EFECTIVIDAD DE REMOCIÓN DE SÍLICE MEDIANTE INTERCAMBIO IÓNICO
DISEÑO Y MONTAJE DE UN TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO …
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1 DISEÑO Y MONTAJE DE UN TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO PARA EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA, SECCIONAL CARTAGENA. JAIR JOSE LAMBRAÑO SOLANO ANGIE TATIANA MOTTA HERNANDEZ ELENA CAROLINA NARVAEZ DE LA ROSA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C. 10 DE SEPTIEMBRE DE 2018
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DISEÑO Y MONTAJE DE UN TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO PARA EL LABORATORIO DE
OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA, SECCIONAL CARTAGENA.
JAIR JOSE LAMBRAÑO SOLANO ANGIE TATIANA MOTTA HERNANDEZ
ELENA CAROLINA NARVAEZ DE LA ROSA
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C.
10 DE SEPTIEMBRE DE 2018
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DISEÑO Y MONTAJE DE UN TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO PARA EL LABORATORIO DE
OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA, SECCIONAL CARTAGENA.
JAIR JOSE LAMBRAÑO SOLANO
ANGIE TATIANA MOTTA HERNANDEZ ELENA CAROLINA NARVAEZ DE LA ROSA
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de ingenieros químicos
DIRECTOR
RODRIGO RICARDO
COODIRECTOR CARLOS HERNANDEZ BARROS
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVETURA SECCIONAL CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C.
10 DE SEPTIEMBRE DE 2018
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NOTA DE ACEPTACIÒN
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Presidente del jurado
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Jurado
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Jurado
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AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer primeramente a Dios por este logro, porque gracias a su amor, bondad,
misericordia y ayuda me permite alcanzar hoy una de mis metas más anheladas, me doy cuenta
que siempre que caigo y me pone a prueba, lo hace con el fin de que dé mucho más de mí, aprenda
de mis errores y crezca de muchas formas (como persona, hija, hermana, mujer, estudiante y
profesional).
En segunda instancia agradezco a mis padres, por haberme brindado una excelente educación y
lecciones de vida, por haber estado conmigo en momentos de debilidad, porque siempre
estuvieron allí dándome ánimo, apoyo desde la distancia para que nunca desfalleciera pese a las
dificultades.
A la universidad San Buenaventura por haberme acogido como uno más de sus estudiantes, y
brindarme sus conocimientos a través de cada uno de los profesores que me enseñaron en las
diferentes asignaturas teóricas y prácticas que contribuyeron a mi formación profesional y
especialmente a mi tutor de tesis Rodrigo Ricardo, que gracias a sus conocimientos, ayuda,
dedicación, asesoría y revisión constante de mi proyecto pude culminar satisfactoriamente este
logro.
Muchas gracias,
ANGIE TATIANA MOTTA HERNANDEZ
5
AGRADECIMENTOS
Agradezco principalmente a la vida por darme la oportunidad de llegar a este momento, mis padres
William Lambraño Alfaro y Yarelis Lucia Solano Ortega y mi abuela Isabel Orgega De Solano
por ser mi motor de vida y por darme todo su apoyo incondicional en todas la decisiones que he
tomado, por guerrearla, por brindarme lo mejor para llegar a ser la mejor versión de mí, este logro
no es sólo mío sino de ellos también.
A la familia que elegimos, mis hermanos de batalla y amigos de toda la carrera Manuel Garrido,
Jaison Arroyo, Juan Tabares, Andrea Boneu, Davis Salcedo por lograr llegar al final de esta
odisea de carrera, por los buenos momentos. ¡que viva la entropía!
Y por último, no menos importante, a mí, por cumplir una meta más en la vida, por ser el reflejo
mejorado de mis padres.
Muchas gracias
JAIR JOSE LAMBRAÑO SOLANO
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AGRADECIMIENTOS
Primeramente agradezco a Dios por estar aquí y dado la fuerza necesaria para seguir adelante
cumpliendo mi sueño de ser una profesional, agradezco a la universidad de SAN
BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA por haberme aceptado , ser parte de ella y abierto
las puertas de su seno para poder estudiar mi carrera, asi como tambien a los diferente docentes
que brindaron sus conocimientos y su apoyo para seguir adelante dia a dia .
Agradezco tambien a mi asesor de tesis el Ingeniero Rodrigo Ricardo por haberme brindado la
oportunidad de recurir a su capacidad y conocimiento cientifico y experimental, asi como tambien
haber tenido toda la paciencia del mundo para guiarme durante todo el desarrollo de la tesis .
Mi agradecimiento tambien va dirigido a mis padres y mi hermanas sin ellos no seria nada hoy en
dia , mi familia lo màs importante , gracias por confiar y creer en mi .
Y para finalizar , tambien le doy gracias a todos mis compañeros de clase durante todos los
semestres de universidad , gracias por ese compañerismo, amistad y apoyo moral, para seguir
delante de mi carrera profesional.
Gracias…
ELENA CAROLINA NARVAEZ DE LA ROSA
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RESUMEN
El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-
sólido. En el proceso de intercambio iónico ocurre una reacción química en la que los iones móviles
hidratados de un sólido son intercambiados por iones de igual carga de un fluido.
Este proceso consiste en pasar el fluido sobre un intercambiador catiónico y/o aniónico cargado
de partículas sólidas reemplazando los cationes y/o aniones por el ion hidrógeno (H+) y/o el ion
hidroxilo (OH-) respectivamente.
En el siguiente trabajo, se realizó el diseño de un tren de intercambio iónico para el laboratorio de
Operaciones Unitarias de la Universidad San Buenaventura Cartagena. Inicialmente se hizo una
caracterización fisicoquímica al agua a tratar para determinar las condiciones operacionales y
poder escoger los tipos de resinas adecuados para el tipo de agua; posteriormente se
determinaron los parámetros de diseño requeridos para la construcción del equipo teniendo en
cuenta los resultados que se deseaban obtener (agua desmineralizada o con una conductividad
baja) y la calidad del agua de alimentación al equipo. Tambien se realizaron los manuales de
operación y mantenimiento los cuales sirven de guía al momento de operar el equipo y ayudan a
extender la vida útil del mismo, mediante intervenciones frecuentes (regeneración de las resinas).
Finalmente, despues de la construcción del equipo, se logró obtener un agua desmineralizada con
excelente calidad (agua apta para calderas) con una conductividad de 10 ppm TDS y un pH que
fluctúa en el rango de 8 a 9.
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INTRODUCCIÓN
El agua es, aparentemente, cosa sencilla: es un líquido compuesto de moléculas de agua (fórmula
H2O). No obstante, la realidad es más compleja. Todas las aguas naturales contienen sustancias
extrañas en pequeñas cantidades. El agua del río, del pozo, del grifo en su casa, no es solo H2O,
sino contiene sustancias sólidas insolubles (arena o fragmentos vegetales) que en un principio se
pueden filtrar, compuestos solubles que generalmente no se ven y no se pueden filtrar; estos
compuestos tienen un origen mineral u orgánico, pueden ser ionizados (cargados eléctricamente)
o no. [2]
Con el avance de la ciencia y de la técnología es cada vez mayor el uso de agua desprovista de
ciertos iones y muchas veces desprovista de todos los iones. Una de las técnicas de eliminación
de iones consiste en hacer pasar el agua a través de resinas de intercambio iónico.[2]
En el contexto de purificación, intercambio de ion es un proceso rápido y reversible en el cual los
iones impuros presentes en el agua son reemplazados por iones que despiden una resina de
intercambio de iones. Los iones impuros son tomados por la resina que debe ser regenerada
periódicamente para restaurarla a su forma iónica original. (Un ion es un átomo o grupo de átomos
con una carga eléctrica. Los iones con carga positiva se llaman cationes y son generalmente
metales, los iones con carga negativa se llaman aniones y son generalmente no metales). [2]
El agua por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales,
acostumbra a tener muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el
agua separándose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para los usos habituales del
agua. Además, el creciente interés por el medio ambiente, impone establecer tratamientos eficaces
que eviten el deterioro de la calidad de las aguas, especialmente por el vertido de efluentes
industriales altamente contaminados. Entre todos los tratamientos posibles, el intercambio iónico
es una opción a considerar [2].
En este proyecto de grado se pretende realizar el diseño y montaje de un tren de intercambio
iónico con el propósito de poner en práctica las bases teóricas brindadas en la materia de
operaciones unitarias en la carrera de ingeniería química; a continuación se expondrá de forma
muy breve y consisa la importancia de cada uno de los capítulos que hacen parte de esta tesis .
En el capítulo 1 se expone la importancia de la implementación del equipo de intercambio iónico
y el alcance de este proyecto; en el capítulo 2 se desarrollan todas las bases teóricas referentes
9
al diseño, construcción y montaje del equipo incluyendo las especificaciones de calidad del
producto para su uso en los laboratorios; en el capítulo 3 se describe el tipo de investigación
utilizada, metodología de la investigación y se determinan las variables claves que influyen el
proyecto y por ultimo en el capítulo 4 se detallan calculos del diseño del equipo, pruebas de
laboratorio y discusión de los resultados.
Finalmente a manera de resultado se obtuvo el producto (agua desmineralizada) con una
conductividad baja y un rango de pH entre 8 y 9 , rango ideal para uso en calderas (generación
de vapor).
