 0.4 0 ppm Fe Colorímetro (kit)
pH 6.49 6.86 7.33 Unidades de pH APHA,AWWA,WPCF 4500- H+
Sílice 3 3 4 ppm SiO2 APHA,AWWA,WPCF 4500- Si-
Sólidos Totales Disueltos 5.65 6.18 8.61 Ppm APHA,AWWA,WPCF 2540
ND: no detectable
Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada
muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el Anexo G, los datos del análisis físico-químico realizados del rechazo se encuentran en el
Anexo G.
99
3.3. Datos de la caracterización del agua para la obtención de agua desmineralizada en el laboratorio
Tabla 12.Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida de la Torre Aniónica), Ensayo 1, 2 y 3
IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA
Tipo de Muestra Agua Desmineralizada Fecha de Toma de Muestra 2/06/15 17/06/15 01/07/2015
Punto de Toma de Muestra: Salida de la Torre Aniónica
RESULTADOS
ENSAYO REALIZADO VALORES UNIDAD MÉTODO
ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3
Alcalinidad Total 3.8 2.2 2.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320
Cloruros 3.9 4 5.8 ppm Cl- APHA,AWWA,WPCF 4500- Cl
-
Conductividad 6.7 5.6 4.5 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510
Dureza Cálcica <0.6 <0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Magnésica ND 0.6 0 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Total 2.8 0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Hierro 0.4 0.1 0.5 ppm Fe Colorímetro (kit)
pH 7.86 7.63 6.9 Unidades de pH APHA,AWWA,WPCF 4500- H+
Sílice 11 20 16 ppm SiO2 APHA,AWWA,WPCF 4500- Si-
Sólidos Totales Disueltos 4 2.89 2.46 ppm APHA,AWWA,WPCF 2540
ND: no detectable
Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada
muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el Anexo H.
100
Tabla 13. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa), Ensayo 1, 2 y 3
IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA
Tipo de Muestra Agua Desmineralizada Fecha de Toma de Muestra 2/06/15 17/06/15 01/07/2015
Punto de Toma de Muestra: Salida del Equipo de Ósmosis Inversa (permeado)
RESULTADOS
ENSAYO REALIZADO VALORES UNIDAD MÉTODO
ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3
Alcalinidad Total 15.6 12.6 11.2 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320
Cloruros 9 9 8.1 ppm Cl- APHA,AWWA,WPCF 4500- Cl
-
Conductividad 64.3 39.4 32.9 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510
Dureza Cálcica <0.6 <0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Magnésica 1.8 0 0 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Total 1.8 <0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Hierro 0.1 0.4 0.4 ppm Fe Colorímetro (kit)
pH 9.07 8.94 7.06 Unidades de pH APHA,AWWA,WPCF 4500- H+
Sílice 20 20 14 ppm SiO2 APHA,AWWA,WPCF 4500- Si-
Sólidos Totales Disueltos 31.3 19 16.2 ppm APHA,AWWA,WPCF 2540
Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada
muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el Anexo I, los datos del análisis físico-químico realizados del rechazo se encuentran en el
Anexo I.
101
Tabla 14. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa siendo el agua de alimentación el agua Salida de la
Torre Aniónica) (combinación de las Torres de Intercambio Iónico y el equipo de Ósmosis Inversa, Ensayo 1, 2 y 3
IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA
Tipo de Muestra Agua Desmineralizada Fecha de Toma de Muestra 2/06/15 17/06/15 01/07/2015
Punto de Toma de Muestra: Salida del Equipo de Ósmosis Inversa (permeado)
RESULTADOS
ENSAYO REALIZADO VALORES UNIDAD MÉTODO
ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3
Alcalinidad Total 2.8 4.8 2.2 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320
Cloruros 2.7 4 3.9 ppm Cl- APHA,AWWA,WPCF 4500- Cl
-
Conductividad 5 7.3 2 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510
Dureza Cálcica <0.6 <0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Magnésica ND 0 0 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Dureza Total <0.6 <0.6 <0.6 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2340
Hierro 0.4 0.5 0.4 ppm Fe Colorímetro (kit)
pH 7.86 7.92 7.75 Unidades de pH APHA,AWWA,WPCF 4500- H+
Sílice 9 9 9 ppm SiO2 APHA,AWWA,WPCF 4500- Si-
Sólidos Totales Disueltos 2.92 3.69 1.44 ppm APHA,AWWA,WPCF 2540
ND: no detectable
Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada
muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el Anexo J, los datos del análisis físico-químico realizados del rechazo se encuentran en el
AnexoJ.
102
3.4. Requerimiento de Calidad del Agua para Enfriamiento de Motores de Combustión
Interna (Motor MAN)
Tabla 15. Propiedades Físico-Químicas
AGUA DESMINERALIZADA
Parámetro Valor Unidades
pH 6-8 Unidades de pH
Conductividad < 50 µS/cm
TDS < 25 ppm
Dureza Total < 10 ppm CaCO3
Cloruros < 10 ppm Cl-
Sílice < 10 ppm SiO2
Hierro < 0.5 ppm Fe
Fuente: MAN Diesel & Turbo SE, Guangopolo II. System Operating Manual. Water Treatment
and Distribution. No. 5301954-EC. Augaburg. Alemania. Abril, 2013. pg.12.
3.5. Información del Producto LEWATTIT MonoPlus S 108 H
(Ver Anexo K)
Tabla 16. Propiedades Físico-Químicas del producto LEWATIT MonoPlus S 108 H
Propiedades Fisico-Químicas Valor Unidades métricas
Coeficiente de Uniformidad 1.05 ( +/- 0.05) Máx
Tamaño medio del grano 0.65 ( +/- 0.05) Mm
Densidad 1.51 g/mL
Contenido en agua 47-53 % en peso
Capacidad Total 2.0
Estabilidad 0- 14 rango de pH
Almacenaje del producto 2 máx. años
Almacenaje rango de temperatura -20 a 40 °C
Fuente: LENNTECH, Información de Producto Lewatit MonoPlus S108H. [Fecha de
consulta: 10 Julio 2015]. Disponible en: <http://www.brettis.com/Tutorial/ Resina Lewatit
Mono Plus S108.pdf>.
103
Tabla 17. Condiciones de funcionamiento recomendadas
Condiciones Valor Unidades métricas
Altura de lecho 800 Mm
Velocidad lineal contralavado 15 m/h
Expansión del lecho 4 %vol
Zona libre contralavado 60 %vol
Regenerante
HCl
H2SO4
NaCl
Regeneración a contracorriente
HCl 50
H2SO4 80
NaCl 90
Velocidad lineal lavado
HCl 5
H2SO4 5
NaCl 5
m/h
Velocidad lineal regeneración
HCl 5
H2SO4 10-20
NaCl 5
m/h
Consumo de agua de lavado
(lento/rápido)
HCl 2
H2SO4 2
NaCl 2
BV
Fuente: LENNTECH, Información de Producto Lewatit MonoPlus S108H. [Fecha de
consulta: 10 Julio 2015]. Disponible en: < http://www.brettis.com/Tutorial/Resina
LewatitMonoPlus S108.pdf>.
104
3.6. Información del Producto LEWATTIT MonoPlus M 500
(Ver el Anexo L)
Tabla 18. Propiedades Físico-Químicas
Propiedades Físico-Químicas Valor Unidades métricas
Coeficiente de Uniformidad 1.1 Máx
Tamaño medio del grano 0.65 ( +/- 0.05) Mm
Densidad 1.18 g/mL
Contenido en agua 48-53 % en peso
Capacidad Total 1.3
Estabilidad 0- 14 rango de Ph
Almacenaje del producto 2 máx. años
Almacenaje rango de temperatura -20 a 40 °C
Fuente: LENNTECH, Información de Producto Lewatit MonoPlus S108H. [Fecha de
consulta: 10 Julio 2015]. Disponible en: <http://www.brettis. com/Tutorial /ResinaLewatit
MonoPlus M500.pdf>.
Tabla 19. Condiciones de funcionamiento recomendadas
Condiciones Valor Unidades métricas
Altura de lecho 800 Mm
Velocidad lineal contralavado 7 m/h
Expansión del lecho 11 %vol
Zona libre contralavado 80-100 %vol
Regenerante NaOH
Regeneración a contracorriente 50
Velocidad lineal lavado 5 m/h
Velocidad lineal regeneración 5 m/h
Consumo de agua de lavado
(lento/rápido) 10 BV
Fuente: LENNTECH, Información de Producto Lewatit MonoPlus S108H. [Fecha de
consulta: 10 Julio 2015]. Disponible en: < http://www.brettis.com/Tutorial/
ResinaLewatitMonoPlusM500.pdf>
105
4. CÁLCULOS
4.1. Cálculo promedio de las réplicas experimentales
En esta sección se muestra la ecuación general para calcular el valor promedio de cada
parámetro de los diversos procesos para obtener datos experimentales promedio y luego
proceder a realizar el estudio comparativo para determinar el mejor método para obtención de
Agua Desmineralizada que cumplan con los requerimientos de calidad para aguas de
enfriamiento de motores de combustión interna.
4.1.1. Ecuación general para el cálculo promedio de las variables de cada etapa del proceso
(50)
Donde:
Xm, representa cualquier variable promedio de cualquier etapa del proceso.
