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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

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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

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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

TUTOR: ING. WASHINGTON RUIZ LÓPEZ

QUITO

2015

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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

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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

[email protected]

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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

.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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]

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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]

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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]

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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.

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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]

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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:

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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:

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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]

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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]

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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

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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]

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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,

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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.

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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.

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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

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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).

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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]

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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

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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

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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.

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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)

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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)

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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]

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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

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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

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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.

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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/

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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.

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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).

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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.

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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]

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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

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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)

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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.

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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.

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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.

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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:

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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:

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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

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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]

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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:

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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:

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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]

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81

Figura 41. Equipo de Ósmosis Inversa en la Central Guangopolo II

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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>.

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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>.

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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>

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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.

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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

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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)

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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.

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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:

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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.

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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.

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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.

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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)

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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:

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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.

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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:

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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:

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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.

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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)

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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).

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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:

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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.

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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:

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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

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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:

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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:

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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.

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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:

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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.

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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

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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)

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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.

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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.

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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.

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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)

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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)

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142

Figura 58. Diagrama Modificado de Moody, para obtener el factor de fricción

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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)

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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155

CITAS BIBLIOGRAFICAS

[1] REYES, R. Análisis físico-químico de aceites lubricantes, dieléctricos y agua de

enfriamiento. No. RL-I-406. Quito. Laboratorio de Control Químico de la Central

Termoeléctrica Guangopolo.

[2] Instituto Departamental de Salud Norte de Santander. Agua para Consumo Humano. 24 de

octubre del 2009. [Fecha de consulta: 10 Marzo 2015]. Disponible en:

<http://es.slideshare.net/bLaCkTeArS01/agua-para-el-consumo-humano-salud-ambiental-ids-

norte-de-santander>.

[3] BURBANO, V. Procedimiento Generación de Energía de la Central Guangopolo Unidad de

Negocio CELEC EP - TERMOPICHINCHA P-07-02-S-01.Versión 2.0. 19 de junio de 2013.

p.30.

[4] NEVÁREZ Rivadeneira, Martha. (2009). Optimización del proceso de regeneración de

resinas de intercambio iónico para ser utilizadas en el desmineralizador de agua de la Refinería

Estatal de Esmeraldas. Trabajo de grado. Ingeniero Químico. Escuela Superior Politécnica de

Chimborazo. Escuela de Ingeniería Química. Facultad de Ciencias. Riobamba. 2009. pp. 27-28.

[5] Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. (2002). Operación y

mantenimiento de plantas de tratamiento de Agua. Lima. 2002. 374 p.

[6] Ibid., p.679

[7] LENNTECH. Conductividad del Agua. [Fecha de consulta: 12 Marzo 2015]. Disponible en:

< http://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm>.

[8] NEVÁREZ, Op. Cit., p. 32

[9] Recinto Universitario de Mayagüez. Parámetros Físico-Químicos: Sólidos Disueltos. Fecha

de consulta: 12 Marzo 2015]. Disponible en: < http://www.uprm.edu/biology/profs/massol/

manual/p2-tds.pdf>

Page 174: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

156

[10] CENTRO PANAMERICANO, Op. Cit., p. 680

[11] CENTRO PANAMERICANO, Op. Cit., p. 690

[12] Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional, Instituto

Politécnico Nacional, Unidad Durango. Cloruros Totales en el agua de abastecimiento. Fecha de

consulta:24 Marzo 2015]. Disponible en: http://www.repositoriodigital.ipn.mx/bitstream/handle

/123456789/8825/clorurosnov12.pdf?sequence=1

[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

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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.

Page 176: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

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.

Trabajo de Grado. Ingeniero Mecánico. Universidad Nacional Autónoma de México. Faculta de

Ingenierías. 2010. 16 p.

[46] PIÑA, Ibíd., pp. 18-21

[47] PIÑA, Ibíd., pp. 13-14

[48] GEANKOPLIS, Christie. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Tercera

Edición. Compañía Editorial Continental, México, 1998. 867-868p.