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TABLA DE CONTENIDO
1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ........................................................................................... 14
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................................... 14
1.2 FORMULACIÒN DEL PROBLEMA ............................................................................................... 16
1.3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................. 16
1.4 OBJETIVOS .................................................................................................................................... 18
1.4.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................ 18
1.4.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ............................................................................................................ 18
2. MARCO DE REFERENCIA .......................................................................................................... 19
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS ................................................................................................ 19
2.2 MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 20 2.2.1 Sustancias minerales disueltas .................................................................................................................... 20 2.2.2 Dureza del agua ................................................................................................................................................ 21 2.2.3 Características físicas del agua cruda ........................................................................................................ 21 2.2.4 Tratamiento de agua ........................................................................................................................................ 22 2.2.5 Procesos físicos unitarios ............................................................................................................................. 22 2.2.6 Procesos químicos unitarios......................................................................................................................... 23 2.2.7 Fundamentos del intercambio iónico.......................................................................................................... 23 2.2.8 Cinética y Equilibrio de intercambio iónico .............................................................................................. 24 2.2.9 Intercambiadores iónicos y parámetros característicos ....................................................................... 25 2.2.10 Selectividad ........................................................................................................................................................ 26 2.2.11 Resinas Intercambiadoras de iones ............................................................................................................ 26 2.2.12 Tipos de resinas ............................................................................................................................................... 27 2.2.13 Propiedades de las resinas ............................................................................................................................ 28 2.2.14 Regeneración de la resina .............................................................................................................................. 29 2.2.15 Modo de operación .......................................................................................................................................... 30 2.2.16 Procesos de desmineralización .................................................................................................................... 34 2.2.17 Pasos para diseñar un equipo de intercambio iónico ............................................................................ 34
2.3 MARCO LEGAL .............................................................................................................................. 37
2.4 MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................................. 42
3. DISEÑO METODOLOGICO ...................................................................................................... 44
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN.................................................................................................................. 44
3.2 DISEÑO ADOPTADO .................................................................................................................... 45
3.3 ENFOQUE ADOPTADO ................................................................................................................ 45
3.4 TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ................................................................................ 46
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3.4.1 Fuentes primarias ............................................................................................................................................. 46 3.4.2 Fuentes secundarias ....................................................................................................................................... 46
4. RESULTADOS ........................................................................................................................... 48
4.1 CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DEL AGUA. ........................................................................ 48
4.2 PARÁMETROS DE DISEÑO DEL TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO. ....................................... 50 4.2.1 DIMENSIONAMIENTO DE COLUMNAS DE INTERCAMBIO IÓNICO .................................................... 50 4.2.2 CAIDAS DE PRESIÓN ...................................................................................................................................... 58 4.2.3 TORRE DE DESGASIFICACIÓN .................................................................................................................... 73
4.3 PRUEBAS ....................................................................................................................................... 85
DISCUCIONES ................................................................................................................................. 91
CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 93
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................ 94
ANEXOS ........................................................................................................................................... 98
ANÁLISIS FÍSICOQUÍMICO ...................................................................................................................... 98
FICHAS TÉCNICAS ................................................................................................................................... 99 REGULADOR DE AIRE ...................................................................................................................................................... 99 CONDUCTÍMETRO ........................................................................................................................................................... 100 MANÓMETROS ................................................................................................................................................................. 101 INFLADOR .......................................................................................................................................................................... 102 BOMBAS #1 y #2 ............................................................................................................................................................... 103 Resina Aniónica Lewait MonoPlus M 500 ..................................................................................................................... 104 Resina Catiónica Lewait MonoPlus S108....................................................................................................................... 106 CARBÓN ACTIVADO DE ORIGEN MINERAL .............................................................................................................. 108
PFD TREN DE INTERCAMBIO IONICO ................................................................................................. 111
MANUAL DE OPERACIÓN ..................................................................................................................... 112
MANUAL DE MANTENIMIENTO ............................................................................................................ 119 PROBLEMAS TÍPICOS EN UN TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO Y RECOMENDACIONES. ........................ 128
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Intercambiador ionico industrial ............................................................................................................. 25
Figura 2- Perlas de resina apra tratamiento de agua ........................................................................................... 27
Figura 3- regeneración en corriente directa ........................................................................................................... 30
Figura 4- Regeneración en contra-corriente por la parte inferior ........................................................................ 31
Figura 5- Regeneración en contra-corriente por parte superior. ........................................................................ 32
Figura 6- Evolucion de la concentración en un lecho ........................................................................................... 33
Figura 7- Curva de ruptura ........................................................................................................................................ 33
Figura 8- Análisis fisicoquimico del agua ............................................................................................................... 49
Figura 9- Dimensión de tuberias. ............................................................................................................................. 58
Figura 10- Curva de bomba. ..................................................................................................................................... 73
Figura 11- Composiciones de CO2 ......................................................................................................................... 81
Figura 12- Prueba #1 conductividad & pH vs. tiempo .......................................................................................... 87
Figura 13- Prueba #2 conductividad & pH vs. tiempo .......................................................................................... 89
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 - Indice de dura del agua ................................................................................................. 21
Tabla 2- Caracteristicas físicas del agua potable ......................................................................... 37
Tabla 3- Caracteristicas microbiologicas del agua ........................................................................ 37
Tabla 4- Compuestos químicos con efecto adverso en la salud humana ..................................... 38
Tabla 5- Compuestos químicos con implicaciones sobre la salud humana .................................. 38
Tabla 6- compuestos con mayor implicación de tipo económico .................................................. 38
Tabla 7- Normativa para el análisis de la calidad del agua ........................................................... 39
Tabla 8- Concentracion permitida de sustancias químicas permitidas en el agua potable ........... 40
Tabla 9- Variables de operación ................................................................................................... 48
Tabla 10- Concentración de cationes ........................................................................................... 50
Tabla 11- Concentración de aniones ............................................................................................ 51
Tabla 12- dimensiones columna de resina cationica .................................................................... 56
Tabla 13- Dimensiones columna de resinina aniónica .................................................................. 57
Tabla 14- Propiedades del fluido .................................................................................................. 58
Tabla 15- Caracteristicas tanque de almacenamiento .................................................................. 59
Tabla 16- Parametros de operación ............................................................................................. 59
Tabla 17- Caracteristicas de tubería ............................................................................................. 59
Tabla 18- propiedades y condiciones de operacion - tubería 1/2" ................................................ 60
13
Tabla 19- caida de presión tubería 1/2” ........................................................................................ 62
Tabla 20- Propiedades condiciones de operación - tubería 1" .................................................... 63
Tabla 21- Caida de presión tubería 1" .......................................................................................... 63
Tabla 22- Accesorios 1/2" ............................................................................................................. 63
Tabla 23- Accesorios 1" ................................................................................................................ 64
Tabla 24- Caida de presión por accesorios - tubería 1/2" ............................................................. 65
Tabla 25- Caida de presión por accesorios- tubería 1" ................................................................. 65
Tabla 26- perdidas por ensanchamiendo y reducciones .............................................................. 66
Tabla 27- Caracteristicas de Carbon Activado.............................................................................. 67
Tabla 28- Propiedades del Carbón activado ................................................................................. 68
Tabla 29- Caida de presión lecho de Carbón Activado ................................................................. 68
Tabla 30- Dimensiones columna de resina catiónica .................................................................... 69
Tabla 31- Propiedades resina catiónica ........................................................................................ 69
Tabla 32- Dimensiones colomna resina aniónica ......................................................................... 69
Tabla 33- Propiedades resina aniónica ........................................................................................ 70
Tabla 34- Caida de presión columna catiónica ............................................................................. 70
Tabla 35- Caida de presión columna aniónica .............................................................................. 70
Tabla 36- Presión manometrica .................................................................................................... 71
Tabla 37- Caida de presión manometricas ................................................................................... 71
Tabla 38- Caida de presion total ................................................................................................... 72
Tabla 39- propiedades fluidos....................................................................................................... 74
Tabla 40- Caracteristicas corriente liquida .................................................................................... 74
Tabla 41- caracteristicas corriente gaseosa ................................................................................. 74
Tabla 42- condiciones de entrada y salida del agua ..................................................................... 75
Tabla 43- Condiciones de entrada y salida del aire ...................................................................... 75
Tabla 44- Balance de masa .......................................................................................................... 76
Tabla 45- Constante de Henry -CO2-agua ................................................................................... 77
Tabla 46- flujos de operación desgasificador................................................................................ 77
Tabla 47- Linea de equilibrio CO2-H2O ........................................................................................ 77
Tabla 48- Parametros Anillos Rasching 3/8”................................................................................ 78
Tabla 49- estiamción de coeficiente de transferencia de masa CO2 ............................................ 79
Tabla 50- Estimación coeficiente de transferencia de masa H2O ................................................ 79
Tabla 51- pendientes que interceptan linea de equilibrio .............................................................. 80
Tabla 52- Coordenadas de recta .................................................................................................. 81
Tabla 53- Fuerza impulsadora de desorción................................................................................. 82
Tabla 54- Altura lecho empacado ................................................................................................. 82
Tabla 55- Parametros de prueba .................................................................................................. 85
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DISEÑO Y MONTAJE DE UN TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO PARA EL LABORATORIO
DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA, SECCIONAL
CARTAGENA.
1. PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El agua, tal cual como se presenta en la naturaleza posee propiedades que por razones
económicas, operacionales, técnicas o psicológicas no puede ser utilizada directamente. La
existencia de turbiedad, olores, colores, sales, gases en solución, sólidos disueltos o dispersos,
materia orgánica, etc., obliga a la adecuación de la misma previa a su utilización. [3]
Son bien conocidos los resultados producidos por las incrustaciones debidas a dureza, por la
precipitación de sales de calcio y magnesio que impiden la transferencia de calor y el paso de
fluidos incrementando asimismo el costo de la energía necesaria en la conducción de los mismos.
Las altas concentraciones de dureza crean problemas en el lavado de la ropa y para el aseo
personal, lo que se traduce en un cierto grado de desagrado. [3]
En Chile, generalmente las aguas de los ríos son carbonatadas o sulfatadas, siendo las primeras
las más comunes, en donde predomina el ión carbonato en su composición media. Estas fuentes
presentan composiciones químicas y físicas muy variadas a lo largo de Chile y con respecto,
específicamente, a la dureza, calcio y magnesio también se presentan grandes variaciones a nivel
nacional. Por otro lado, las aguas subterráneas son una fuente de agua “pura” por excelencia, que
cada día están siendo más utilizadas, y que a pesar de tener un mayor costo de explotación que
el agua superficial, presenta en general una calidad superior, requiriendo una menor cantidad de
tratamientos a la hora de ser potabilizada. De hecho, en Chile las aguas provenientes de fuentes
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subterráneas prácticamente reciben sólo el proceso de cloración antes de ser consumidas por la
población, lo que resulta de muy bajo costo y de fácil manejo. [45]
La presencia de carbonatos, bicarbonatos (alcalinidad) en las aguas destinadas para calderas
produce la aparición de los fenómenos de fragilidad cáustica, y por la descomposición de los
bicarbonatos a altas temperaturas el arrastre en el vapor de anhídrido carbónico con los
consiguientes problemas de acidificación del condensado y corrosión. [3]
La existencia de sílice en aguas empleadas en centrales energéticas ocasiona depósitos y
desequilibrios peligrosos en las turbinas; el hierro y el manganeso son elementos indeseables en
las industrias textiles, papelera, etc.; el oxígeno es la principal fuente de corrosión importante en
todas aquellas líneas especialmente a altas temperaturas; la aparición de azufre combinado en
sus distintas formas trae también problemas de toxicidad y olores. [3]
El amoníaco crea corrosión en las aleaciones de cobre o zinc. Los nitratos en algunos casos son
lo suficientemente altos para implicar posibles riesgos en la salud, especialmente en los lactantes.
Todos estos iones son solamente algunos de los muchos que se hallan presentes en el agua y
que es necesario suprimir en mayor o menor grado para evitar las consecuencias dichas
anteriormente.
Existen muchos procesos u operaciones simples o complejos, antiguos o modernos para evitar
estos inconvenientes. Afortunadamente todos o casi todos ellos son resumibles a una clase de
tratamiento luego de la aparición de los intercambiadores de iones. [2]
Actualmente la Universidad San Buenaventura Seccional Cartagena no cuenta con un equipo de
intercambio iónico donde se puedan llevar a cabo prácticas experimentales; esto de cierta forma
afecta a la formación como ingenieros químicos porque no se tendra en cuenta la parte práctica,
por tal razón, con el diseño y puesta en marcha del tren de intercambio iónico, se pretende
consolidar los conocimientos teóricos adquiridos durante las clases de operaciones unitarias.
Además con esta unidad se pretende suministrar agua desmineralizada a los laboratorios de
ingeniería química y bacteriología para otras prácticas.
16
1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA
¿Qué variables técnicas, conceptuales, operativas y economicas se deben tener en cuenta para
el diseño de un tren de intercambio iónico para el laboratorio de operaciones unitarias de la
Universidad San Buenaventura Seccional Cartagena?
1.3 JUSTIFICACIÓN
Es necesaria la implementación del tren de intercambio iónico en el laboratorio de operaciones
unitarias del programa de ingeniería Química de la Universidad San Buenaventura seccional
Cartagena , ya que en primer lugar no se cuenta con este equipo en la Universidad y segundo
con este proyecto se está contribuyendo a una mejoría en cuanto a la calidad tanto del laboratorio
como de la carrera, al ampliar las prácticas experimentales y a la vez reforzar las bases teóricas
dadas en las materias de operaciones unitarias.
El intercambio iónico es una técnica avanzada para la eliminación de impurezas en el agua.
Muchas industrias dependen del intercambio iónico para obtener agua de pureza extrema
(desmineralizada): Centrales eléctricas nucleares y térmicas, Semiconductores, chips
electrónicos, pantallas de ordenadores, eliminación selectiva de contaminantes en el agua potable.
[1]
El producto final proveniente del equipo es el agua desmineralizada, la cual puede ser empleada
para otras prácticas de laboratorio tanto a nivel de ingeniería química como de otras carreras
(ejemplo bacteriología); este producto es necesario para llevar a cabo muchas practicas de
laboratorio donde se requiera el uso de agua con baja concentración de sales, solidos totales
disueltos o dureza. Actualmente la Universidad para suplir este tipo de necesidades, destila agua
para las prácticas experimentales; el problema con esto es que con el destilador solo se puede
obtener el producto en bajas cantidades, en cambio con el tren de intercambio iónico se pueden
obtener grandes volúmenes de agua desmineralizada y de esta forma permite el suministro a
17
muchas mas áreas o dependencias donde se necesite . Adicional a esto, un equipo de este tipo
es un plus agregado al programa de ingeniería química fortaleciendo el conocimiento práctico en
las experiencias de laboratorio ya que se tienen las bases teóricas, pero no se tiene el instrumento
o unidad para llevarlas a la práctica.