Xi, representa cualquier variable de cualquier etapa del proceso en cada réplica experimental.
i, es el número de réplicas experimentales, 3 réplicas experimentales.
Se reemplaza los valores de los datos de análisis de muestras en la ecuación (50) y se obtiene la
tabla de datos experimentales promedio.
106
Tabla 20. Datos experimentales promedio de la obtención de Agua Desmineralizada para
los diferentes puntos de muestreo
Punto de Muestreo Parámetro Unidad Valor Promedio
Salida Torre Aniónica
(Guangopolo I)
Alcalinidad Total ppm CaCO3 18
Cloruros ppm Cl- 10.2
Conductividad µS/cm 46.86
Dureza Cálcica ppm CaCO3 0.6
Dureza Magnésica ppm CaCO3 8.93
Dureza Total ppm CaCO3 9.33
Hierro ppm Fe 0.15
pH Unidades de pH 8.4933
Sílice ppm SiO2 16.333
STD ppm 21.8467
Salida del Equipo de
Ósmosis Inversa
(Guangopolo II)
Alcalinidad Total ppm CaCO3 6.2667
Cloruros ppm Cl- 6.7
Conductividad µS/cm 13.2
Dureza Cálcica ppm CaCO3 0.6
Dureza Magnésica ppm CaCO3 0.6
Dureza Total ppm CaCO3 0.8
Hierro ppm Fe 0.23
pH Unidades de pH 6.8933
Sílice ppm SiO2 3.333
STD ppm 6.8133
Salida Torre Aniónica
(Laboratorio)
Alcalinidad Total ppm CaCO3 2.8667
Cloruros ppm Cl- 4.5667
Conductividad µS/cm 5.6
Dureza Cálcica ppm CaCO3 < 0.6
Dureza Magnésica ppm CaCO3 0.3
Dureza Total ppm CaCO3 0.2
Hierro ppm Fe 0.333
pH Unidades de pH 7.4633
Sílice ppm SiO2 15.6667
STD ppm 3.1167
107
Tabla 21. Continuación datos experimentales promedio de la obtención de Agua
Desmineralizada para los diferentes puntos de muestreo
Punto de Muestreo Parámetro Unidad Valor Promedio
Salida Equipo de
Ósmosis Inversa
(Laboratorio)
Alcalinidad Total ppm CaCO3 13.1333
Cloruros ppm Cl- 8.7
Conductividad µS/cm 45.5333
Dureza Cálcica ppm CaCO3 < 0.6
Dureza Magnésica ppm CaCO3 0.6
Dureza Total ppm CaCO3 0.6
Hierro ppm Fe 0.3
pH Unidades de pH 8.3567
Sílice ppm SiO2 18
STD ppm 22.1667
Combinación de las
Torres de Intercambio
Iónico y Ósmosis
Inversa
(Laboratorio)
Alcalinidad Total ppm CaCO3 3.2667
Cloruros ppm Cl- 3.5333
Conductividad µS/cm 4.7667
Dureza Cálcica ppm CaCO3 < 0.6
Dureza Magnésica ppm CaCO3 0
Dureza Total ppm CaCO3 0.6
Hierro ppm Fe 0.43
pH Unidades de pH 7.843
Sílice ppm SiO2 9
STD ppm 2.6833
Para verificar si los valores promedios se encuentran dentro del rango de requerimiento de
calidad del agua desmineralizada para aguas de enfriamiento para motores de combustión
interna, se utiliza la función lógica: SI.ERROR en Excel, donde se determina si el valor esta
dentro del rango de requerimiento de calidad muestra una condición de VERDADERO (cumple
con el requerimiento), por el contrario si el valor no está dentro del rango, muestra una
condición de FALSO ( no cumple con el requerimiento).
FUNCIÓNSI.ERROR=(VALOR<REQUERIMIENTO,VALOR>REQUERIMIENTO) (51)
108
Tabla 22. Cumplimiento de Requerimientos para los diferentes datos experimentales
promedio de la obtención de Agua Desmineralizada para los diferentes puntos de
muestreo
Punto de
Muestreo Parámetro Unidad
Valor
Promedio Requerimiento
Cumplimiento de
Requerimiento
Salida Torre
Aniónica
(Guangopolo I)
Cloruros ppm Cl- 10.2 <10 FALSO
Conductividad µS/cm 46.86 <50 VERDADERO
Dureza Total ppm CaCO3 9.33 <10 VERDADERO
Hierro ppm Fe 0.15 <0.5 VERDADERO
pH Unidades de
pH 8.4933 6-8 FALSO
Sílice ppm SiO2 16.333 <10 FALSO
Salida Torre
Aniónica
(Guangopolo II)
Cloruros ppm Cl- 6.7 <10 VERDADERO
Conductividad µS/cm 13.2 <50 VERDADERO
Dureza Total ppm CaCO3 0.8 <10 VERDADERO
Hierro ppm Fe 0.2 <0.5 VERDADERO
pH Unidades de
pH 6.8933 6-8 VERDADERO
Sílice ppm SiO2 3.333 <10 VERDADERO
Salida Torre
Aniónica
(Laboratorio)
Cloruros ppm Cl- 4.5667 <10 VERDADERO
Conductividad µS/cm 5.6 <50 VERDADERO
Dureza Total ppm CaCO3 0.2 <10 VERDADERO
Hierro ppm Fe 0.333 <0.5 VERDADERO
pH Unidades de
pH 7.4633 6-8 VERDADERO
Sílice ppm SiO2 15.6667 <10 FALSO
Salida Equipo
de Ósmosis
Inversa
(Laboratorio)
Cloruros ppm Cl- 8.7 <10 VERDADERO
Conductividad µS/cm 45.5333 <50 VERDADERO
Dureza Total ppm CaCO3 0.6 <10 VERDADERO
Hierro ppm Fe 0.3 <0.5 VERDADERO
pH Unidades de
pH 8.3567 6-8 FALSO
Sílice ppm SiO2 18 <10 FALSO
* Combinación
de las Torres de
Intercambio
Iónico y el
Equipo de
Ósmosis Inversa
Cloruros ppm CaCO3 3.533 <10 VERDADERO
Conductividad ppm Cl- 4.7667 <50 VERDADERO
Dureza Total µS/cm 0.6 <10 VERDADERO
Hierro ppm CaCO3 0.4 <0.5 VERDADERO
pH ppm CaCO3 7.843 6-8 VERDADERO
Sílice ppm CaCO3 9 <10 VERDADERO
*Mejor método para la obtención de agua desmineralizada que cumple con el requerimiento de
calidad de agua como medio de enfriamiento para motores de combustión interna de la Central
Termoeléctrica Guangopolo.
109
Basándose en la tabla 22, se puede afirmar que el mejor método para obtención de agua
desmineralizada que cumple los requerimientos de calidad de aguas de enfriamiento para
motores de combustión interna de la Central Termoeléctrica de Guangopolo, se trata de la
combinación de las Torres de Intercambio Iónico y el equipo de Ósmosis Inversa que se
encuentra en el Laboratorio, el cual inicia con la entrada de agua filtrada a la Torre de
Intercambio Catiónica, seguida con la recepción del agua de salida de la Torre de Intercambio
Aniónico, para que la misma sea el agua de alimentación que ingresa a las membranas y
finalmente el agua de salida de las membranas se trata del agua desmineralizada que cumple con
todos los requerimientos, por tal razón se procede a diseñar este sistema.
4.2. Cálculos para el Diseño de la combinación de torres de Intercambio Iónico y Ósmosis
Inversa
4.2.1. Cálculo del Diseño de la Torre de Intercambio Catiónico (V-01)
4.2.1.1. Selección de Resinas y capacidad de intercambio. Se selecciona un tipo de resina y el
tipo de regenerante, en este caso según las ventajas del mismo se eligió una resina catiónica
fuerte (LEWATTIT MonoPlus S 108 H), cuya capacidad de intercambio es de 2
. El tipo de regenerante es H2SO4, ya que dicho regenerante es usado en la
planta de tratamiento de agua de la Central Guangopolo I. Una vez seleccionados estos aspectos
se identifica en la literatura técnica el nivel de regenerante, cuyo valor es 80
.
4.2.1.2. Cálculo del factor de flujo. Suponiendo que la concentración de dureza en la columna
es 0 ppmCaCO3, ya que es el inicio del proceso. El caudal del bypass se calcula escribiendo un
balance de caudales, donde el efluente de la columna se mezcla con el agua fuente en paralelo.,
ver ecuación 7 y 9.
Tomando la relación del balance de caudales del equipo experimental se obtiene:
110
4.2.1.3. Cálculo de la elevación de la tasa de caudal de agotamiento. Se utiliza el valor del
rango recomendado para intercambio iónico que es de 1 a 5
. Eligiendo un valor de 5
y una profundidad de resina según la literatura técnica es de 80 cm. Ver ecuación 4.
Ver ecuación 5:
4.2.1.4. Cálculo de la duración de tratamiento. Suponiendo que la concentración de dureza en
la columna es 0 ppmCaCO3, ya que es el inicio del proceso. Basándose en la capacidad de
intercambio en la literatura técnica, la capacidad de intercambio es de (
) y
seleccionando la concentración inicial de dureza total (216.4 ppmCaCO3) siendo esta el valor
más alto de dureza en los 3 ensayos, se obtiene los volúmenes de agua tratada sobre volúmenes
de resinas. Ver ecuación 11.