[49] FILTER LAB. Tipos de Membranas. Fecha de consulta: 16 julio 2015. Disponible en:

http://www.fanoia.com/filterlab/micro-8-15.pdf

Page 177: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

159

[50] GARCÍA, Op. Cit., pp. 45-47

[51] CARATE. Óp. Cit., pp.31-39.

[52] CELEC TERMOPICHINCHA. PÁGINA PRINCIPAL. Fecha de consulta: 16 julio 2015.

Disponible en: <https://www.celec.gob.ec/termopichincha/index.php/generacion/guangopolo>.

[53] BURBANO. Óp. Cit. 23-28p.

Page 178: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

160

BIBLIOGRAFIA

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. 133 p.

American Water Works Association. Calidad y tratamiento del agua: Manual de

suministros de agua comunitaria. McGraw-Hill Interamericana de España, España. 2002. 1248

p.

BURBANO, V. Procedimiento Generación de Energía de la Central Guangopolo

Unidad de Negocio CELEC EP - TERMOPICHINCHA P-07-02-S-01.Versión 2.0. 19 de junio

de 2013. 40 p.

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. 98 p

CELEC TERMOPICHINCHA. PÁGINA PRINCIPAL. Fecha de consulta: 16 julio

2015. Disponible en:

<https://www.celec.gob.ec/termopichincha/index.php/generacion/guangopolo>.

Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional, Instituto

Politécnico Nacional, Unidad Durango. Cloruros Totales en el agua de abastecimiento. Fecha de

consulta: 24 Marzo 2015]. Disponible en:

http://www.repositoriodigital.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/8825/clorurosnov12.pdf?seq

uence=1

Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. (2002).

Operación y mantenimiento de plantas de tratamiento de Agua. Lima. 2002.

Page 179: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

161

DARBY, R., Chemical Engineering Fluid Mechanics, Revised and Expanded , Taylor

& Francis, 2001. 580 p.

FILTER LAB. Tipos de Membranas. Fecha de consulta: 16 julio 2015. Disponible en:

http://www.fanoia.com/filterlab/micro-8-15.

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.

GEANKOPLIS, Christie. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Tercera

Edición. Compañía Editorial Continental, México, 1998. 1007 p.

Instituto Departamental de Salud Norte de Santander. Agua para Consumo Humano. 24

de octubre del 2009. [Fecha de consulta: 10 Marzo 2015]. Disponible en:

<http://es.slideshare.net/bLaCkTeArS01/agua-para-el-consumo-humano-salud-ambiental-ids-

norte-de-santander>.

LENNTECH. Conductividad del Agua. [Fecha de consulta:12 Marzo 2015]. Disponible

en: < http://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm>.

LEVENSPIEL, O., Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor, Barcelona: Editorial

Reverté, S.A., 1993.

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.

MORENO Benavides, José. (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.

NEVÁREZ Rivadeneira, Martha. (2009). Optimización del proceso de regeneración de

resinas de intercambio iónico para ser utilizadas en el desmineralizador de agua de la Refinería

Page 180: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

162

Estatal de Esmeraldas. Trabajo de grado. Ingeniero Químico. Escuela Superior Politécnica de

Chimborazo. Escuela de Ingeniería Química. Facultad de Ciencias. Riobamba. 2009. 132 p.

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. Trabajo de Grado. Ingeniero Mecánico. Universidad Nacional Autónoma de

México. Faculta de Ingenierías. 2010.

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.

Recinto Universitario de Mayagüez. Parámetros Físico-Químicos: Sólidos Disueltos.

Fecha de consulta: 12 Marzo 2015]. Disponible en:<http://www.uprm.edu/biology/profs/

massol/manual/ p2-tds.pdf>

REYES, R. Análisis físico-químico de aceites lubricantes, dieléctricos y agua de

enfriamiento. No. RL-I-406. Quito. Laboratorio de Control Químico de la Central

Termoeléctrica Guangopolo. 20 p.