En una desmineralización común regenerada en contra-corriente, la característica del agua tratada
expresada en conductividad es 1 µS/cm o menos. Considerando que el agua de río o de pozo
tiene una conductividad entre 100 y más de 1000 µS/cm, la eficiencia del intercambio iónico varía
entre 99 y más de 99,9 %, mucho más elevada que los otros procesos que son ósmosis inversa
o destilación. [1]
Para el tratamiento de aguas salobres (las aguas de pozo en ciertas regiones áridas) o de agua
de mar, el intercambio iónico no es una técnica viable; otras tecnologías —ósmosis inversa o
destilación— son más apropiadas. Pero sin embargo cada uno tiene algo que nos beneficia que
es el de desmineralizar el agua con diferencia en la variación de precios en el proceso
(presupuesto) ya que una puede ser más costosa que la otra. [3]
Además, contaminantes no ionizados no se pueden suprimir por intercambio iónico. Las
tecnologías convenientes emplean carbón activo, adsorbentes sintéticos, tamices moleculares y
otros medios filtrantes. Ciertos tipos de filtración con membranas, tales como la microfiltración,
ultrafiltración y la nanofiltración, pueden también proporcionar buenas soluciones. [1]
El intercambio iónico es el método más conveniente para tratar concentraciones de metales muy
pequeñas que sean arrastradas por procesos de mayor escala como la destilación, cuya
evaporación lenta desplaza las sales presentes debido a las cantidades tan diminutas que existen
disueltas en el agua.
El enfoque de esta propuesta radica en la visión investigativa con las políticas de la Universidad
de San Buenaventura planteadas en el Proyecto Educativo Bonaventuriano (PEB), por lo que
estimula tanto estudiantes como profesores al desarrollo de ciencia y tecnologías por medio de la
investigación básica y aplicada, la cual se orienta a producir nuevos conocimientos, a comprobar
18
aquellos que forman parte del saber y de las actividades del hombre referidos a contextos
específicos. [4]
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar el diseño y montaje de un tren de intercambio iónico para el laboratorio de operaciones
unitarias de la Universidad San Buenaventura Seccional Cartagena de acuerdo a lo estipulado en
el Manual del ingeniero Químico – Perry tomo IV.
1.4.2 OBJETIVO ESPECIFICO
Caracterizar mediante un análisis físico-químico el agua a tratar en el tren de intercambio iónico.
Determinar de acuerdo al grado de separacion requerido parámetros de diseño del tren de
intercambio iónico.
Seleccionar materiales, configuración de equipo y construir el tren de intercambio iónico según
parámetros de diseño.
Elaborar manual de operación y mantenimiento del equipo.
Verificar el buen funcionamiento del equipo mediante pruebas experimentales.
19
2. . MARCO DE REFERENCIAL
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
En este apartado se exponen las principales investigaciones previas o antecedentes investigativos
que guardan relación con el proyecto; con la recopilación de esta información no se pretende más
que acercarnos y dirigirnos a la mejor línea de investigación existente para desarrollar de manera
clara y concisa nuestro proyecto de investigación.
En la sintetización de intercambio catiónico de forma de empaque para una columna de destilación
reactiva, elaborada en el copolimero estirenodivinilbenceno (S-DVB) sulfonado. Se sintetizaron
dos formas geométricas: la primera corresponde a una estructura tipo monolito (cilindro con
perforaciones) y la segunda corresponde a un empaque estructurado (lamina corrugada). Así
mismo, se presenta el estudio realizado para la síntesis del copolimero S-DVB y su posterior
funcionalización mediante un proceso de sulfonación con óleum. [6]
En otro proyecto se planteó un uso alternativo de las resinas de intercambio iónico cuando su vida
útil ya había terminado; incluyendo la resina de intercambio iónico dentro de una mezcla asfáltica
o una mezcla de mortero de cemento hidráulico. [7]
Asímismo, otro trabajo evaluó el proceso tecnológico de producción de agua desionizada y el
procedimiento para la regeneración de las resinas de intercambio iónico en una empresa
agroindustrial. Ya que el agua potable no cumplía con las características necesarias de
conductividad eléctrica, dureza total y sílice para poder ser usada en los procesos productivos de
la empresa, esta debía pasar por tres filtros de sedimentos y un filtro de carbón activado. Los
filtros retienen partículas y sedimentos y el filtro de carbón el cloro y materia orgánica. [8]
Comisión Nacional del agua (México D.F.2007) Diseño de plantas potabilizadoras tipo de
tecnología simplificada,” Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento” propone
estandarizar la forma de las unidades y los sitios de alimentación y recolección del agua;
establecer los criterios de diseño más reconocidos y los intervalos de valores recomendados para
20
los diversos parámetros. Se procuró incluir el mínimo de equipamiento, de allí que el floculador es
del tipo hidráulico, en contraste con el mecánico que utiliza agitadores de paletas. [ 9 ]
En el 2014, Carlos Ignacio Agamez Salvador, Ingeniero Químico egresado de la Universidad San
Buenaventura Secconal Cartagena propuso en su trabajo de grado el Diseño de un Sistema de
Intercambio Catiónico de Lecho Fijo para la Potabilización de Agua en el Corregimiento de
Malagana con el fin de mejorar el proceso de tratamiento de agua potable en este lugar, ya que la
fuente de agua para el acueducto proviene de pozos subterráneos, donde la calidad del agua no
es muy buena debido a sus altas concentraciones de dureza, sales, carbonatos. Con este proyecto
pretendía mejorar la calidad del agua haciendo un ablandamiento a estas aguas duras (con mucha
presencia de iones calcio y magnesio) mediante el uso del sistema de intercambio catiónico de
lecho fijo.[ 5 ]
En el 2006, Fanny Esther Hidalgo Dominguez y Marco Vinicio Guaman Perez propusieron en su
trabajo de grado el Diseño y Construccion de un Desmineralizador de Lecho Multiple para la
Universidad de Guayaquil. Este proyecto estaba conformado por dos columnas de intercambio
catiónico , dos de intercambio aniónico, un desgasificador, y una columna de lecho mixto, donde
el agua potable era su alimentación. Todo la tesis de grado se realizó con fines didácticos para la
Facultad de Ingeniería Química. [20]
2.2 MARCO TEORICO
2.2.1 Sustancias minerales disueltas
Generalmente son sales ionizadas que contienen todas las aguas naturales, ya sea
como agua cruda o después de tratamiento, contienen material mineral disuelto, estos
constituyen minerales diferentes en grandes cantidades presentes en varios suministros
de agua. Entre los más abundantes se encuentran los cloruros, sulfuros y bicarbonatos
presentes con metales como calcio, magnesio y sodio con su respectivo anion o catión
solubles en el agua. [10]
2.2.1.1 Alcalinidad, Bicarbonatos, Carbonatos y Cáusticos
La alcalinidad del agua se define como la capacidad para neutralizar ácidos, por la
suma de todas las bases titulables. En las aguas naturales, esta propiedad se debe
21
principalmente a la presencia de ciertas sales de ácidos débiles, aunque también
puede contribuir la presencia de bases débiles y fuertes.[11]
La alacalinidad se determina por medio de titulación usando indicadores como la
fenolftaleína, azul de metileno, anaranjado de metilo y soluciones acidas.
2.2.2 Dureza del agua
El término dureza se refiere a la cantidad de sales de calcio y magnesio disueltas, éstas
tienen su origen en formaciones rocosas, se encuentras principalmente en aguas
naturales.[14,16]
Esta cantidad de sales afecta la capacidad de formación de espumas de detergentes en
contacto con agua, y representa una serie de problemas de incrustación en equipo
industrial y doméstico, además de resultar nociva para consumo humano.[12] De
acuerdo a la clasificación de carbonatos contenidos en el agua puede clasificarse a
niveles de dureza, la siguiente tabla indica las cantidades de sales. [12]
Tabla 1 - Indice de dura del agua
2.2.3 Características físicas del agua cruda
Una de las características físicas del agua que más se estudia para su potabilización es
la turbidez; esta es una medida del grado en el cual el agua pierde su transparencia
debido a la presencia de partículas en suspensión; mide la claridad del agua. [20] La
22
turbidez se mide en Unidades Nefelométricas de turbidez, o Nephelometric Turbidity Unit
(NTU). El instrumento usado para su medida es el nefelómetro o turbidímetro, que mide
la intensidad de la luz dispersada a 90 grados cuando un rayo de luz pasa a través de
una muestra de agua. Cualquier impureza insoluble finamente dividida, cualquiera que
sea su naturaleza, que pueda ser suspendida en el agua y disminuir su calidad, se le
conoce colectivamente como turbidez. Estas impurezas suspendidas pueden ser de
origen inorgánico; arcillas, limos, carbonatos de calcio, sílice, hidróxido férrico, azufre,
etc., o pueden ser de naturaleza orgánica; materia vegetal finalmente dividida, aceites,
grasas, microorganismos, etc. Mientras más sucia parecerá que ésta, más alta será la
turbidez. Por otro lado el material que debido a su tamaño se asiente rápidamente se le
llama sedimento. [13,14]
2.2.4 Tratamiento de agua
Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser
humano han traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales y
subterráneas con sustancias químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus
características estéticas. Para hacer frente a este problema, es necesario someter al
agua a una serie de operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla
para que pueda ser consumida por los seres humanos. Una operación unitaria es un
proceso físico, químico o biológico mediante el cual las sustancias objetables que
contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias inocuas. [15]
2.2.5 Procesos físicos unitarios
Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para
consumo humano son los siguientes: [15]
Transferencia de sólidos
Transferencia de iones
Transferencia de gases
23
Transferencia molecular o de nutrientes
2.2.6 Procesos químicos unitarios
Los métodos de tratamiento en los cuales la eliminación o conversión de los
contaminantes se consigue con la adición de productos químicos o gracias al desarrollo
de ciertas reacciones químicas, se conoce como proceso químico unitario. Fenómenos
como la precipitación, adsorción y la desinfección son ejemplos de los procesos de
aplicación más comunes en el tratamiento de aguas residuales y saneamiento de agua
proveniente de acueductos. [17]
2.2.7 Fundamentos del intercambio iónico
Con el avance de la ciencia y de la técnica es cada vez mayor el uso de agua
desprovista de ciertos iones y muchas veces desprovista de todos los iones. Una de las
técnicas de eliminación de iones consiste en hacer pasar el agua a través de resinas de
intercambio iónico.
Es frecuente encontrar instalaciones que usan resinas de intercambio iónico que no
producen la calidad del agua requerida o la cantidad requerida, o ambas cosas a la
vez, y esto puede deberse al desconocimiento de las propiedades de las resinas
de intercambio iónico o a la falta de experiencia necesaria para manejar los imprevistos
que pueden presentarse durante la operación de intercambiadores de iones. En muchas
ocasiones se descartan prematuramente las resinas de intercambio iónico, en otras se
sigue usando las resinas que ya cumplieron su vida útil y muchas veces se usan resinas
que no son las adecuadas.
La transferencia de iones es un proceso rápido y reversible en el cual los iones impuros
presentes en el agua son reemplazados por iones que despiden una resina de
intercambio de iones. Los iones impuros son tomados por la resina que debe ser
regenerada periódicamente para restaurarla a su forma iónica original. Los iones con
carga positiva se llaman cationes y son generalmente metales, los iones con carga
negativa se llaman aniones y son generalmente no metales). [18]
24
El intercambio iónico tiene una capacidad limitada para almacenar iones en su
estructura, llamada capacidad de intercambio; en virtud de esto, llegará finalmente a
saturarse con iones indeseables. Entonces se lava con una solución fuertemente
regenerante que contiene iones deseables, los mismos que sustituyen a los iones
indeseables acumulados, dejando al material en condiciones útiles de operación. Esta
operación es un proceso químico cíclico, y el ciclo completo incluye de ordinario
retrolavado regeneración, enjuagado y servicio. [18]
2.2.8 Cinética y Equilibrio de intercambio iónico
Una reacción de intercambio iónico es aquella en la cual un átomo o una molécula que
han ganado o perdido un electrón, y que por lo tanto adquiere una carga positiva o
negativa, se intercambia por otra partícula de igual signo pero de naturaleza diferente.