El tiempo de duración del tratamiento se relaciona con los volúmenes de lecho y la elevación de
la tasa de caudal de agotamiento, ver ecuación 12.
111
4.2.1.5. Cálculo del volumen de resina. Se calcula el caudal de alimentación, usando el factor
de alimentación y el volumen de agua requerido diariamente (130000 L/día), pero como el
equipo de ósmosis inversa tiene un porcentaje de recuperación de un 80% el flujo de entrada al
sistema aumenta a 200000 L/día, seguido se utiliza la ecuación 13 para el cálculo del volumen
de resina.
Se verifica el cálculo del volumen de resina utilizando la ecuación:
4.2.1.6. Cálculo de las dimensiones de la Torre de Intercambio Catiónico (V-01)
a) Cálculo del diámetro y altura de la Torre de Intercambio Catiónico
(52)
Se considera la profundidad del lecho sugerido en la literatura técnica (80 cm) como el
término h en la previa ecuación de cálculo del diámetro y como el lecho se expande un 4%,
el volumen de resina aumenta a 341543.55093 cm3.
112
Como en el retrolavado la resina sube un 60% y la relación entre
debe ser
aproximadamente de 0.2 a 2, entonces:
(53)
Siendo que:
4.2.1.7. Cálculo del Volumen de Agua Residual. Se considera el nivel de regeneración a
contracorriente de la literatura técnica cuyo valor es 80
, el porcentaje en peso de la
regeneración a contra corriente (3%) y la densidad del ácido sulfúrico a 21 C° obtenida de la
tabla a continuación, ver punto G de la sección 1.4.2.1.10. Basándose en la literatura el
volumen de agua residual comprende los volúmenes de regenerante y del lavado lento (lavado
de desplazamiento).
Tabla 23. Densidad de ácido sulfúrico en diferentes porcentajes y temperaturas
% 15 20 25
95 1.8388 1.8337 1.8286
96 1.8406 1.8355 1.8305
97 1.8414 1.8364 1.8314
98 1.8411 1.8361 1.8310
99 1.8393 1.8342 1.8292
100 1.8357 1.8305 1.8255
Fuente: Perry, Robert y Green, Don. Perry´s Chemical Engineers´ Handbook. Séptima Edición.
McGraw-Hill. Kansas. 1997. pg.131.
113
Interpolando los datos usados en la previa tabla se obtiene el valor de la densidad del ácido
sulfúrico a 98.5 %. (1.83389
).
A la adición de ácido sulfúrico se aplica un lavado de desplazamiento lento de 2 BV. El
volumen total del regenerante y agua residual está compuesto del regenerante gastado
(0.1454104 BV) y el lavado desplazante (2.0 BV):
4.2.1.8. Cálculo de la Fluidización presente en el retrolavado
a) Cálculo de la porosidad mínima de fluidización
Se considera que el término de , se estima con la siguiente ecuación que se trata de la
Ecuación de Wen, ver ecuación 22.
Donde:
diámetro de partícula, mm
: porosidad mínima de fluidización
Como el diámetro de partícula es de 0.7 mm, ver tabla 16.
=0.467295
b) Cálculo de la velocidad mínima de fluidización
Como las partículas son esféricas, el factor de esfericidad es 1. La densidad del agua a 21 °C,
se obtiene de la tabla 20. (Ver ecuación 25)
114
Tabla 24. Densidad del Agua a diferentes temperaturas
T,(°C)
20 998.204
21 997.992
22 997.770
24 997.538
24 997.296
25 997.045
Fuente: Perry, Robert y Green, Don. Perry´s Chemical Engineers´ Handbook. Séptima
Edición. McGraw-Hill. Kansas. 1997. pg.115.
1598.0114 +244.508 =501.768
La solución de la ecuación cuadrática da como resultado
c) Cálculo del Número de Reynolds
Ver ecuación 16.
d) Cálculo de la velocidad de fluido para que el lecho se expanda el 60%
Basándose de la Figura 13, m≈ 3.8, entonces:
115
Como en el retrolavado el lecho se expande el 60% (ver ecuación 23):
Entonces:
Lo cual representa la velocidad necesaria para expandir el lecho al 60% en el retrolavado.
116
e) Cálculo del caudal de agua y el tiempo de retrolavado
(54)
El valor del caudal del agua es fundamental ya que, este valor debe ser mayor al de
alimentación (
), ya que si es menor el lecho se fluidizaría cuando esté en
servicio. La fluidización del lecho no debe aparecer cuando las Torres estén en servicio.
En el proceso de intercambio catiónico se realiza dos tiempos de retrolavado.
En el primer tiempo de retrolavado, se toma en cuenta los datos experimentales donde denota
el volumen del agua a tratar que se queda dentro del tanque que es para cada columna un
1.25 % del volumen de alimentación, entonces el primer retrolavado necesita eliminar este
volumen.
(55)
Con el segundo retrolavado, se desea quitar el volumen de ácido remanente en el lecho de
resina.
Considerando que entra:
117
Así, el tiempo total de retrolavado se determinaría con la suma de y .
4.2.1.9. Cálculo del Ácido necesario para la regeneración (Etapa de Inyección de Ácido).
La literatura técnica sugiere trabajar con regenerantes concentrados para el nivel de
regeneración que en este caso es de 80
, y sugiere que se realice la regeneración
con un 3% en peso de H2SO4. Entonces:
Estos son los gramos de ácido concentrados necesarios para la regeneración de la resina.
Para saber en cuantos litros de aguas se debe diluir este ácido para tener un 3% de regenerante
sugerido por la información técnica. Se usa la siguiente ecuación.
(56)
Entonces:
Esto quiere decir que se debe diluir 26.27258 kg . Para saber el
volumen de la solución de ácido al 3% en peso necesario para la regeneración de la resina
catiónica fuerte, se realiza lo siguiente:
118
4.2.1.10. Cálculo del caudal de regeneración de la resina. Para esto se debe considerar un
caudal de entrada para la válvula múltiple comercial seleccionada, por tal razón se debe
calcular el caudal de regeneración ya que se sabe cuánta cantidad de ácido se requiere para la
regeneración y un aproximado de 45 min de retrolavado según la literatura.
4.2.1.11. Cálculo del tiempo de regeneración lento y rápido. Basándose en la literatura técnica,
el consumo de agua de lavado lento y rápido es de 2BV y 1BV respectivamente.
Según la configuración de la válvula múltiple el agua de solución entra con el mismo caudal
que el caudal de entrada.
4.2.1.12. Cálculo del tiempo fuera de servicio. Un tiempo fuera de servicio conservador sería la
suma de los tiempos de retrolavado (2 horas), regeneración y limpieza, y debe ser menor al
tiempo de operación total de tratamiento (tH), ver ecuación 14.
119
4.2.1.13. Cálculo del Tiempo de Ruptura de la Resina Catiónica fuerte. En esta sección
realizando una gráfica
, obteniendo datos de concentraciones finales de la dureza total
en un determinado tiempo, se obtiene la siguiente tabla, donde se encuentran los datos para
generar esta gráfica.
Tabla 25. Datos necesarios para generar la curva del tiempo de ruptura de la resina
catiónica fuerte
t, min Co, ppmCaCO3 Cf, ppmCaCO3 Co, g/L Cf, g/L Cf/Co
21
216.4
4
0.2164
0.004 0.01848429
22 4.04 0.00404 0.01866913
23 4.1 0.0041 0.0189464
24 4.13 0.00413 0.01908503
25 4.18 0.00418 0.01931608
26 4.22 0.00422 0.01950092
27 4.26 0.00426 0.01968577
28 4.31 0.00431 0.01991682
29 4.35 0.00435 0.02010166
30 4.4 0.0044 0.02033272
Gráfico 1. Cf/Co=f (t) (Resina Catiónica fuerte)
Cf/Co= 3E-18t2 + 0.0002t + 0.0142 R² = 0.9987
0.018
0.0185
0.019
0.0195
0.02
0.0205
20 22 24 26 28 30 32
Cf/
Co
tiempo, min
Cf/Co=f(t)
120
Basándose en la literatura, se dice que el tiempo de ruptura de una resina se da cuando la
concentración final llega a ser el 10% de la concentración inicial. Para esto con la ecuación de la
Gráfica 1, se interpola para que Cf/Co sea igual a 0.1, obteniéndose el tiempo de ruptura en
minutos.
Entonces, para obtener el tiempo de ruptura,
Esto quiere decir que hay que regenerar la resina a las 7. 15 h de trabajo.
4.2.2. Cálculo del Diseño de la Torre de Intercambio Aniónico (V-02)
4.2.2.1. Selección de Resinas y capacidad de intercambio. Se selecciona un tipo de resina y el
tipo de regenerante, en este caso según las ventajas del mismo se eligió una resina aniónica
fuerte (LEWATTIT MonoPlus M 500), cuya capacidad de intercambio es de 1.3
. El tipo de regenerante es NaOH, ya que dicho regenerante es usado en la
planta de tratamiento de agua de la Central Guangopolo I. Una vez seleccionados estos aspectos
se identifica en la literatura técnica el nivel de regenerante, cuyo valor es 50
.