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163

ANEXOS

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ANEXO A. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) y Simbología del proceso

propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada

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165

CONTINUACIÓN ANEXO A

Figura A1. Simbología del proceso propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada

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166

CONTINUACIÓN ANEXO A

Figura A2. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) del proceso propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada

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167

CONTINUACIÓN ANEXO A

Figura A3. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) del proceso propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada

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168

ANEXO B. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada

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169

CONTINUACIÓN ANEXO B

Figura B1. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada

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170

CONTINUACIÓN ANEXO B

Figura B2. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada

Page 189: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

171

CONTINUACIÓN ANEXO B

Figura B3. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada

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172

CONTINUACIÓN ANEXO B

Figura B4. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada

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173

ANEXO C. Diagrama del Equipo para obtención de Agua Desmineralizada

Figura C1. Torres de Intercambio Iónico

Figura C2. Equipo de Ósmosis Inversa

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174

ANEXO D. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada

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175

CONTINUACIÓN ANEXO D

Figura D1. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada

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176

CONTINUACIÓN ANEXO D

Figura D2. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada

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177

CONTINUACIÓN ANEXO D

Figura D2. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada

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178

ANEXO E. Análisis Físico-Químico del Agua de Ingreso a las Membranas del Equipo de

Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II

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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

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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

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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

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ANEXO F. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres

de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I

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183

CONTINUACIÓN ANEXO F

Figura F1. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres

de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I

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184

CONTINUACIÓN ANEXO F

Figura F2. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres

de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I

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185

CONTINUACIÓN ANEXO F

Figura F3. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres

de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I

Page 204: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

186

ANEXO G. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo

de Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II

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187

CONTINUACIÓN ANEXO G

Figura G1. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa de la Central Guangopolo II

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188

CONTINUACIÓN ANEXO G

Figura G2. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa de la Central Guangopolo II

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189

CONTINUACIÓN ANEXO G

Figura G3. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa de la Central Guangopolo II

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190

CONTINUACIÓN ANEXO G

Figura G4. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa de la Central Guangopolo II

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191

CONTINUACIÓN ANEXO G

Figura G5. Análisis Físico-Químico del Agua de Permeado utilizando el Equipo de

Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II

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192

CONTINUACIÓN ANEXO G

Figura G6. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa de la Central Guangopolo II

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ANEXO H. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de

Intercambio Iónico en el Laboratorio

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194

CONTINUACIÓN ANEXO H

Figura H1.Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de

Intercambio Iónico en el Laboratorio

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195

CONTINUACIÓN ANEXO H

Figura H2.Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de

Intercambio Iónico en el Laboratorio

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196

CONTINUACIÓN ANEXO H

Figura H3.Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de

Intercambio Iónico en el Laboratorio

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197

ANEXO I. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo

de Ósmosis Inversa del Laboratorio

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198

CONTINUACIÓN ANEXO I

Figura I1 Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa del Laboratorio

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199

CONTINUACIÓN ANEXO I

Figura I2 Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa del Laboratorio

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200

CONTINUACIÓN ANEXO I

Figura I3 Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa del Laboratorio

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201

CONTINUACIÓN ANEXO I

Figura I4 Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa del Laboratorio

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202

CONTINUACIÓN ANEXO I

Figura I5 Análisis Físico-Químico del Agua Permeada utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa del Laboratorio

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203

CONTINUACIÓN ANEXO I

Figura I6. Análisis Físico-Químico del Agua de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis

Inversa del Laboratorio

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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211

ANEXO K. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H

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212

CONTINUACIÓN ANEXO K

Figura K1. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H

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213

CONTINUACIÓN ANEXO K

Figura K2. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H

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214

ANEXO L. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500

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215

CONTINUACIÓN ANEXO L

Figura L1. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500

Page 234: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE … · Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN

216

CONTINUACIÓN ANEXO L

Figura L2. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500

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217

ANEXO M. Curvas de Rendimiento del Modelo requerido para el sistema propuesto

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218

ANEXO N. Información Técnica de las Válvulas Múltiples de las torres de Intercambio

Iónico diseñadas