Esta última partícula inicialmente está ligada a la superficie de un cuerpo sólido inerte y
pasa a solución y su lugar es ocupado por otra partícula que queda retenida
(temporalmente) en la superficie del polímero o soporte.
Este soporte sólido puede ser una zeolita natural o un polímero sintético, aunque en
la actualidad por su mayor capacidad de intercambio y menor costo, casi siempre se
emplea una resina sintética. Una reacción de intercambio en una resina puede ser
representada de la siguiente manera:
Donde; es la fase estacionaria o soporte (el copolímero de divinilbenceno) y son
las especies que reaccionan.
En esta reacción química, el calcio se intercambia por su equivalente que son dos
iones sodio Químicamente esta reacción es de intercambio o desplazamiento y el
grado o extensión en que se lleva a efecto tal reacción depende de factores tales
como: temperatura, pH, concentración de la especie en solución y naturaleza del ión.
La cinética o velocidad con que se efectúa la reacción de intercambio se ha observado
que es sumamente rápida y ocurre en segundos, cuando el catión o el anión tienen
contacto con el grupo funcional de la resina. Esta alta velocidad de reacción se debe
a que no es necesario romper enlaces químicos para que proceda la reacción. La
25
velocidad de intercambio está en función de la movilidad del ión o su facilidad a
difundirse en la estructura de la resina.[19,21]
A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones presentes en dicha
disolución desplazan a los que estaban originariamente en los sitios activos. La
eficiencia de este proceso depende de factores como la afinidad de la resina por un
ión en particular, el pH de la disolución, si el grupo activo tiene carácter ácido o básico,
la concentración de iones o la temperatura etc. Es obvio que para que tenga lugar el
intercambio iónico, los iones deben moverse de la disolución a la resina y viceversa.
2.2.9 Intercambiadores iónicos y parámetros característicos
Generalmente, la gran utilidad del intercambio iónico descansa en el hecho de usar una
y otra vez los materiales de intercambio iónico, puesto que el material intercambiador
puede ser regenerado ya que el cambio que sufre en la “fase de operación” no es
permanente. [5]
Figura 1 - Intercambiador ionico industrial
Fuente: (Tratamiento de Aguas - J.Huesa, 2018)
La parte de los intercambiadores iónicos comerciales son de material plástico
sintético, como polímeros de estireno y divinilbenceno. Los intercambiadores
iónicos para el tratamiento de agua son: en esencia insoluble y su vida útil
esperada es de 5 a10 años.
26
El intercambiador debe tener una “alta capacidad total”, es decir que tenga un
grado de sustitución iónica bastante elevado. La capacidad de un intercambiador
se define como la cantidad de iones que una resina puede intercambiar en
determinadas condiciones experimentales. Depende del tipo de grupo activo y del
grado de entrecruzamiento de la matriz y se expresa en equivalentes por litro de
resina, o por gramo.[23]
Por otra parte, la capacidad específica teórica se denomina así al número máximo
de sitios activos del intercambiador por gramo. Este valor suele ser mayor que la
capacidad de intercambio, ya que no todos los sitios activos son accesibles a los
iones en disolución [25]
2.2.10 Selectividad
Es la Propiedad de los intercambiadores iónicos por mostrar mayor afinidad por un ión
en especifico que por otro. La selectividad dependerá del tipo de resina con la afinidad
por un ión determinado se mide con el coeficiente de la selectividad K. La regla principal
es que un intercambiador preferirá aquellos iones con los que forme los enlaces más
fuertes. La estructura de poro y la elasticidad del intercambiador también influyen en su
selectividad, como ocurre con las zeolitas. [5]
2.2.11 Resinas Intercambiadoras de iones
Una resina es un polímero compuesto de un número elevado de moléculas .las resinas
pueden ser intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados
positivamente (cationes), o intercambiadores de aniones que intercambian iones con
carga negativa (aniones). También hay cambiadores anfóteros que son capaces de
intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo.
Sin embargo, el intercambio simultáneo de cationes y aniones puede ser más eficiente
si se realiza en dispositivos mixtos que contienen una mezcla de resinas de
intercambio de aniones y cationes, o pasar la solución tratada a través de diferentes
materiales de intercambio iónico. [22]
27
Figura 2- Perlas de resina apra tratamiento de agua
Fuente: Smith, A. (2018).” el Intercambio Iónico”
2.2.12 Tipos de resinas
Las resinas de intercambio iónico están destinadas a varios usos, descalcificación,
desnitratación, deionización, Dependiendo de la aplicación a la que se destinen existen
diferentes tipos que pueden ser inorgánicas como Las zeolitas y las arcillas son
minerales de aluminosilicatos ampliamente distribuidos en la corteza terrestre. [13,26]
2.2.12.1 Resinas catiónicas de ácido fuerte
Intercambian iones positivos (cationes). Funcionan a cualquier pH. Es la destinada
a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionización en
los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y
necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).
[22, 26]
2.2.12.2 Resinas catiónicas de ácido débil
Tienen menor capacidad de intercambio. No son funcionales a pH bajos. Elevado
hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las perdidas 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.
28
2.2.12.3 Resinas aniónicas de base fuerte
Intercambian iones negativos (aniones). Es la destinada a aplicaciones de
suavizado de agua, como segunda columna de desionización en los
desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los aniones del agua y necesitan
una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico - NaOH).
2.2.12.4 Resinas aniónicas de base débil
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.
[26]
Con base en el análisis fisicoquímico se seleccionaron 2 tipos de resina, la primera
una resina anionica de base fuerte (Lemait MonoPlus M 500) y una resina catiónica
de acido fuerte (Lewait MonoPlus S 108).
2.2.13 Propiedades de las resinas
2.2.13.1 Propiedades físicas
Las resinas de intercambio iónico son generalmente producidas y usadas en la
forma de partículas granulares o partículas esféricas. En aplicaciones especiales
estas partículas esféricas pueden variar de material retenido sobre malla 16 standard
(menor 0.004 mm de diámetro). En los procesos de ciclo promedio, sin embargo las
partículas fluctúan entre 16 a 50 mallas (0.3 - 1.2 mm de diámetro), ya que en la
mayoría de las aplicaciones de estos materiales incluye su uso en soluciones
acuosas muy diluidas. [1]
2.2.13.2 Propiedades químicas
Son determinadas, primero en su estructura esquelética y segundo por la naturaleza
del grupo funcional (-S03H, -COOH, -NH2). Cabe mencionar que el grupo funcional
determina la estructura esquelética, determina la estabilidad de la resina. Las
propiedades químicas más comúnmente determinadas son las sustancias sólidas,
las características de los grupos funcionales y la capacidad de la resina de
intercambio iónico.[1]
29
2.2.14 Regeneración de la resina
Después de que la resina se encuentra saturada (con los metales pesados que ha
removido del agua ya tratada), es necesario regenerar esta. Para esto se efectúan las
siguientes operaciones. [27]
2.2.14.1 Retrolavado
El retrolavado consiste en pasar agua por la parte inferior del lecho (resina) y salga
por la parte superior del filtro. Esta agua es desechada. El retrolavado tiene como
finalidad reacomodar el lecho de tal manera que no se compacte y disminuya la
eficiencia y así pueda fluir el agua libremente.
2.2.14.2 Salado
Después del retrolavado se hace circular una solución de sal a través del lecho de
resina. Para esto se prepara una solución de sal en agua y se hace circular en el
filtro, fluyendo esta solución de arriba hacia abajo. La cantidad de sal empleada es
de aproximadamente 5 Kg. de sal de grano por cada pie cúbico de resina en el filtro
(aprox. 180 g/L de resina). Esta sal se disuelve en la cantidad de agua que sea
suficiente para su disolución completa y se vierte en el filtro, o se agrega
directamente a éste y se disuelve la sal agregando agua al recipiente. [5]
2.2.14.3 Lavado
El lavado tiene como finalidad eliminar toda la solución de salado, que tiene una alta
concentración de dureza (calcio y magnesio), para esto se hace fluir agua de
alimentación (el agua que entra al filtro para tratamiento) de arriba hacia abajo, es
decir, en la forma normal de operación del filtro, y el agua de lavado es desechada
hacia el drenaje. Al término de la operación la resina y el filtro están listos para su
operación normal.[27,5]
30
2.2.15 Modo de operación
En los procesos de intercambio iónico en columna se puede trabajar de dos modos: [ 28]
2.2.15.1 Co-corriente
La regeneración en co-corriente no es óptima, porque las resinas fuertemente ácidas
y fuertemente básicas no están convertidas totalmente en forma H+ o OH—
respectivamente al final de la regeneración: una conversión completa necesitaría
cantidades excesivas de regenerantes. Resulta que las capas inferiores del lecho de
resina son mal regeneradas, mientras las capas superiores son muy bien
convertidas. Al principio de la fase siguiente de agotamiento, la fuga iónica es alta
porque los iones no eliminados en la parte baja de la columna son desplazados por
iones H+ (o OH—) producidos por el intercambio en la parte superior. (Figura 3).
Figura 3- regeneración en corriente directa
Fuente: De Dardel, F. (2018). Métodos de regeneración de las resinas de
intercambio iónico
31
2.2.15.2 Contracorriente
Un término más apropiado sería flujo inverso puesto que la resina no se mueve. No
obstante, la expresión común es contra-corriente. En este caso, la solución
regenerante pasa a través de la columna en la dirección opuesta a la del agua (o de
la solución) a tratar. Hay dos casos distintos de regeneración en contra-corriente:[29]
Agotamiento de arriba abajo y regeneración de abajo arriba, como en los sistemas
de bloqueo del lecho por aire o por agua, o en los procesos de lecho compacto
UFD y Upcore.
Fuente: De Dardel, F. (2018). Métodos de regeneración de las resinas de
intercambio iónico.
Agotamiento de abajo arriba y regeneración de arriba abajo, como en los sistemas
de lechos flotantes o Amberpack
Figura 4- Regeneración en contra-corriente por la parte inferior
32
Fuente: De Dardel, F. (2018). Métodos de regeneración de las resinas de intercambio iónico.
A medida que transcurre la operación en el lecho, la mayor parte de la transferencia de
iones ocurre en la parte superior de éste donde el fluido se pone en contacto con la resina.
Al pasar del tiempo la resina de la parte superior se va saturando de solidos (iones) por lo
que disminuye el efecto sobre el fluido (agua) y por ende la transferencia de masa se
empieza a dar más hacia la zona media del lecho donde hay resina virgen (que no ha
actudado al contacto con el fluido) que en la parte superior del lecho.
Figura 5- Regeneración en contra-corriente por parte superior.
33
Figura 6- Evolucion de la concentración en un lecho
Fuente: . Agamez Salvador, Diseño de un Sistema de Intercambio Catiónico de Lecho Fijo
para la Potabilización de Agua en el Corregimiento de Malagana
El tiempo transcurrido desde el comienzo de la operación en el lecho hasta que los iones de la
disolución aparecen en la corriente de salida o más concretamente cuando se alcanza la máxima
concentración permisible en el efluente, se denomina tiempo de ruptura . En este momento, la
corriente se desviaría a un segundo lecho, iniciando el proceso de regeneración del primero.
La curva que representa la evolución de la concentración del efluente que abandona el lecho
recibe el nombre de curva de ruptura.
Fuente: . Agamez Salvador, Diseño de un Sistema de Intercambio Catiónico de Lecho Fijo para
la Potabilización de Agua en el Corregimiento de Malagana
Figura 7- Curva de ruptura
34
2.2.16 Procesos de desmineralización
La desmineralización consiste en la conversión de sales presentes en el agua a sus
respectivos ácidos por intercambio de cationes de hidrógeno y la eliminación de estos
ácidos por medio de intercambiadores aniónicos, dando como producto final un agua
desmineralizada la cual es el resultado de la neutralización de los cationes de hidrógeno
y aniones hidroxilo. Los principios de desmineralización del agua son idénticos a los de
ablandamiento, esta operación fue una de los primeros usos del intercambio iónico y
actualmente es una de las principales aplicaciones. Dentro de los procesos de la
desmineralización se encuentra la destilación; que elimina del agua las impurezas
convirtiendo el agua en vapor, para posteriormente recondenarla.