4.2.2.2. Cálculo del factor de alimentación a la torre. Se considera que el flujo de entrada de la
Torre de Intercambio Aniónico (flujo en servicio) es la misma que la de entrada a la Torre
Catiónica (flujo de servicio), entonces como el sistema comienza con un flujo bypasseado, el
flujo de ingreso se multiplica por el factor fF, (ver sección 4.2.1.2).
121
4.2.2.3. Cálculo de la elevación de la tasa de caudal de agotamiento.. Se utiliza el valor del
rango recomendado para intercambio iónico que es de 1 a 5
. Eligiendo un valor de
2.29
, este valor se selecciona para que el tiempo de duración del tratamiento total de la
Torre aniónica sea el mismo que el de la torre catiónica y una profundidad de resina según la
literatura técnica es de 80 cm. Ver ecuación 4.
Ver ecuación 5:
4.2.2.4. Cálculo de la duración de tratamiento. Suponiendo que la concentración de dureza en
la columna es 0 ppmCaCO3, ya que es el inicio del proceso. Basándose en la capacidad de
intercambio en la literatura técnica, la capacidad de intercambio es de (
).
Se selecciona las concentraciones de alimentación de alcalinidad total, cloruros, sílice y hierro
de 201.8 ppmCaCO3, 58.5 ppm Cl-, 40 ppmSiO4
2-, 0.1 ppm Fe, respectivamente, siendo estos
valores los más altos de concentraciones en los 3 ensayos.
La concentración total de los aniones deben expresarse en la misma concentración.
La concentración de las especies en miliequivalentes/Litros se calcula a partir de la relación:
(55)
La concentración de las especies expresada en mg/L de CaCO3, se calcula a partir de la relación:
122
(56)
Tabla 26. Concentración de especies expresadas en mg CaCO3/ L
Especie
Química Concentración
Peso
Equivalente
Concentración
Concentración
Cl- 58.5 35.5 1.746269 87.3134
SiO42 40 48 0.366972 18.3486
Fe 0.1 56 0.001786 0.08928
Alcalinidad 201.8
TOTAL 307.4621
El tiempo de duración del tratamiento se relaciona con los volúmenes de lecho y la elevación de
la tasa de caudal de agotamiento, ver ecuación 12.
4.2.2.5. Cálculo del volumen de resina. Se calcula el caudal de alimentación, usando el factor
de alimentación y el volumen de agua requerido diariamente (130000 L/día), pero como el
equipo de ósmosis inversa tiene un porcentaje de recuperación de un 80% el flujo de entrada al
sistema aumenta a 200000 L/día, seguido se utiliza la ecuación 13 para el cálculo del volumen
de resina.
123
Se verifica el cálculo del volumen de resina utilizando la ecuación:.
4.2.2.6. Cálculo de las dimensiones de la Torre de Intercambio Aniónico (V-02)
a) Cálculo del diámetro y altura de la Torre de Intercambio Aniónico
Se considera la profundidad del lecho sugerido en la literatura técnica como el término h en
la previa ecuación de cálculo del diámetro y como el lecho se expande un 11%, el volumen
de resina aumenta a 796813.4269cm3.
Como en el retrolavado la resina sube un 100 % y la relación entre
debe ser
aproximadamente de 0.2 a 2,
Siendo que:
124
4.2.2.7. Cálculo del Volumen de Agua Residual. Se considera el nivel de regeneración a
contracorriente de la literatura técnica cuyo valor es 50
. Basándose en la literatura el
volumen de agua residual comprende los volúmenes de regenerante y del lavado lento (lavado
de desplazamiento).
La densidad de la sosa cáustica a 98 %. (2.13
).
A la adición de sosa caustica se aplica un lavado de desplazamiento lento de 2 BV. El volumen
total del regenerante y agua residual está compuesto del regenerante gastado ( BV) y
el lavado desplazante (10 BV):
4.2.2.8. Cálculo de la Fluidización presente en el retrolavado
a) Cálculo de la porosidad mínima de fluidización
Se considera que el término de , se estima con la siguiente ecuación que se trata de la
Ecuación de Wen, ver ecuación 22.
Donde:
diámetro de partícula, mm
: porosidad mínima de fluidización
Como el diámetro de partícula es de 0.67 mm, ver tabla 17.
=0.474168
125
b) Cálculo de la velocidad mínima de fluidización
Como las partículas son esféricas, el factor de esfericidad es 1. La densidad del agua a 21 °C,
se obtiene de la tabla 20. (Ver ecuación 25)
Tabla 27. Densidad del Agua a diferentes temperaturas
T,(°C)
20 998.204
21 997.992
22 997.770
24 997.538
24 997.296
25 997.045
Fuente: Perry, Robert y Green, Don. Perry´s Chemical Engineers´Handbook. Séptima
Edición. McGraw-Hill. Kansas. 1997. pg.115.
1648.13 +244.508 =178.368
La solución de la ecuación cuadrática da como resultado
c) Cálculo del Número de Reynolds
Ver ecuación 16.
d) Cálculo de la velocidad de fluido para que el lecho se expanda
Basándose de la Figura 13, m≈ 4.3, entonces:
126
Cuando la resina aniónica tiene el mismo volumen que la resina catiónica, la resina aniónica
se expande 50%, pero se sabe que la capacidad de la resina aniónica al ser menor que la
capacidad de la resina catiónica, debe aumentar el volumen para que su intercambio sea igual
y para no aumentar una torres aniónica más, es por esto que por que el volumen de resina
aumenta el doble aproximadamente. Es decir que en el retrolavado el lecho se expande el
100 % del lecho, ver ecuación 23.
Entonces:
127
Lo cual representa la velocidad necesaria para expandir el lecho al 50% en el retrolavado.
e) Cálculo del caudal de agua y los tiempos de retrolavado
Ver ecuación 54.
El valor del caudal del agua es fundamental ya que, este valor debe ser mayor al de
alimentación (
), ya que si es menor el lecho se fluidizaría cuando esté en
servicio. La fluidización del lecho no debe aparecer cuando las Torres estén en servicio.
En el proceso de intercambio aniónico se realiza dos tiempos de retrolavado.
En el primer tiempo de retrolavado, se toma en cuenta los datos experimentales donde denota
el volumen del agua a tratar que se queda dentro del tanque que es para cada columna un
1.25 % del volumen de alimentación, entonces el primer retrolavado necesita eliminar este
volumen, ver ecuación 55.
Con el segundo retrolavado, se desea quitar el volumen de sosa cáustica remanente en el
lecho de resina.
128
Considerando que entra:
Así, el tiempo total de retrolavado se determinaría con la suma de y .
4.2.2.9. Cálculo de la Sosa necesaria para la regeneración (Etapa de Inyección de Sosa
Caustica).
La literatura técnica sugiere trabajar con regenerantes concentrados para el nivel de
regeneración que en este caso es de 50
, y sugiere que se realice la regeneración
con un 3% en peso de NaOH. Entonces:
Estos son los gramos de NaOH concentrados necesarios para la regeneración de la resina.
Para saber en cuantos litros de aguas se debe diluir la sosa cáustica para tener un 3% de
regenerante sugerido por la información técnica. Se usa la ecuación 56.
Entonces:
129
Esto quiere decir que se debe diluir 35.8925 kg , pero de esta
dilución solo se necesita para la regeneración de la resina aniónica fuerte.
4.2.2.10. Cálculo del caudal de regeneración de la resina. Para esto se debe considerar un
caudal de entrada para la válvula múltiple comercial seleccionada, por tal razón se debe
calcular el caudal de regeneración ya que se sabe cuánta cantidad de ácido se requiere para la
regeneración y un aproximado de 60 min de retrolavado según la literatura.
4.2.2.11. Cálculo del tiempo de regeneración lento y rápido
Basándose en la literatura técnica, el consumo de agua de lavado lento y rápido es de 10BV y
5BV respectivamente.
Según la configuración de la válvula múltiple el agua de solución entra con el mismo caudal
que el caudal de entrada.
130
4.2.2.12. Cálculo del tiempo fuera de servicio. Un tiempo fuera de servicio conservador sería la
suma de los tiempos de retrolavado, regeneración y limpieza, y debe ser menor al tiempo de
operación total de tratamiento (tH), ver ecuación 14.
4.2.2.13. Cálculo del tiempo de ruptura de la resina aniónica. En esta sección realizando una
gráfica
, obteniendo datos de concentraciones finales de la dureza total en un
determinado tiempo, se obtiene la siguiente tabla, donde se encuentran los datos para generar
esta gráfica.
Tabla 28. Datos necesarios para generar la curva del tiempo de ruptura de la resina
aniónica fuerte
t, min Co, ppmSiO2 Cf, ppm SiO2 Co, g/L Cf, g/L Cf/Co
21
40
0.915
0.04
0.000915 0.022875
22 0.926 0.000926 0.02315
23 0.93 0.00093 0.02325
24 0.938 0.000938 0.02345
25 0.947 0.000947 0.023675
26 0.957 0.000957 0.023925
27 0.963 0.000963 0.024075
28 0.975 0.000975 0.024375
29 0.981 0.000981 0.024525
30 0.987 0.000987 0.024675
131
Gráfico 2. Cf/Co=f (t) (Resina Aniónica fuerte)
Basándose en la literatura, se dice que el tiempo de ruptura de una resina se da cuando la
concentración final llega a ser el 10% de la concentración inicial. Para esto con la ecuación de la
Gráfica 2, se interpola para que Cf/Co sea igual a 0.1, obteniéndose el tiempo de ruptura en
minutos.