Al salir del destilador el agua está libre de microorganismos pero se puede contaminar
como consecuencia de fallas en el sistema de enfriamiento, en el tanque de
almacenamiento o en los sistemas de distribución. Por otra parte, la osmosis inversa
es un proceso en el cual se aplica presión a un solvente para forzarlo a pasar a través
de una membrana semipermeable, desde una solución más concentrada a una menos
concentrada. En otras palabras, en el proceso de ósmosis inversa se aplica una
presión para hacer pasar el agua desde la zona de mayor concentración a la de
menor concentración, de esta forma se obtiene un agua libre de iones, de material
orgánico e inorgánico disueltos, partículas, pirógenos y de microorganismos.
Por último, el intercambio iónico se basa en la remoción de impurezas del agua
mediante la utilización de resinas sintéticas que tienen afinidad por las sales disueltas
ionizadas. En este proceso se emplea el principio de intercambio iónico y las resinas
empleadas pueden ser de intercambio catiónico, aniónico o mixtas. El sistema de
purificación de agua por intercambio iónico puede consistir en dos, múltiples o una
combinación de lechos desmineralizadores. [5,30]
2.2.17 Pasos para diseñar un equipo de intercambio iónico
Todos los sistemas de intercambio de iones son diseñados para un agua de
alimentación dada, es decir, su diseño depende de las características fisicoquímicas que
35
tiene el agua de alimentación. De manera general, los pasos que se llevan a cabo para
diseñar un sistema de intercambio iónico son:
Realizar análisis fisicoquímicos a la fuente de agua: La primera etapa es obtener un
análisis correcto del agua bruta.
Seleccionar el tipo de intercambiador: En esta etapa se elige la configuración de más
apropiada para el fin requerido: Continuo en columna o discontinuo (cochada o lotes)
Selección del sistema de regeneración: Se selecciona entre las dos alternativas
posibles, regeneración en contracorriente o regeneración a favor de la corriente
(Cocorriente).
Selección de las capas y el tipo de resina: Se selección la resina de acuerdo con las
necesidades, teniendo en cuenta las características de cada una y los análisis
fisicoquímicos del agua.
Seleccionar el regenerante: El regenerante se escoge de acuerdo al tipo de resina
seleccionada, en las fichas técnicas de ésta se exhiben los distintos regenerantes que
se pueden emplear y las condiciones de operación.
Determinar los parámetros de diseños, dimensionar la columna iónica y calcular las
pérdidas de cargas. Después se selecciona el tipo de material que constituye el equipo
y se escogen los cabezales.[5]
36
Figura 8.Pasos para diseñar un equipo de intercambio iónico.
Fuente: . Agamez Salvador, Diseño de un Sistema de Intercambio Catiónico de Lecho Fijo para
la Potabilización de Agua en el Corregimiento de Malagana
Analizar el agua bruta Seleccionar el tipo
intercambiador
Seleccionar la configuracion de
regeneración
Seleccionar tipos de resinas a usar
Seleccionar regenerante
establecer condiciones de
operacion y parametros de diseño
Dimensionar la columna de
intercambio iónico
calcular caidas de presión
Seleccionar el tipo de material
37
2.3 MARCO LEGAL
El Ministerio de la protección social, Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo territorial
mediante la resolución NÚMERO 2115 (22 JUN 2007) y la NTC 813, indican las características
fisicoquímicas, microbilogicas y normativa para la calidad del agua apta para consumo humano
como lo demuestran las siguientes tablas. [31,32]
Tabla 2- Caracteristicas físicas del agua potable
Tabla 3- Caracteristicas microbiologicas del agua
38
Tabla 4- Compuestos químicos con efecto adverso en la salud humana
Tabla 5- Compuestos químicos con implicaciones sobre la salud humana
Tabla 6- compuestos con mayor implicación de tipo económico
39
Tabla 7- Normativa para el análisis de la calidad del agua,NTC es la norma tecnica colombiana creada por el ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Tècnicas y Certificaciòn) y GTC es la
guia tecnica colombiana.
TIPOS DE ENSAYOS NORMA
Determinacion de la turbiedad GTC 2, p.13
Determinación del color GTC 2, p.12
Determinación del olor y sabor GTC 2, p.14
Determinación del cloro residual GTC 2, p.47
Determinación del Ph GTC 2, p.16
Determinación de sólidos totales NTC 897, o en la GTC 2, p 24.
Determinación del hierro total GTC 2, p.56
Determinación de nitratos GTC 2, p.41
Determinación de nitritos GTC 2, p.39
Determinación de arsénico GTC 2, p.61
Determinacion de bario GTC 2, p.64
Determinación de boro NTC 1454
Determinación de cadmio GTC 2, p.64
Determinación de cianuro NTC 1312
Determinación de cromo hexavalente GTC 2, p.64
Determinación del manganeso GTC 2, p.64
Determinación del mercurio GTC 2, p.69
Determinación de plomo GTC 2, p.64
Determinación del sulfonato de alquil-bencilo GTC 2, p.74
Determinación de Selenio NTC 1460
Determinación de grasas y aceites NTC 3362
Determinación de plaguicidas NTC 813
Determinación de la radiactividad NTC 3498
Determinación de aluminio GTC 2, p.56 y p. 64
Determinación de plata GTC 2, p.64
Análisis microbiológicos GTC 2, p.82
Determinación de Cinc GTC 2, p.64
Determinación de cloruros GTC 2, p.49
Determinación de cobre GTC 2, p.64
Determinación de la dureza total GTC 2, p.17
Determinación de fenoles GTC 2, p.78
Determinación de magnesio GTC 2, p.64
Determinación de sulfatos GTC 2, p.51
ENSAYOS
40
Tabla 8- Concentracion permitida de sustancias químicas permitidas en el agua potable
41
42
2.4 MARCO CONCEPTUAL
AGUA: El agua es un compuesto químico muy estable, formado por átomos de hidrogeno y
oxigeno, de formula H2O. El agua es inodora, insípida e incolora, y su enorme presencia en
la Tierra (el 71% de ésta se encuentra cubierta de agua) determina en buena parte la existencia
de vida en nuestro planeta. El agua es el único elemento que existe a temperaturas ordinarias
en los tres estados de la materia. Existe en estado sólido como hielo, encontrándose en los
glaciares y casquetes polares, y en forma de nieve, granizo y escarcha. Como líquido se halla
en las nubes de lluvia formadas por gotas de agua, en forma de rocío en la vegetación, y en
océanos, mares, lagos, ríos, etc. Como gas, o vapor de agua, existe en forma de niebla, vapor
y nubes. [33]
AGUA DESIONIZADA: Su concepto no es fácil de encontrar pero el agua desionizada es un
tipo de agua desprovista de sustancias disueltas cargadas eléctricamente, sales, minerales,
solidos totales disueltos, dureza. [34]
AGUA DESTILADA: Es agua que ha sido sometida a un destilador que
permitió limpiarla y purificarla. Esto hace, en teoría, que el agua destilada sea una sustancia
completamente pura , ya que solo contiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno (H2O). [35]
AGUA DURA: Es aquella que posee una alta concentración de iones de magnesio y calcio,
aunque también los compuestos de azufre y el hierro pueden contribuir a dicha dureza. Ésta
presenta una serie de características que la hacen inadecuada para el uso cotidiano, es por ello
que se emplean varios métodos para ablandarla previo a su utilización. [36]
AGUA MINERAL: Se denomina agua mineral, en este marco, al agua que alberga sustancias
disueltas de tipo mineral. Dichos minerales disueltos le otorgan ciertas propiedades y pueden
modificar el sabor del líquido. El agua mineral se encuentra en manantiales naturales, aunque
también se puede elaborar añadiendo los minerales deseados..[37]
43
AGUA PESADA: Es una clase de agua algo más pesada ( tiene mayor densidad) que la común.
Un litro de agua pesada pesa 1.105 gramos, mientras que un litro de agua común pesa 1.000
gramos. Se denomina agua pesada (D2O) al óxido de deuterio. [38]
AGUA POTABLE: Llamamos agua potable al agua que se puede consumir o beber sin que
exista peligro para nuestra salud. El agua potable no debe contener sustancias o
microorganismos que puedan provocar enfermedades o perjudicar nuestra salud. [39]
CALIDAD DEL AGUA: Son el conjunto de propiedades organolépticas, físicas y químicas que
determinan que tipo de agua es.
CONDUCTIVIDAD: Cualidad que poseen los cuerpos o fluidos para transportar electricidad o
flujo de calor.
DUREZA: Se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay
en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. El agua
denominada comúnmente como “dura” tiene una elevada concentración de dichas sales y el
agua “blanda” las contiene en muy poca cantidad. [14,40]
INTERCAMBIO IÓNICO: es un proceso de tratamiento de agua utilizado generalmente para el
ablandamiento o desmineralización del agua, aunque también es utilizado para remover otras
sustancias del agua en procesos tales como la desalcalinización, desionización, y desinfección.
[25]
PH: Es la medidad de concentración de iones hidronio presente en una sustancia.
SÓLIDOS DISUELTOS: Son aquellos minerales, cationes o aniones disueltos en el agua que
no pueden ser removidos por filtración como por ejemplo sales de calcio, magnesio, cloruros,
etc.
RESINA DE INTERCAMBIO IÓNICO: Material sintético insoluble en agua de forma esférica
usado para ablandamiento de agua, eliminación de solidos disueltos y desmineralización del
agua.
44
TURBIEDAD: Es la dificultad del agua, para trasmitir la luz debido a materiales insolubles en
suspensión, coloidales o muy finos, que se presentan principalmente en aguas superficiales.
Son difíciles de decantar y filtrar, y pueden dar lugar a la formación de depósitos en las
conducciones de agua, equipos de proceso, etc. [41]
3. DISEÑO METODOLOGICO
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN
La investigacion es aplicada de desarrollo tecnologico y tiene como finalidad la consolidación del
saber y la aplicación de los conocimientos para el diseño, contrucción y puesta en marcha de el
45
tren de intercambio ionico ; mejorando su caracteristica mediante la tecnologia al servicio del
desarrollo integral de la comunidad academica .
La que incluye cualquier esfuerzo sistemático y socializado por resolver problemas o intervenir
situaciones.
En ese sentido, se concibe como investigacion aplicada tanto la innovación tecnica, artesanal e
industrial como la propiamente científica. [42]
3.2 DISEÑO ADOPTADO
Tomando como referencia el tipo de investigación y dado que las variables serán medidas en una
sola ocasión, el diseño adoptado es experimental- analítico con corte transversal.
Experimental debido a que una o más variables de importancia pueden ser manipuladas en
condiciones rigurosamente controladas, para determinar su efecto sobre una variable dependiente
en un momento dado. Desde el punto de vista de la planificación de la toma de datos, ésta
metodología es prospectiva, puesto que los datos necesarios para el estudio son recogidos a
propósito de la investigación.
Por otro lado, la naturaleza analítica de la investigación parte del hecho de que se pretende
comprobar la hipótesis planteada mediante el estudio de las partes de un todo y el análisis de las
variables. Ésta metodología abarca el objetivo principal del proyecto; diseñar y montar un tren de
intercambio iónico para el laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad San
Buenaventura, seccional Cartagena.[43]
3.3 ENFOQUE ADOPTADO
La investigacion tiene enfoque cuantitativo, ya que utiliza preferiblemente información medible
(cuantificable) , por parte de analisis numericos , estadisticas , dandole conclusion a preguntas de
investigacion , verificar hipotesis o refutar. En este caso nos ayudara en el tren de intercambiador
46
ionico a ver su eficiencia . y analizar si los resultados son correctos con lo que se encuentra en la
literatura.
Los estudios de corte cuantitativo pretenden la explicación de una realidad social vista desde una
perspectiva externa y objetiva.[43]
3.4 TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Para la recolección adecuada de los datos en la presente investigación se aplicaron las
siguientes técnicas de recolección de datos:
3.4.1 Fuentes primarias
Consulta con expertos y visita a las universidades que cuentan con este tipo de equipo
donde pudimos realizar a las personas encargadas del funcionamiento y el diseño del
intercambiador iónico, consulta en libros y tesis en relación . Donde nos econtramos con
la calidad de las respuestas pertinentes recolectadas de los interrogantes que nos
hacemos.
3.4.2 Fuentes secundarias
3.4.2.1 Consultas en la Web
Conocer todos los cambios que se le puede hacer al tren de intercambiador ionicio
para mejora de su funcionamiento, adaptacion e innovacion pertinentes que se le
puedan realizar en las piezas , con la finalidad de construir un equipo que se
encuentre actualizado .
3.4.2.2 Revisión Bibliografica
Busqueda de información , consultando documentos referentes a tren de intercambio
ionico, intercambio inonico con el proposito de conocer a fondo el diseño, viabilidad
,caracteristicas y construcción.
47
3.5 HIPOTESIS
La hipótesis se basa en que, diseñando un sistema de intercambio ionico propuesto para
el laboratorio de operaciones unitarias, disminuiría la conductividad a valores inferiores a
los 0,03 μSiemens. Garantiando obtener agua dismineralizada para las practicas de
laboratorios de química, biología y microbiología.
3.6 VARIABLES
3.6.1 Variables independientes
Tasa de flujo de las bombas
Área de trasferencia del lecho
Flujo de regeneración
3.6.2 Variables dependientes
Calidad final de agua
Tiempo de regeneración
Altura del lecho
3.6.3 Variables intervinientes
Tiempo de regeneración de la resina
Tiempo de ciclo de intercambio ionico
3.7 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
48
Tabla 9- Variables de operación
4. RESULTADOS
4.1 CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DEL AGUA.
49
Como primera instancia se tomó una muestra de 1 litro de agua potable del laboratorio de
operaciónes unitarias ubicado en la Universidad San Buenaventura Cartagena, la cual sería usada
como alimentación para el tren de intercambio iónico. Esta muestra se llevó al laboratorio
bacteriológico y fisicoquímico de aguas y alimentos MIGUEL TORRES BENEDETTI donde se le
realizó el análisis fisicoquímico siguiente:
Figura 8- Análisis fisicoquimico del agua
Con la imagen anterior se puede notar la presencia de iones y sales, las cuales justifican el
propósito de nuestro proyecto titulado diseño, construcción y montaje del tren de intermcabio
iónico para la desmineralización del agua.
50
4.2 DETERMINACION DE ACUERDO AL GRADO DE SEPARACION PARÁMETROS DE
DISEÑO DEL TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO.
Las ecuaciones de diseño son herramientas matematicas que permiten entender mediante la
relacion de la variables fisicas el comportamiento estacionario y/o dinamico de un proceso.
Esta ecuaciones permiten diseñar un equipo, para su posterior construccion ,en este caso el tren
de intercambio ionico .
Las ecuaciones presentadas han sido establecidas por algunos autores, destacando ( referenciar
al libro donde se sacaron o esten ecuaciones ), ecuaciones que se han sido usadas para la
elaboracion de este proyecto.
4.2.1 DIMENSIONAMIENTO DE COLUMNAS DE INTERCAMBIO IONICO
CALCULO DE CONCENTRACION DE CATIONES [mEq/L]
Del análisis fisicoquímico se tomó el valor de la dureza total para hallar la concentración de
cationes.
Tabla 10- Concentración de cationes
Con la ecuación (1) se determinó el peso equivalente del carbonato de calcio
𝑃. 𝐸[𝐶𝑎𝐶𝑂3] =𝑃𝑀
#𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (1)
Entonces
𝑃. 𝐸[𝐶𝑎𝐶𝑂3] =100
2 = 50
𝑚𝑔
𝑚𝐸𝑞
51
𝑚𝐸𝑞
𝐿=
61.2𝑚𝑔
𝐿
50 𝑚𝑔
𝑚𝐸𝑞
= 1,224 𝑚𝐸𝑞
𝐿 (2)
CALCULO CONCENTRACIÓN DE ANINONES CA [meq/L]:
Para este calculo se tienen en cuenta todos los aniones presentes en el agua mostrados en la
figura 9 del análisis fisicoquímico del agua. En base a la ecuación (1) y (2) se realizaron los
cálculos de los mEq/L de aniones mostrados en la tabla
Tabla 11- Concentración de aniones
SELECCIÓN DE LA DURACION DEL CICLO
Se seleccionó una duración de ciclo razonable t entre regeneraciones (en horas).
tiempo de regeneración resina cationica
𝑡𝑐𝑐 = 7ℎ
tiempo de regeneración resina catiónica
𝑡𝐶𝐴 = 4ℎ
52
PRODUCCION NETA
Se seleccionó un caudal de operación de 10 L/min (ƒ) l. Flujo que ha sido establecido, segun la
demanda de agua desmineraliza de los laboratorios de química de la Universidad San
Buenaventura, Seccional Cartagena.
Para este diseño se estableció una capacidad total de producción de 2400 L de agua
desmineralizada, entre cada ciclo de regeneración.
Cada ciclo de producción de agua tiene un tiempo correspondiente a 4 horas máximas de
operación, y en donde para cada prueba de tratamiento se establece un volumen de 40 litros de
agua a desmineralizar, de esta manera con flujo de diseño de 10 L/min, se calcula 4 minutos de
operación por prueba y en adicion de otros 6 minutos para recirculación de agua para garantizar
una desmineralización hasta los 10 𝜇𝑆/𝑐𝑚.
Por tanto estos 10 minutos destinados para cada operación del equipo son traducidos en la
posibilidad de realizar al menos 24 pruebas entre regeneración.
Estableciendo un intervalo prudente para realizar cada regeneración, la cual amerita consumos de
recursos de materiales, reactivos, y de tiempo.
la produccion total se da en las unidades de L/h para calcular la produccion neta Q[L]:
𝑓 = 10 𝐿/ min∗ 60 𝑚𝑖𝑛/ℎ = 600 𝐿/ℎ
Producciòn neta con resina catiónica
𝑄𝐶 = 𝑓 · 𝑡𝐶𝐶 = 600𝐿
ℎ∙ 7ℎ = 4200 𝐿
Producción neta con resina aniónica
𝑄𝐴 = 𝑓 · 𝑡𝐶𝐴 = 600𝐿
ℎ∙ 4ℎ = 2400 𝐿
CALCULO DE LA CARGA
53
la carga iónica de un ciclo en equivalente (eq) es igual a la concentración iónica en (eq/L)
multiplicada por el volumen producido en (L):
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑎𝑡𝑖ó𝑛𝑖𝑐𝑎 [𝑒𝑞] = 𝐶𝐶 · 𝑄𝑐 (3)
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐶𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎 = 1,224𝑚𝑒𝑞
𝐿∙ 4200𝐿 ∙
1𝑒𝑞
1000 𝑚𝑒𝑞= 5,14 𝑒𝑞
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐴𝑛𝑖𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎 = 1,195𝑚𝑒𝑞
𝐿∙ 2400𝐿 ∙
1𝑒𝑞
1000 𝑚𝑒𝑞= 2,87 𝑒𝑞
VALORES DE CAPACIDAD OPERATIVA
Tomando unos valores de capacidad operativa aproximados ( encontrados en anexos pag 91-94)
𝑐𝑎𝑝𝐶 = 2.2 𝑒𝑞/𝐿 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐻𝐶𝑙
𝑐𝑎𝑝𝐴 = 1.3 𝑒𝑞/𝐿 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑂𝐻
VOLUMEN DE RESINA
El volumen V de resina teorico (en litros) es igual a la carga iónica [eq] dividida por la capacidad
útil [eq/L]:
Volumen teórico de resina catiónica
𝑉𝑇𝑅𝐶 = (𝐶𝐶 · 𝑄𝐶) /𝑐𝑎𝑝𝐶 (4)
𝑉𝑇𝑅𝐶 = (5,14 𝑒𝑞)/(2,2 𝑒𝑞/𝐿) = 2,34 𝐿
Volumen teórico de resina aniónica
54
𝑉𝑇𝑅𝐴 = (2,87 𝑒𝑞)/(1,3 𝑒𝑞/𝐿) = 2,21 𝐿
SOBREDIMENSIONAMIENTO
Se sobredimensiona en un 10% más el volumen teórico del lecho.
Volumen resina catiónica
𝑉𝑅𝐶 = 2,34 ∙ (1,1)𝐿 = 2,57 𝐿
Volumen teórico de resina aniónica
𝑉𝑅𝐴 = 2,21 ∙ (1,1)𝐿 = 2,43 𝐿
ALTURA DE RESINA Y COLUMNA
Determinación de altura de resina y columna de intercambio iónico.
Diámetro de columna
Diámetro Nominal (𝐷): 3 pulgadas
Diámetro interno (𝐷𝐼)
𝐷𝐼 = 7,27 𝑐𝑚
Área transversal de flujo por la columna A (cm2).
𝐴 =𝜋
4∙ 𝐷𝐼
2 (5)
𝐴 =𝜋
4∙ (7,27)2𝑐𝑚2 = 41,51 𝑐𝑚2
o Altura Resina Catiónica 𝐻𝐼𝐶
55
𝐻𝐼𝐶 =𝑉𝑅𝐶
𝐴 (6)
𝐻𝐼𝐶 =2,57 𝐿
46,81 𝑐𝑚2=
2570 𝑐𝑚3
46,81 𝑐𝑚2= 61, 92 𝑐𝑚
Expansión del lecho es de un 4% según el fabricante.
𝐻𝐸𝐶 = 𝐻𝐼𝐶 ∙ 0,04 = 61,92 ∙ 0,04 𝑐𝑚 = 2,48 𝑐𝑚
Zona libre, se asigna un 20% más de la altura del lecho estimada
𝐻𝐿𝐶 = 𝐻𝐼𝐶 ∙ 0,2 𝑐𝑚 = 12,38 𝑐𝑚
Altura total de la columna de resina catiónica
𝐻𝑅𝐶 = 𝐻𝐼𝐶 + 𝐻𝐸𝐶 + 𝐻𝐿𝐶 (7)
𝐻𝑅𝐶 = 61,92 + 2,48 + 12,38 = 76,78 𝑐𝑚
o Altura Resina Aniónica 𝐻𝐼𝐴
𝐻𝐼𝐴 =𝑉𝑅𝐴
𝐴=
2,43 𝐿
46,81 𝑐𝑚2=
2430 𝑐𝑚3
41,51 𝑐𝑚2= 58,44 𝑐𝑚
Expansión del lecho de resina aniónica es de un 11% según el fabricante.
𝐻𝐸𝐴 = 𝐻𝐼𝐴 ∙ 0,11 = 58,44 ∙ 0,11 𝑐𝑚 = 6,43 𝑐𝑚
56
Zona libre, se asigna un 20% más de la altura del lecho estimada
𝐻𝐿𝐴 = 𝐻𝐼𝐴 ∙ 0,2 𝑐𝑚 = 11,69 𝑐𝑚
Altura total de la columna de resina aniónica
𝐻𝑅𝐴 = 𝐻𝐼𝐴 + 𝐻𝐸𝐴 + 𝐻𝐿𝐴 (8)
𝐻𝑅𝐴 = 58,44 + 6,43 + 11,69 = 76,56 𝑐𝑚
Tabla 12- dimensiones columna de resina cationica
57
Tabla 13- Dimensiones columna de resinina aniónica
58
4.2.2 CAIDAS DE PRESIÓN
Figura 9- Dimensión de tuberias.
En la figura 9 se representa las dimensiones de la tuberia en el intercambiador ionico, la tuberia
de 1” identificada por el color rojo más una franja gruesa y la tuberia de ½” identificada por el color
negro y una franja más delgada. La tubera de 1” se halla a la salidad del tanque de almacenamiento
y en la descarga y succión de las sombas B-101 y B-102, la tuberia de ½” es el resto de tuberia
del equipo.
A continuación se muestran las tablas correspondientes a las propiedades del fluido (tabla 14),
características del tanque de almacenamiento (tabla 15), parámetros de flujo y volumen de
operación (tabla 16) y tabla de Diámetro y longitud de tuberías empleadas en el equipo (tabla 17).