Entonces, para obtener el tiempo de ruptura,
Esto quiere decir que hay que regenerar la resina a las 5.17078 h de trabajo.
Cf/Co = 2E-07t2 + 0.0002t + 0.0187 R² = 0.9954
0.0225
0.023
0.0235
0.024
0.0245
0.025
20 22 24 26 28 30 32
Cf/
Co
Tiempo,min
Cf/Co=f(t)
132
4.2.3. Cálculo para las especificaciones del Equipo de Ósmosis Inversa (F-01)
4.2.3.1. Paso de Sales. Se utiliza el porcentaje de retención de las membranas del equipo de
Ósmosis Inversa GENO-OSMO-RKF 7.000 que es de 80 %, para obtener la concentración del
permeado de Sílice que es el parámetro más crítico para las membranas por su insolubilidad.
4.2.3.2. Porcentaje de Recuperación. Utilizando el flujo de alimentación (8750 L/h) y el flujo
de permeado (7000 L/h) de las especificaciones de las membranas del equipo antes dicho, se
comprueba el porcentaje de retención ya dicho, ver ecuación (28) y con esto se puede obtener la
concentración del sílice en la corriente de rechazo o concentrado
4.2.3.3. Presión Neta de Manejo. Para esto se debe calcular previamente la presión osmótica de
alimentación, presión osmótica en el permeado (ver ecuación 33) y la concentración de en
. La presión de alimentación y permeado están en la información técnica de las
membranas usadas.
133
4.2.3.4. Permeabilidad Específica
Ver ecuación 35.
4.2.3.5. Factor de Concentración por polarización
Ver ecuación 36.
4.2.3.6. Configuración de membranas
La configuración de las membranas usadas es en espiral.
4.2.3.7. Velocidad de Filtración. Basándose en la literatura técnica del equipo de ósmosis, se
produce 168 m3 en 24 horas (máx.), ver ecuación 37.
134
Para obtener 130 m3,
4.2.3.8. Sistema de Membranas
El sistema de membranas usado de membranas semipermeables.
4.2.3.9. Material de membrana
El material de membranas usado es el Acetato de Celulosa.
4.2.3.10. Resistencia total
Ver ecuación 43.
4.2.3.11. Índice de saturación de Langlier (ISL). Ver sección 1.4.3.24 para el cálculo del pH de
saturación. Se utiliza información de la concentración de sílice en el permeado que se obtuvo
utilizando el equipo de ósmosis inversa en el laboratorio.
Se utiliza el valor de dureza cálcica (
) en el permeado que se obtuvo utilizando el
equipo de ósmosis inversa en el laboratorio.
135
Se utiliza el valor de alcalinidad total (
) en el permeado que se obtuvo utilizando
el equipo de ósmosis inversa en el laboratorio.
El pH de la corriente concentrada debe ser menor a 10.444 para evitar acumulación de sólidos
en las membranas.
4.2.4. Especificaciones de tanques, accesorios y bombas adicionales
4.2.4.1. Dimensiones del tanque de almacenamiento de agua de Prefiltrado (T-03)
proveniente de la salida de la Torre Aniónica. El volumen del tanque de almacenamiento de
agua de prefiltrado de agua de salida de la Torre Aniónica debe funcionar como un tanque
pulmón para el proceso ya que el tiempo de obtención de agua usando las torres de intercambio
iónico (11.5 h) es menor que el tiempo de obtención de agua desmineralizada (18.57 h),
entonces este volumen debe contener un volumen aproximado de 92.86 ≈ 93 m3, se toma un
factor de seguridad en el volumen de 20% con el objeto de evitar contratiempos en el vaciado o
llenado del equipo.
(57)
136
(58)
Tabla 29. Variables de diseño del tanque de almacenamiento de agua prefiltrado
proveniente de la salida de la Torre de Intercambio Aniónico (T-03)
Variable Definición Unidad Valor
Volumen de Agua que se recepta en el tanque 93
Factor de seguridad 0.2
Volumen de holgura 18.6
Volumen del tanque de almacenamiento 111.6
(59)
Las relaciones que debe tener el diámetro con relación a la altura es de:
.
Se itera, asumiendo un valor de diámetro hasta conseguir un valor igual al del volumen del
tanque.
Tabla 30. Iteraciones del Diámetro del Tanque
Iteración 1 2 3
, m 3 5 4.5586
, m 4.5 7.5 6.8378
, m3 31.80863 147.2622 111.6
La iteración 3 muestra las dimensiones del diámetro y altura del tanque.
4.2.4.2. Dimensiones del tanque de almacenamiento de agua desmineralizada (T-04). El
volumen del tanque de almacenamiento de agua desmineralizada debe contener 160000 L, ya
que el porcentaje de recuperación del equipo de ósmosis inversa es de 80% del volumen inicial,
se toma un factor de seguridad en el volumen de 20% con el objeto de evitar contratiempos en el
vaciado o llenado del equipo.
137
Tabla 31. Variables de diseño del Tanque de Almacenamiento de Agua Desmineralizada
(T-04)
Variable Definición Unidad Valor
Volumen de Agua que se recepta en el tanque 160
Factor de seguridad 0.2
Volumen de holgura 32
Volumen del tanque de almacenamiento 192
Las relaciones que debe tener el diámetro con relación a la altura es de:
.
Se itera, asumiendo un valor de diámetro hasta conseguir un valor igual al del volumen del
tanque.
Tabla 32. Iteraciones del Diámetro del Tanque de Almacenamiento de Agua
Desmineralizada
Iteración 1 2 3
, m 3 5 5.4623
, m 4.5 7.5 8.1934
, m3 31.80863 147.2622 192
La iteración 3 muestra las dimensiones del diámetro y altura del tanque.
4.2.4.3. Dimensionamiento de la Piscina de Agua de Alimentación al sistema (Agua filtrada).
Se utiliza las mismas dimensiones de la Piscina de Agua Filtrada (largo*ancho*profundidad):
(2.5 m * 2m *2.5m).
4.2.4.4. Dimensionamiento del Tanque para Inyección de Ácido (T-01). Basándose en los
anteriores cálculos se necesita para regeneración.
138
Se selecciona una línea comercial para tanques de almacenamiento para almacenar este volumen
de ácido sulfúrico. Esta línea de productos ofrece gran versatilidad en el almacenamiento de
productos químicos en el sector industrial, con capacidades desde 250 L hasta 25,000 L.
Figura 55. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos
En este caso se seleccionó el tanque: TVC-600L, con las respectivas dimensiones.
4.2.4.5. Dimensionamiento del Tanque para Inyección de Sosa Caustica. Basándose en los
anteriores cálculos se necesita para regeneración.
Se selecciona una línea comercial para tanques de almacenamiento para almacenar este volumen
de ácido sulfúrico. Esta línea de productos ofrece gran versatilidad en el almacenamiento de
productos químicos en el sector industrial, con capacidades desde 250 L hasta 25,000 L.
139
Figura 56. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos
En este caso se seleccionó el tanque: TVC-750L, con las respectivas dimensiones.
4.2.4.6. Dimensionamiento del Tanque de Aguas residuales de Retrolavado(T-03). Basándose
en los anteriores cálculos se necesita en el retrolavado de la
Torre Catiónica y en el retrolavado de la Torre Aniónica.
(Retrolavado Torre Catiónica)
(Retrolavado Torre Aniónica)
Se selecciona una línea comercial para tanques de almacenamiento para almacenar este volumen
de ácido sulfúrico. Esta línea de productos ofrece gran versatilidad en el almacenamiento de
productos químicos en el sector industrial, con capacidades desde 250 L hasta 25,000 L.
140
Figura 57. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos
En este caso se seleccionó el tanque: TAN-15000 L, con las respectivas dimensiones.
4.2.4.7. Especificaciones de la bomba centrífuga P-01. En el mercado mundial existen varios
tipos de bombas centrífugas que se acoplan a las especificaciones del sistema, para esto se
escogió la bomba de modelo PS 1 ¼ -3-2, ver anexo M.
Tabla 33. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-01
Modelo PS 1 ¼ -3-2
Succión 2”
Descarga 1 ¼ ”
Material Acero Inoxidable
Potencia de bombeo 3 HP
Mejor punto de eficiencia 85 GPM
Fuente: BARMESA. Bombas Centrífugas en Acero Inoxidable. [Fecha de consulta: 13
julio 2015] Disponible en: < http://www.atb.com.mx/img/barnes/ficha-tecnica-bomba-
centrifuga-barnes-acero-inoxidable-PS.pdf
141
Se calcula el CNPAD para poder compararlo con el CNPAR, según literatura debe cumplirse
que el CNPAD sea mayor o igual a CNPAR.