Tabla 14- Propiedades del fluido
59
Tabla 15- Caracteristicas tanque de almacenamiento
Tabla 16- Parametros de operación
Tabla 17- Caracteristicas de tubería
Se procedió a calcular las pérdidas de presión en la tubería 1, para esto se usaron datos
específicos de tablas del Geankoplis con el fin de obtener ciertas características típicas de la
tubería:
60
Tabla 18- propiedades y condiciones de operacion - tubería 1/2"
Se utilizaron las siguientes ecuaciones para el cálculo de las pérdidas de presión para cada
tubería:
Perdidas de presión para la tubería 1 (1/2”):
𝑅𝑒 = 4𝑄𝜌
𝜋𝐷𝜇 (9)
𝑅𝑒 = 4 (2 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠 )(1000𝑘𝑔𝑚3)
𝜋(0,01270 𝑚)(0,000798 𝑃𝑎. 𝑠)
La rugosidad relativa para la tubería 1 (1/2”) es:
𝜀
𝐷=
1,5∗10−6
0,01270= 1,2 ∗ 10−4 (10)
61
Estimación de factores de fricción de Darcy:
Factor de fricción (tubería 1) por método de Swamee (Régimen turbulento):
𝑓 = 0,25
(𝐿𝑜𝑔10 (
𝜖𝐷
3,7 + 5,74𝑅𝑒0,9))2
(11)
f = 0,026
Factor de fricción final (tubería 1) por método de Colebrook:
1
√𝑓= −2 𝐿𝑜𝑔10 (
𝜖𝐷
3,7+
2,51
𝑅𝑒 √𝑓) (12)
𝑓 = 0,026
Se calcularon las pérdidas de carga en la tubería 1, con el factor de fricción:
ℎ𝐿1 = 8𝑓𝐿𝑄2
9,8𝐷5𝜋2 (13)
ℎ𝐿1 = 8(0,026) ∗ (14,30 𝑚) ∗ (2 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠 )2
9,8 (0,01270𝑚)5𝜋2
ℎ𝐿1 = 2,57 𝑚
∆𝑃𝐿1 = ℎ𝐿1𝜌𝑔 ∗ 14,7
101325 (14)
62
∆𝑃𝐿1 = (2,57𝑚)(1000
𝑘𝑔𝑚3)(9,81) ∗ 14,7
101325
∆𝑃𝐿1 = 3,66 𝑃𝑆𝐼
A continuación se muestra los cálculos anteriores para la tubería 1 resumidos en una tabla:
Tabla 19- caida de presión tubería 1/2”
De la misma forma como se calcularon las pérdidas para la tubería 1 (1/2”), se hace con los
cálculos de las perdidas de la tubería 2 (1”); utilizando la ecuación 10 para el cálculo de la
rugosidad relativa (teniendo en cuenta el diámetro de la tubería 2), usando la ecuación 11 para el
cálculo del factor de fricción por swamee, la ecuación 12 para el cálculo del factor de fricción por
Colebrook y la ecuación 13 y 14 para hallar las pérdidas de carga.
Con base a la tabla llamada “Características de tubería 2 y Condiciones de flujo tubería 2 “(tabla
21) se obtuvieron los siguientes resultados para las perdidas de carga de la tubería 2 (1”):
63
Tabla 20- Propiedades condiciones de operación - tubería 1"
Tabla 21- Caida de presión tubería 1"
Seguidamente se muestra los tipos de accesorios, cantidad de accesorios y el k de los
accesorios (Coeficiente de pérdidas del accesorio) para cada una de las tuberías (tubería 1 y 2):
Tabla 22- Accesorios 1/2"
1,E+04
5,9,E-05
0,0307
0,03059
hL2 0,00266 m
∆PL2 0,00378 Psi
CAIDA DE PRESION POR TUBERIA 2 LINEAL (∆PL2)
Numero de Reynolds
Rugosidad Relativa Tuberia
ESTIMACION FACTORES DE FRICCION DARCY
factor de friccion inicial (Swamee)
factor de friccion final (Colebrook)
1/2 pulgadas
Accesorios de Tuberia Cantidad Constante Ka1 Total Ka1
Codos de 90° 21 0,517 10,862
union Universal 13 0,06 0,780
Valvulas de compuerta 1 0,2069 0,207
valvulas de bola 4 0,050 0,200
ACCESORIOS DE TUBERIA 1
Diametro
64
Tabla 23- Accesorios 1"
La columna de las dos tablas anteriores (tabla 22 y 23 tubería 1 y 2 respectivamente) llamada
Total Ka se calculó multiplicando la cantidad de accesorios por su respectivo Ka.
Caída de presión por accesorios para tubería 1.
Posteriormente se calculó la caída de presión por accesorios para la tubería 1; primero se hizo la
sumatoria de todos los Ka (sumatoria de todos los datos de la columna 4 de la tabla 22); luego
utilizando las siguientes ecuaciones (15 y 16) se calcularon las pérdidas de carga por accesorios
para esta tubería:
∆ℎ𝑎1 = 8 ∑ 𝐾𝑎1 𝑄2
9,8𝐷4𝜋2 (15)
∆ℎ𝑎1 = 8(12,049) ∗ (2 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠 )2
9,8 (0,01270𝑚)4𝜋2
∆ℎ𝑎1 = 1,064 m
∆𝑃𝑎1 = ∆ℎ𝑎1𝜌𝑔 ∗ 14,7
101325 (16)
∆𝑃𝑎1 = (1,064 𝑚)(1000
𝑘𝑔𝑚3)(9,81) ∗ 14,7
101325
∆𝑃𝑎1 = 2 𝑃𝑆𝐼
1 pulgadas
Accesorios de Tuberia Cantidad Constante Ka2 Total Ka2
union Universal 1 0,060 0,060
valvulas de bola 1 0,050 0,050
Reduccion abruta 1 0,031 0,031
Diametro
ACCESORIOS DE TUBERIA 2
65
Los cálculos anteriores se muestran resumidos en la siguiente tabla:
Tabla 24- Caida de presión por accesorios - tubería 1/2"
El procedimiento anterior también se aplicó para el cálculo de las pérdidas de presión por
accesorios para la tubería 2, solo que utilizando los valores de los ka2 de la tabla 24 (Columna 4)
y empleando las ecuaciones 15 y 16.
Los resultados de caída de presión por accesorios para la tubería 2 se muestran a continuación:
Tabla 25- Caida de presión por accesorios- tubería 1"
Caída de presión por ensanchamientos y reducciones de columnas.
A cada una de las columnas que componen el equipo se les identificó el tipo de
ensanchamiento y reducción que poseen, en base a esto se les determinó su constante de
pérdidas (Kca), el cual se determina de la siguiente forma:
Para ensanchamientos: K = (1 − (𝑫𝟏
𝑫𝟐)𝟐)𝟐 (17)
Para reducciones: 𝐾 = 0,42(1 − (𝑫𝟏
𝑫𝟐)𝟐)𝟐 (18)
66
En la siguiente tabla se muestran los tipos de ensanchamientos y reducciones, la cantidad de
cada uno de ellos en las diferentes columnas, las constantes Kca halladas por las ecuaciones 17
y 18 y el total de las constantes Kca hallado a través de la multiplicación de la cantidad de
ensanchamiento o reducciones por la constante Kca de cada una de ellas:
Tabla 26- perdidas por ensanchamiendo y reducciones
Para la última columna de la tabla anterior (caída de presión por accesorios de la columna), se
utilizaron ciertas ecuaciones, las cuales se van a exponer junto con los resultados para la columna
1 de carbón activado:
Para la Columna 1 de carbón activado, la caída de presión por accesorios es:
𝑆𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 𝐾𝑐𝑎1 = ∑ 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐾𝑐𝑎1 (19)
𝑆𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 𝐾𝑐𝑎1 = 0,940 + 0,420 = 1,360
∆ℎ𝑐𝑎1 = 8 ∑ 𝐾𝑐𝑎1 𝑄2
9,8𝐷4𝜋2 (20)
∆ℎ𝑐𝑎1 = 8(1,360) ∗ (2 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠 )2
9,8 (0,01270𝑚)4𝜋2
Accesorio Tipo Cantidad Constante Kca1 Total Kca1 Sumatoria Kca1 1,360
Ensanchamiento 1/2" a 3" 1 0,940 0,940 ∆hca1 (m) 0,120
Reduccion 3" a 1/2" 1 0,420 0,420 ∆Pca1 (Psi) 0,171
Accesorio Tipo Cantidad Constante Kca2 Total Kca2 Sumatoria Kca1 1,360
Ensanchamiento 1/2" a 3" 1 0,940 0,940 ∆hca2 (Pa) 0,120
Reduccion 3" a 1/2" 1 0,420 0,420 ∆Pca2 (Psi) 0,171
Accesorio Tipo Cantidad Constante Kca3 Total Kca3 Sumatoria Kca1 1,420
Ensanchamiento 1/2" a 4" 1 1,000 1,000 ∆hca3 (Pa) 0,125
Reduccion 4" a 1/2" 1 0,420 0,420 ∆Pca3 (Psi) 0,178
Accesorio Tipo Cantidad Constante Kca4 Total Kca4 Sumatoria Kca1 1,360
Ensanchamiento 1/2" a 3" 1 0,940 0,940 ∆hca4 (Pa) 0,120
Reduccion 3" a 1/2" 1 0,420 0,420 ∆Pca4 (Psi) 0,171
CAIDA DE PRESION POR ACCESORIOS COLUMNA 2 (∆Pca2)ACCESORIOS COLUMNA 2 (RESINA CATIÓNICA)
ACCESORIOS COLUMNA 3 (DESGASIFICADOR)
ACCESORIOS COLUMNA 4 (COLUMNA RESINA ANIÓNICA) CAIDA DE PRESION POR ACCESORIOS 4 (∆Pa4)
ACCESORIOS COLUMNA 1 (CARBÓN ACTIVADO) CAIDA DE PRESION POR ACCESORIOS COLUMNA 1 (∆Pca1)
CAIDA DE PRESION POR ESANCHAMIENTOS Y REDUCCIONES DE COLUMNAS
CAIDA DE PRESION POR ACCESORIOS 3 (∆Pca3)
67
∆hca1 = 0,120 m
∆Pca1 = ∆hca1ρg ∗ 14,7
101325 (21)
∆Pca1 = (0,120 m)(1000
kgm3)(9,81) ∗ 14,7
101325
∆Pca1 = 0,171 PSI
Así mismo, haciendo uso del procedimiento anterior (ecuación 19,20 y 21) se hallaron las caídas
de presión para la columna 2 de resina catiónica, columna 3 del desgasificador y columna 4 de
resina aniónica. Todos los resultados se ven reflejados en la tabla 27 en la columna 6 y 7.
Cálculos de caídas de presión por lechos de las columnas:
Para la columna 1 (Carbón activado), se tienen las siguientes dimensiones y parámetros
para sus cálculos posteriores:
Tabla 27- Caracteristicas de Carbon Activado
68
Tabla 28- Propiedades del Carbón activado
Con la información provista por la tabla 27 y 28 se calcula la caída de presión del lecho, la cual se
debe al paso del gas a través del mismo. Ésta caída de presión se calcula mediante la ecuación
de Ergun:
∆𝑃 = 150(1 − 0,577)2
0,5773
0,000798 ∗ 0,04
(0,75 ∗ (6 ∗ 10−4))2+ 1,75
(1 − 0,577) ∗ 1000 ∗ (0,04)2
0,75 ∗ (6 ∗ 10−4)
∆𝑃 = 21800 𝑃𝑎 = 3,163 𝑃𝑆𝐼
El resultado de las pérdidas de presión por el lecho 1 (carbón activado), se muestra a continuación:
Tabla 29- Caida de presión lecho de Carbón Activado
CAIDA DE PRESION POR LECHO COLUMNA 1 (∆PB1)
∆PB1 21800 Pa
3,163 Psi
En las siguientes tablas se muestran las dimensiones y parámetros de los lechos de las demás
columnas (columna 2 de resina catiónica, columna 4 de resina aniónica).