Cálculo modelo para la bomba (P-01):
Para esto se calcula la velocidad de entrada :
(60)
El número de Reynolds en tuberías:
(61)
142
Figura 58. Diagrama Modificado de Moody, para obtener el factor de fricción
143
Si el Re > 4000, el flujo es turbulento; para calcular las pérdidas por fricción en tuberías se
necesita obtener el factor de fricción f en el diagrama de Moody, teniendo como datos el
diámetro de la tubería (1 ¼”) y el número de Reynolds 14639
Según, en diagrama de Moody f=0.023
(62)
Se calcula pérdidas por fricción en accesorios:
(63)
Tabla 34. Valores de k para diversos accesorios
Piezas Descripción Diámetro de los accesorios, pulg
1/2 1 1 1/4
Codo de 90° 0.32 0.28 0.26
Válvula de bola 0.08 0.07 0.07
Te 0.9 0.9 0.9
Fuente: HISPAVISTA, NPSH. Fecha de consulta: 18 julio 2015] Disponible en:
<http://galeon.com/elregante2/npsh.html>
Finalmente el cálculo del CNPAD:
(64)
144
La presión de descarga Pd es igual a la presión atmosférica en Quito (72260 Pa) y la presión de
vapor del agua a 21° C (2486.46 Pa).
Basándose en curva de rendimiento para este específico modelo, se puede obtener valores de
potencia, eficiencia, CNPA requerido, especificando el caudal requerido.
Figura 59. Curva de rendimiento para el modelo PS 1 ¼ -3-3, 3HP
Para este caso se cumple que:
CNPAD CNPAR
Siguiendo este procedimiento se tiene los siguientes resultados para las diversas bombas usadas
en el sistema.
145
Tabla 35.Especificaciones de las bombas usadas en el sistema
Bomba Zd,m CNPAD, m CNPAR, m Potencia, HP
P-1 1.7715 8.25546 3 3
P-2 8.826 14.1661 3 3
P-3 2 8.10234 2.2 2
P-4 8.765 14.6216 2.2 2
4.2.4.8. Especificaciones de la bomba centrífuga P-02. Se escogió la bomba de modelo
anterior cuyas especificaciones del mismo se encuentran en el Anexo M.
Tabla 36. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-02
Modelo PS 1 ¼ -3-2
Succión 2”
Descarga 1 ¼ ”
Material Acero Inoxidable
Potencia de bombeo 3 HP
Mejor punto de eficiencia 85 GPM
Fuente: BARMESA. Bombas Centrífugas en Acero Inoxidable. [Fecha de consulta: 13
julio 2015] Disponible en: < http://www.atb.com.mx/img/barnes/ficha-tecnica-bomba-
centrifuga-barnl s-acero-inoxidable-PS.pdf
4.2.4.9. Especificaciones de la Bomba Centrífuga P-03. Se escogió la bomba de modelo
anterior cuyas especificaciones del mismo se encuentran en el Anexo M.
Tabla 37. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-03
Modelo PS 1 ¼ -3-2
Succión 2”
Descarga 1 ¼ ”
Material Acero Inoxidable
Potencia de bombeo 2 HP
Mejor punto de eficiencia 85 GPM
Fuente: BARMESA. Bombas Centrífugas en Acero Inoxidable. [Fecha de consulta: 13
julio 2015] Disponible en: < http://www.atb.com.mx/img/barnes/ficha-tecnica-bomba-
centrifuga-barnl s-acero-inoxidable-PS.pdf
146
4.2.4.10. Especificaciones de la Bomba Centrífuga P-04. Se escogió la bomba de modelo
anterior cuyas especificaciones del mismo se encuentran en el Anexo M.
Tabla 38. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-04
Modelo PS 1 ¼ -3-2
Succión 2”
Descarga 1 ¼ ”
Material Acero Inoxidable
Potencia de bombeo 3 HP
Mejor punto de eficiencia 85 GPM
Fuente: BARMESA. Bombas Centrífugas en Acero Inoxidable. [Fecha de consulta: 13
julio 2015] Disponible en: < http://www.atb.com.mx/img/barnes/ficha-tecnica-bomba-
centrifuga-barnl s-acero-inoxidable-PS.pdf
4.2.4.11. Especificaciones de las válvulas múltiples de las Torres de Intercambio Iónico.
Como el flujo de servicio en las Torres de Intercambio Iónico es de 219.5236
, se selecciona
una válvula control, cuyas especificaciones se encuentran en el Anexo N.
Tabla 39. Especificaciones de las Válvulas Múltiples
Flujo en Servicio 76 GPM
Flujo en Retrolavado 89 GPM
Tipo de Inyector (Inyección sosa o ácido) 1000442 para 16 pulgadas
Presión de operación (25 – 100) psi
Temperatura de Agua (2-38) °C
Figura 60. Válvula Múltiple
147
5. RESULTADOS
5.1. Características de las Torres de Intercambio Iónico
Tabla 40. Características de las Torres de Intercambio Iónico
Variables Unidad
Valor
Resina
Catiónica
Fuerte
Resina Aniónica
Fuerte
Elevación de la Tasa de Caudal de
Agotamiento, EBCT min 1.496 3.266
Velocidad aproximada, vo gal/min*pie2 13.1236 6.0105
Volúmenes de Agua Tratada, BVH LH20/L resina 462.1072 211.408
Duración del Tratamiento, tH h 11.522 11.50898
Volumen de Resina, VR L 328.4073 717.8499
Diámetro de la Torre, D cm 73.728 112.613
Altura de la Torre, H cm 128 160
Volumen de Regenerante BV 0.14541 0.07825
Caudal de Alimentación, QF L/min 219.524 219.7696
Velocidad de Fluidización, vom cm/s 0.30032 0.1065404
Caudal del Agua de Retrolavado, Qa L/min 297.476 424.372
Tiempo de retrolavado, tBW min 10.77 22.94
Volumen de Regenerante,VANR L 863.806 1177.37
Volumen de Aguas residuales L 704.581 7235.08
Tiempo de regeneración lento min 2.992 32.664
Tiempo de regeneración rápida min 1.496 16.332
Tiempo fuera de servicio min 75.258 116.21
Caudal de Inyección de Ácido o Sosa L/min 14.397 19.6229
Tiempo de ruptura, tR h 7.15 5.171
148
5.2. Características del Equipo de Ósmosis Inversa
Tabla 41. Características del Equipo de Ósmosis Inversa
5.3. Características de la Torre de Almacenamiento del agua de prefiltrado y de la Torre
de Almacenamiento de Agua desmineralizada
Tabla 42. Características de las Torres de Almacenamiento
Variables Unidad
Valor
Después de la Torre
Aniónica
Agua
Desmineralizada
Diámetro del Tanque m 4.559 5.4623
Altura del Tanque m 6.838 8.1934
Volumen m3 111.6 192
Variable Unidad Valor
Concentración de SiO2 en el permeado ppm 4
Concentración de SiO2 en el rechazo ppm 166
Presión Neta de Manejo, NDP bar 1.744
Permeabilidad Específica, SF L/m2h bar 23.377
Factor de Concentración, Cs 0.8
Velocidad de filtración m/s 2.7144
Tiempo de la operación diaria h 18.57
pH saturación Unidades de pH 10.444
Longitud de las membranas m 4
Diámetro de las membranas cm 20.52
149
6. DISCUSIÓN
6.1. De la parte experimental
Se descarta el criterio de selección del pretratamiento más idóneo para el sistema sugerido ya
que comparando los resultados de la caracterización del agua filtrada de la Central
Guangopolo I y II, descritos en la tabla 8 y 9 respectivamente, muestra que aunque la
concentración de cloruros, conductividad y dureza total reflejan resultados menores en el
agua filtrada proveniente de la Central Guangopolo II que los resultados del agua filtrada de
la Central Guangopolo I, la concentración de sílice y pH que son parámetros de gran
importancia en el proceso de desmineralización reflejan valores mayores comparando con
los resultados del agua filtrada perteneciente a la Central Guangopolo I.
Basándose en la tabla 22, gracias a un estudio comparativo entre los tres métodos realizados
experimentalmente tales como: Intercambio Iónico, Ósmosis Inversa y la combinación de
ambo, permite determinar el método que cumpla en su totalidad el requerimiento de calidad
del agua desmineralizada que es usada como medio de enfriamiento; siendo así que solo
implementando el proceso de intercambio iónico se cumplieron todos los requerimientos con
excepción del valor de la concentración de sílice (15.67 ppm SiO2), siendo que debe dar
como resultado un valor < 10 ppm SiO2; usando solamente el equipo de ósmosis inversa los
valores de los parámetros como pH (8.36) y concentración de sílice (18 ppm SiO2) no se
encontraron cerca del rango de cumplimiento del requerimiento, siendo así que para pH, el
valor obtenido debe estar en un rango de 6 a 8 y finalmente analizando los resultados de los
parámetros obtenidos empleando la combinación de ambos procesos, se cumplieron todos
los requerimientos de calidad.
Uno de los métodos que cumple el requerimiento de calidad del agua de enfriamiento para
motores de combustión interna (permeado del Equipo de ósmosis Inversa), descrito en la
tabla 22, replica la alta tendencia del porcentaje de retención de sales descrito en ósmosis
inversa, esta afirmación se limita por el porcentaje alto de sílice en el agua de ingreso de las
membranas (70 ppmSiO2 aproximadamente) hace que el tiempo de vida útil de las
membranas se reduzca, aumentando costos en su operación para la empresa.
150
Al analizar la tabla 20, se observa que para la obtención agua desmineralizada usando las
Torres de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I que utiliza resinas débiles, la
concentración de cloruros (10.2 ppm CL-), conductividad (48.86 µS/cm), dureza total (26.8
ppm CaCO3), pH (8.4933) y sílice (16.333 ppm SiO2) reflejan valores mayores a los valores
de los parámetros del agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico del
laboratorio que emplea resinas fuertes tales como: concentración de cloruros (4.5667 ppm
CL-), conductividad (5.6 µS/cm), dureza total (0.6 ppm CaCO3), pH (7.4633) y sílice
(15.6667 ppm SiO2).
Observando las tablas 8 y 12, se puede determinar una reducción representativa de los
parámetros del agua del agua filtrada de la Central Guangopolo I y del agua de salida de las
Torres de Intercambio Iónico en el laboratorio, se redujo de 216.4 ppm CaCO3 a 0.6 ppm
CaCO3 y de 40 ppm SiO2 a 20 ppm SiO2.
6.2. Del Diseño de Equipos
Al combinar los procesos de intercambio iónico y ósmosis inversa, el requerimiento del agua
de este sistema sería diariamente de 130 m3, pero el volumen inicial se aumenta a 200 m
3, ya
que el porcentaje de recuperación del equipo de ósmosis inversa es de 80% observando la
tabla 41.
En la tabla 40 se observa que el tiempo de operación de la columna es de 11.5 horas en las
dos torres de intercambio iónico, el mismo que se ubica en la jornada de trabajo de dos
turnos (16 h), lo que implica que su operación tanto en servicio como la regeneración se
deben realizar en estas dos jornadas, esto no refleja una desventaja ya que el agua
desmineralizada requerida diariamente se encuentra dentro de esta jornada de operación de
11.5 horas, es conveniente que estos tiempos sean iguales ya que facilita la operación por
parte del personal de la empresa.
Para el cálculo del tiempo de ruptura se tomaron datos de 21 a 30 minutos, los cuales se
encuentran fuera del rango de los resultados de los tiempos de rupturas (7.15 h para la torre
catiónica y 5. 17 h para la torre aniónica), ya que esta curva indica la tendencia de la
concentración final relacionada con el tiempo, esto permite extrapolar a la curva hasta que la
concentración final sea el 10% de la inicial, ya que según la literatura es el porcentaje
recomendado para comenzar la regeneración de las resinas.
151
El volumen a emplear de la resina catiónica fuerte (328.4073 L) es menor que el volumen de
resina aniónica fuerte (717.849 L) ya que la capacidad de intercambio iónica de la resina
catiónica fuerte (2
es mayor a la capacidad de intercambio de la resina aniónica
fuerte (1.3
), entonces la torre de intercambio aniónico debe simular el
comportamiento de dos torres ya que debe satisfacer la mayor demanda de intercambio
iónico, que en este caso lo tiene la torre de intercambio catiónico.
La diferencia entre los caudales de retrolavado (297.476 L/min para la torre de intercambio
catiónico y 424.372 L/min para la torre de intercambio aniónico) o caudal necesario para que
se produzca fluidización en los dos lechos se debe a la diferencia de volúmenes de resina
que se emplean en las dos torres (328.4073 L para la resina cationica y 717.849 L para la
resina aniónica).
Los caudales de alimentación a las dos torres deben ser iguales (como se muestra en la tabla
40) para no aumentar el tiempo de obtención de agua requerida.
El caudal de retrolavado es mayor al caudal de operación (219.524 L/min para la torre
catiónica y 219.7696 L/min para la torre aniónica) lo que implica que durante el servicio u
obtención de agua desmineralizada el lecho no se fluidiza, lo que representa una ventaja de
operación del mismo para un adecuado intercambio de iones sin que afecte a este proceso
otros factores como la menor área de contacto de resinas con el agua a tratar, si éste se
fluidizara.
.
Como el Índice de Langlier (ISL) refleja la cantidad necesaria de formación de sólidos sobre
el área de las membranas para que el proceso genere falencias en su operación y que el agua
obtenida no cumpla con los requerimientos establecidos, se obtuvo con los datos
experimentales del pH de saturación de la membrana (10.444) cuyo valor se encuentra en la
tabla 41.
152
7. CONCLUSIONES
7.1. De la parte experimental
El mejor método de obtención de agua desmineralizada que cumple con los requerimientos
de calidad del agua como medio de enfriamiento de los motores de combustión interna de la
Central de Guangopolo se trata de la combinación de las Torres de Intercambio Iónico y el
equipo de Ósmosis Inversa.
Utilizando solamente el método de Intercambio Iónico para obtener agua desmineralizada
supera el valor requerido de la concentración de sílice.
Se descarta el método de solo la utilización del Equipo de Ósmosis Inversa perteneciente a la
Central Guangopolo II, ya que a pesar de cumplir con todos los requerimientos de calidad, al
poseer este sistema un elevado porcentaje de sílice en el agua de alimentación (70 ppmSiO2),
produce que una mayor concentración de sílice sea capturado en las membranas, lo que
genera taponamientos y daños en las membranas.
Al comparar el proceso de intercambio iónico usando las torres de la Central Guangopolo I
y las torres del Laboratorio, se concluye que el mejor proceso para obtener agua
desmineralizada es el de las torres pertenecientes al Laboratorio ya que estas utilizan resinas
catiónicas y aniónicas fuertes que según literatura técnica tienen mayor capacidad de
intercambio que las resinas catiónicas y aniónicas débiles, las cuales son usadas en el
intercambio iónico de la Central Guangopolo I.
Las resinas catiónicas y aniónicas fuertes tiene una alta capacidad de intercambio y retención
de iones, pues en la salida del agua de la Torre de Intercambio Aniónico del Laboratorio se
logra disminuir la concentración de dureza total en un 99% y sílice en un 50%, tomando
como ejemplo el ensayo 2, donde se obtuvo el punto más alto en dureza total. Por lo tanto, la
utilización de este tipo de resina es una buena alternativa para la obtención de agua que no
dañe a las membranas mientras ingresa a las mismas.
153
7.2. Del Diseño de Equipos
Se ha diseñado una planta que está conformada por la combinación de los procesos de
intercambio iónico y ósmosis inversa, que está en la capacidad de generar 130 m3 de agua
desmineralizada (30 m3 requeridos para la Central Guangopolo I y 100 m
3 requeridos para la
Central Guangopolo II), lo cual es el requerimiento diario para el enfriamiento de motores de
combustión interna para las dos centrales.
El mejor método para obtención de agua desmineralizada, está conformado por una Torre de
Intecambio Catiónico de 73.728 cm de diámetro, 128 cm de altura y con un volumen de
resina de 328. 407 L y una Torre de Intercambio Aniónico de 112.613 cm de diámetro, 160
cm de altura y con un volumen de resina de 717. 85 L, y un equipo de ósmosis inversa de 4m
de longitud y 20.52 cm de diámetro de cada cilindro que contiene las membranas
semipermeables.
Al tener un volumen mayor de resina aniónica (717. 85 L) a comparación con el volumen de
resina catiónica (328.407 L), el caudal de retrolavado de la torre de intercambio aniónico
(424.372 L/min) debe ser mayor al de la torre de intercambio catiónico (328.4073 L/min), ya
que este necesita poder fluidizar a este lecho el cual posee un mayor volumen.
El valor del pH de saturación (10.444) de las membranas que conforman el equipo de
ósmosis inversa del sistema propuesto (combinación de procesos) refleja el valor de pH del
permeado límite para el cambio de las membranas.
154
8. RECOMENDACIONES
Se recomienda implementar una Torre de Intercambio Catiónico y Aniónico extra en stand-
by con los mismos dimensionamientos y condiciones de operación ya descritas y calculadas,
para evitar el efecto del tiempo de fuera de servicio que afecta a la operación de intercambio
iónico, siendo así que mientras la primera torre de intercambio aniónico se está regenerando
la segunda torre de intercambio aniónico está en servicio y si la primera torre de
intercambio catiónico se está regenerando la segunda está en servicio y viceversa.
El sistema de Intercambio Iónico propuesto y diseñado puede reemplazar al actual sistema de
Tratamiento previo al equipo de ósmosis inversa de la Central Guangopolo II.
Se recomienda que en la Planta de Tratamiento de agua de la Central Guangopolo I, se
reemplace las resinas de intercambio débiles por resinas de intercambio fuertes, ya que
siguiendo la tendencia con los datos experimentales el uso de resinas catiónicas o aniónicas
fuertes tienen una mayor capacidad de intercambio lo que hace que se acerquen más al
requerimiento de calidad del agua desmineralizada usada como medio de enfriamiento para
motores de combustión interna.
Para trabajos futuros se recomienda la realización de un estudio económico detallado del
sistema propuesto como el mejor método para obtener agua desmineralizada como medio de
enfriamiento para motores de combustión interna, con la finalidad de determinar la
factibilidad de su implementación y construcción en la Central Termoeléctrica.
155
CITAS BIBLIOGRAFICAS
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enfriamiento. No. RL-I-406. Quito. Laboratorio de Control Químico de la Central
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[13] PIRELA Salazar, Andrea. (2008). Evaluacion del Sistema de Generación de Agua
Desmineralizada de la Planta de Tratamiento de Aguas Blancas para la Alimentación de las
Calderas de una Cervecería. Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Rafael
Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Maracaibo. 2008. 40 p.
[14] NEVÁREZ, Op.Cit., p. 31
[15] LOPEZ L. y RENGIGO A. (2011). Diseño y Construcción de un Sistema de Purificación
de Agua Potable, Ósmosis Inversa, Desmineralización y Ozonificación. Trabajo de Grado.
Ingeniero Agroindustrial. Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí. Facultad de Ciencias
Agropecuarias. Manta. 2011. pp. 12-13.
[16] NEVÁREZ, Loc. Cit.
[17] NEVÁREZ, Op. Cit. p. 34-35
[18] NEVÁREZ, Op. Cit. p. 35
[19] CENTRO PANAMERICANO, Op. Cit., p. 690
[20] CENTRO PANAMERICANO, Op. Cit., pp. 421-422
[21] CENTRO PANAMERICANO, Op. Cit., pp. 425-426
[22] NEVÁREZ, Óp. Cit. p. 38
[23] CENTRO PANAMERICANO, Óp. Cit., pp. 448-449
157
[24] NEVÁREZ, Óp. Cit. pp. 40-41
[25]AGUILAR Rodríguez, Dayana. (2011). Evaluación del Proceso de Producción de Agua
Desmineralizada en un Complejo Mejorador de Crudo Extrapesado. Trabajo de Grado.
Ingeniero Químico. Universidad de Oriente Núcleo de Anzoategui. Escuela de Ingeniería y
Ciencias Aplicadas. Barcelona. 2011. 14 p.
[26] PIRELA Salazar, Andrea. (2008). Evaluación del Sistema de Generación de Agua
Desmineralizada de la Planta de Tratamiento de Aguas Blancas para la Alimentación de las
Calderas de una Cervecería. Trabajo de Grado. Ingeniero Químico. Universidad Rafael
Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Maracaibo. 2008. pp. 50-53.
[27] NEVÁREZ, Op. Cit. p. 54
[28] American Water Works Association. Calidad y tratamiento del agua: Manual de
suministros de agua comunitaria. McGraw-Hill Interamericana de España, España. 2002. 583p.
[29] AGUILAR, Op. Cit. p 28.
[30] NEVÁREZ, Op. Cit. pp. 55-60
[31] AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Loc. Cit.
[32] NEVÁREZ, Op. Cit. pp. 61-62
[33] NEVÁREZ, Op. Cit. pp. 66-69
[34] AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Op. Cit.,p 574
[35] AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Óp. Cit.,pp. 580-586
[36] LEVENSPIEL, O., Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor, Barcelona: Editorial Reverté,
S.A., 1993, p. 125.
[37] DARBY, R., Chemical Engineering Fluid Mechanics, Revised and Expanded , Taylor &
Francis, 2001, pp. 391-396.
158
[38] Ibíd., p. 401.
[39] AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Op. Cit.,pp. 555
[40] NEVÁREZ, Op. Cit. pp. 77-78
[41] NEVÁREZ, Op. Cit. pp. 78
[42] MORENO Benavides, Jose. (2011). Diseño de Planta de Tratamiento de Agua de Ósmosis
Inversa para la Empresa Dober Osmotech de Colombia LTDA. Trabajo de grado. Ingeniero
Mecatrónico. Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingenierías. Departamento de
Automática y Electrónica. Santiago de Cali. 2011. 25 y 26 p.
[43] GARCÍA Olmos, Carlos. (2002). Aplicación de la Ósmosis Inversa y la Nanofiltración en
el Acondicionamiento de aguas para Calderas. Trabajo de Grado. Tesis Doctoral. Universidad
de Oviedo. Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente. 2002. 31 y
32 p.
[44] CARATE Safla, Enrique y Lapo Molina, Luis. (2011)Diseño y Construcción de una Planta
Prototipo para purificación de Agua de vertientes por el Método de Ósmosis Inversa. Trabajo de
grado. Ingeniero Mecánico. Universidad Politécnica Salesiana. Facultad de Ingenierías. Carrera
de Ingeniería Mecánica. 2011. 71 y 72 p
[45] PIÑA Nájera, Carlos. (2010). Desalinización de Agua de Mar, Efectos de la Temperatura y
Concentración del Agua de Alimentación en el Proceso de Desalación por Ósmosis Inversa.
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[46] PIÑA, Ibíd., pp. 18-21
[47] PIÑA, Ibíd., pp. 13-14
[48] GEANKOPLIS, Christie. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Tercera
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[49] FILTER LAB. Tipos de Membranas. Fecha de consulta: 16 julio 2015. Disponible en:
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[50] GARCÍA, Op. Cit., pp. 45-47
[51] CARATE. Óp. Cit., pp.31-39.
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[53] BURBANO. Óp. Cit. 23-28p.
160
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enfriamiento. No. RL-I-406. Quito. Laboratorio de Control Químico de la Central
Termoeléctrica Guangopolo. 20 p.
163
ANEXOS
164
ANEXO A. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) y Simbología del proceso
propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada
165
CONTINUACIÓN ANEXO A
Figura A1. Simbología del proceso propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada
166
CONTINUACIÓN ANEXO A
Figura A2. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) del proceso propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada
167
CONTINUACIÓN ANEXO A
Figura A3. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) del proceso propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada
168
ANEXO B. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada
169
CONTINUACIÓN ANEXO B
Figura B1. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada
170
CONTINUACIÓN ANEXO B
Figura B2. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada
171
CONTINUACIÓN ANEXO B
Figura B3. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada
172
CONTINUACIÓN ANEXO B
Figura B4. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada
173
ANEXO C. Diagrama del Equipo para obtención de Agua Desmineralizada
Figura C1. Torres de Intercambio Iónico
Figura C2. Equipo de Ósmosis Inversa
174
ANEXO D. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada
175
CONTINUACIÓN ANEXO D
Figura D1. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada
176
CONTINUACIÓN ANEXO D
Figura D2. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada
177
CONTINUACIÓN ANEXO D
Figura D2. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada
178
ANEXO E. Análisis Físico-Químico del Agua de Ingreso a las Membranas del Equipo de
Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II
179
CONTINUACIÓN ANEXO E
Figura E1. Análisis Físico-Químico del Agua de Ingreso a las Membranas del Equipo de
Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II
180
CONTINUACIÓN ANEXO E
Figura E2. Análisis Físico-Químico del Agua de Ingreso a las Membranas del Equipo de
Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II
181
CONTINUACIÓN ANEXO E
Figura E3. Análisis Físico-Químico del Agua de Ingreso a las Membranas del Equipo de
Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II
182
ANEXO F. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres
de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I
183
CONTINUACIÓN ANEXO F
Figura F1. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres
de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I
184
CONTINUACIÓN ANEXO F
Figura F2. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres
de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I
185
CONTINUACIÓN ANEXO F
Figura F3. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres
de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I
186
ANEXO G. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo
de Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II
187
CONTINUACIÓN ANEXO G
Figura G1. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa de la Central Guangopolo II
188
CONTINUACIÓN ANEXO G
Figura G2. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa de la Central Guangopolo II
189
CONTINUACIÓN ANEXO G
Figura G3. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa de la Central Guangopolo II
190
CONTINUACIÓN ANEXO G
Figura G4. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa de la Central Guangopolo II
191
CONTINUACIÓN ANEXO G
Figura G5. Análisis Físico-Químico del Agua de Permeado utilizando el Equipo de
Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II
192
CONTINUACIÓN ANEXO G
Figura G6. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa de la Central Guangopolo II
193
ANEXO H. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de
Intercambio Iónico en el Laboratorio
194
CONTINUACIÓN ANEXO H
Figura H1.Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de
Intercambio Iónico en el Laboratorio
195
CONTINUACIÓN ANEXO H
Figura H2.Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de
Intercambio Iónico en el Laboratorio
196
CONTINUACIÓN ANEXO H
Figura H3.Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de
Intercambio Iónico en el Laboratorio
197
ANEXO I. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo
de Ósmosis Inversa del Laboratorio
198
CONTINUACIÓN ANEXO I
Figura I1 Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa del Laboratorio
199
CONTINUACIÓN ANEXO I
Figura I2 Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa del Laboratorio
200
CONTINUACIÓN ANEXO I
Figura I3 Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa del Laboratorio
201
CONTINUACIÓN ANEXO I
Figura I4 Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa del Laboratorio
202
CONTINUACIÓN ANEXO I
Figura I5 Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa del Laboratorio
203
CONTINUACIÓN ANEXO I
Figura I6. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis
Inversa del Laboratorio
204
ANEXO J. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando la
combinación de las Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del
Laboratorio
205
CONTINUACIÓN ANEXO J
Figura J1. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando la combinación de las
Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio
206
CONTINUACIÓN ANEXO J
Figura J2. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando la combinación de las
Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio
207
CONTINUACIÓN ANEXO J
Figura J3. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando la combinación de las
Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio
208
CONTINUACIÓN ANEXO J
Figura J4. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando la combinación de las
Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio
209
CONTINUACIÓN ANEXO J
Figura J5 Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando la combinación de las
Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio
210
CONTINUACIÓN ANEXO J
Figura J6. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando la combinación de las
Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio
211
ANEXO K. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H
212
CONTINUACIÓN ANEXO K
Figura K1. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H
213
CONTINUACIÓN ANEXO K
Figura K2. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H
214
ANEXO L. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500
215
CONTINUACIÓN ANEXO L
Figura L1. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500
216
CONTINUACIÓN ANEXO L
Figura L2. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500
217
ANEXO M. Curvas de Rendimiento del Modelo requerido para el sistema propuesto
218
ANEXO N. Información Técnica de las Válvulas Múltiples de las torres de Intercambio
Iónico diseñadas