Porosidad del Lecho 0,577 -
Velocidad del fluido 0,04 m/s
Diametro Particula 6,E-04 m
Densidad Particula 0,69 kg/m3
Densidad Aparente 1,08 kg/m3
Esfericidad 0,75
PARAMETROS LECHO 1 (CARBON ACTIVADO)
(22)
69
Tabla 30- Dimensiones columna de resina catiónica
COLUMNA 2 RESINA CATIONICA
DIMENSIONES
Diametro 0,0727 m
Longitud 0,7678 m
Altura Lecho 0,644 m
Area de flujo 0,004 m^2
Tabla 31- Propiedades resina catiónica
Tabla 32- Dimensiones colomna resina aniónica
COLUMNA 4 RESINA ANIONICA
DIMENSIONES
Diametro 0,0727 m
Longitud 0,7656 m
Altura Lecho 0,6487 m
Area de flujo 0,004 m^2
Porosidad del Lecho 0,354 -
Velocidad del fluido 0,04 m/s
Diametro Particula 6,E-04 m
Densidad Particula 0,84 kg/m3
Densidad Aparente 1,3 kg/m3
Esfericidad 0,9
PARAMETROS LECHO 2 (RESINA CATIÓNICA)
70
Tabla 33- Propiedades resina aniónica
Con las tablas anteriores (30, 31,32 y 33) se calculan las caídas de presión para el lecho 2 y 4
(Resina catiónica y aniónica respectivamente), mediante la misma fórmula usada para los cálculos
de las pérdidas de presión por el lecho de carbón activado (ecuación 22).
Los resultados obtenidos se registran en las tablas 34 y 35.
Tabla 34- Caida de presión columna catiónica
CAIDA DE PRESION POR LECHO COLUMNA 2 (∆PB2)
∆PB2 141162 Pa
20,479 Psi
Tabla 35- Caida de presión columna aniónica
Caída de presión total debido a presión manométrica
La caída de presión ∆𝑃 manométrica se puede calcular tanto teóricamente como
experimentalmente mediante las siguientes ecuaciones:
Teóricamente:
∆𝑃 = 𝐶𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎
+ 𝐶𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 (23)
Porosidad del Lecho 0,361 -
Velocidad del fluido 0,04 m/s
Diametro Particula 6,E-04 m
Densidad Particula 0,690 kg/m3
Densidad Aparente 1,08 kg/m3
Esfericidad 0,9
PARAMETROS LECHO 4 (RESINA ANIÓNICA)
CAIDA DE PRESION POR LECHO COLUMNA 4 (∆PB4)
∆PB4 131291 Pa
19,047 Psi
71
Experimentalmente:
Tabla 36- Presión manometrica
∆𝑃 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (24)
En la tabla 37 se exponen los valores calculados para la caída de presión manométrica tanto
teórica como experimental de todo el equipo:
Tabla 37- Caida de presión manometricas
Para ilustrar de una mejor forma los cálculos de la tabla anterior, se hace el cálculo para el ∆𝑃1.
∆𝑃1 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 (𝑃𝑆𝐼)
= 𝐶𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎
+ 𝐶𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎
∆𝑃1 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 (𝑃𝑆𝐼) = 3,163 𝑃𝑆𝐼 + 0,171 𝑃𝑆𝐼 = 3,333 𝑃𝑆𝐼
∆𝑃1 𝐸𝑥𝑝 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
∆𝑃1 𝐸𝑥𝑝 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 1 − 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 2
∆𝑃1 𝐸𝑥𝑝 = 21,5 − 19
∆𝑃1 𝐸𝑥𝑝 = 2,5
Caidas de Presion ∆P TEORICO (Psi) ∆P EXPERIMENTAL (Psi) % error
∆P1T 3,333 2,5 13,891
∆P2T 20,650 19 7,166
∆P4T 19,218 19 0,125
Presion Manometro 1 - Presion Manometro 2
Presion Manometro 2 - Presion Manometro 3
Presion Manometro 4
Explicacion
TABLAS DE CAIDA DE PRESION TOTAL
72
Caída de presión total del equipo.
Finalmente se calculó la caída de presión total mediante la siguiente ecuación:
∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 + ∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 +
∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 + ∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎 (25)
∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 48,55 𝑃𝑆𝐼
En la tabla 38 se muestra el resumen de todas las pérdidas calculadas en todo el procedimiento
anterior
Tabla 38- Caida de presion total
SELECCIÓN DE BOMBA
Cálculo de la altura dinámica de la bomba La altura dinámica puede ser definida como el incremento total de la carga del flujo a través de la bomba. Es la suma de la carga de succión más la carga de impulsión:
∆𝐻𝑏 = ∆𝐻𝑠 + ∆𝐻𝑖 Donde:
∆𝐻𝑏 = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑜 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜, 𝑚. ∆𝐻𝑠 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛, 𝑚. ∆𝐻𝑖 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛, 𝑚.
ALTURAS DINÁMICAS POR BOMBA PUNTO DE OPERACIÓN BOMBA
BOMBA ∆H CABEZA DINAMICA
(m) CAUDAL (L/min)
∆H CABEZA DINAMICA (m) CAUDAL (L/min)
Bomba 1 20,15 10 20,15 18
Bomba 2 14,002 10 14,002 24
TOTAL 34,15
∆P equipo ∆P Estimadas Totales (Psi)
∆PLT 3,66
∆PaT 1,514
∆PcaT 0,691
∆PBT 42,689
∆PT 48,55
Caida de Presion Total por accesorios de tuberia
Caida de presion total por accesorios de columna
Caida de Presion Total por Lecho de resina
Caida de Presion Total
Explicacion
Caida de Presion Total por tuberia
73
Figura 10- Curva de bomba.
El punto de operación de las bombas 1 y 2, bombas de 1/2 caballo de potencia se destacan en el gráfico, muestran que para las alturas dinámicas necesarias calculadas para el bombeo de agua en el equipo, las cuales son estimadas en el diseño; los caudales de operación son mayores a 10L/min, por tanto es posible el bombeo de agua, con las bombas seleccionadas.
4.2.3 TORRE DE DESGASIFICACIÓN
Si la concentración de bicarbonatos se encuentra entre 0,6 – 1,0 mEq/L, se justifica una torre de
desgasificación
En la siguiente tabla se anexan las propiedades de los fluidos empleados para el diseño del
desgasificador (aire y agua):
74
Tabla 39- propiedades fluidos
En la tabla 40 se puede apreciar las características de la corriente líquida empleada (agua), donde
el flujo de agua utilizado (10L/min) es el flujo de operación utilizado para todos los cálculos.
Tabla 40- Caracteristicas corriente liquida
En la tabla 41 se puede apreciar las características de la corriente gaseosa empleada (aire),
donde el flujo utilizado (40 m3/h) es el flujo estándar manejado por un soplador de 110 V.
Tabla 41- caracteristicas corriente gaseosa
En la tabla 42, se muestran los valores de concentración de CO2 en agua a la entrada y salida de
la torre; el valor de entrada se tomó de la caracterización fisicoquímica que se le realizó al agua (
ver anexo pag 95), mientras que la concentración de CO2 a la salida se tomó del sitio web llamado
Dardel, el cual habla sobre algunos principios para el diseño de un tren de intercambio iónico (ver
referencia numero 46).
Corriente Liquido
Peso Molecular Liquido 18 kg/kmol
Densidad 1000 kg/m3
Agua
Flujo de Agua con CO2 10 L/min
Flujo masico Agua con CO2 2,E-01 kg/s
Flujo molar de Agua con CO2 9,E-03 kmol/s
CORRIENTE LIQUIDA
Flujo de Gas 40 m3/h
Flujo masico de Gas 0,013 kg/s
Flujo molar de Gas 4,60,E-04 kmol/s
CORRIENTE GASEOSA
Corriente Gas Gas a Desober en la Torre
Peso Molecular Liquido 29 kg/kmol Peso Molecular Liquido 44 kg/kmol
Densidad 1,2 kg/m3 Densidad 1,842 kg/m3
Aire Dioxido de Carbono
75
Tabla 42- condiciones de entrada y salida del agua
Mediante la ecuación 26 y 27 se calcularon las fracciones molares de CO2 en el agua tanto para
la entrada como para la salida:
𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 =
𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑂2
1 ∗ 106
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑎𝑔𝑢𝑎
(26)
𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 =
𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑂2
1 ∗ 106
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑎𝑔𝑢𝑎
(27)
En la tabla 43, el valor de concentración de CO2 en el aire a la entrada de la torre se sacó de libros
de parámetros establecidos y el valor de concentración de CO2 a la salida de la torre se calcula
posteriormente.
Tabla 43- Condiciones de entrada y salida del aire
Concentracion de CO2 en Agua 49 ppm
Fraccion Molar de CO2 en Agua 2,E-05 Fraccion molar
Concentracion de CO2 en Agua 11 ppm
Fraccion Molar de CO2 en Agua 5,E-06 Fraccion molar
CONSIDERACIONES AGUA DE ENTRADA A LA TORRE
CONSIDERACIONES AGUA DE SALIDA DE LA TORRE
Concentracion de CO2 en Aire 1 ppm
Fraccion Molar de CO2 en Aire 7,E-07 Fraccion molar
Concentracion de CO2 en Aire ppm
Fraccion Molar de CO2 en Aire 0,E+00 Fraccion molar
CONSIDERACIONES GAS DE ENTRADA A LA TORRE
CONSIDERACIONES GAS DE SALIDA DE LA TORRE
76
En la tabla 44, se muestra el resultado obtenido para la fracción de CO2 a la salida del aire.
Tabla 44- Balance de masa
El balance de masa usado para calcular el valor de la corriente líquida libre de CO2:
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝐶𝑂2 ∗ (1 −
𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎)*1000 (28)
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 = 9 ∗ 10−3 ∗ (1 − 2 ∗ 10−3) ∗ 1000
El balance de masa usado para calcular el valor de la corriente de gas libre de CO2:
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 ∗ (1 −
𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑎𝑖𝑟𝑒(𝑔𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎))*1000 (29)
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 = 4,6 ∗ 10−4 ∗ (1 − 7 ∗ 10−7) ∗ 1000
El balance de masa usado para calcular el valor de fracción de CO2 en gas a la salida es:
𝐿´ (𝑥2
1 − 𝑥2) + 𝛾´ (
𝑦1
1 − 𝑦1) = 𝐿´ (
𝑥1
1 − 𝑥1) + 𝛾´ (
𝑦2
1 − 𝑦2) (30)
De la ecuación 30 se despeja y2 (fracción de CO2 en gas a la salida) y se obtiene el resultado
resumido en la tabla 44.
Corriente Liquida libre de CO2 L' 9,259 mol/s
Corriente de Gas libre de CO2 V' 0,460 mol/s
Fraccion de CO2 en Gas Entrada y1 6,591,E-07 Fraccion molar
Fraccion de CO2 en Gas Salida y2 3,E-04 Fraccion molar
Fraccion de CO2 en Liquido Salida x1 5,E-06 Fraccion molar
Fraccion de CO2 en Liquido Entrada x2 2,E-05 Fraccion molar
BALANCE DE MASA
77
Tabla 45- Constante de Henry -CO2-agua
Tabla 46- flujos de operación desgasificador
En la tabla 47 se presentan los valores de x y y para la línea de equilibrio de la gráfica de desorción:
Tabla 47- Linea de equilibrio CO2-H2O
Los valores de Y de la tabla anterior fueron tomados arbitrariamente, mientras los valores de x
fueron despejados de la ecuación 31, la cual involucra a la constante de Henry:
yCO2
xCO2= 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐻𝑒𝑛𝑟𝑦 (31)
Donde xCO2 es 𝑥CO2 = yCO2
Constante de Henry
La tabla 48 (Parámetros de empaques de anillos rasching 3/8”) fue sacada del libro Geankoplis para poder estimar los coeficientes de transferencia de masa.
Constante de Henry CO2 en agua 1640,0000 atm/fraccion molar
Presion del sistema 1,0000 atm
Constante de Henry CO2 en agua 1640,0000 1/fraccion molar
yco2/ xco2 1640,0000 -
Constante de Henry para equilibrio para CO2 en agua
Flujo molar gas Gy' 1,E-02 kg/s
Flujo molar liquido Gx' 2,E-01 kg/S
Diametro columna 4 pulgadas
Area de flujo columna 8,E-03 m2
Flujo molar gas Gy' 2 kg/s.m^2
Flujo molar liquido Gx' 21 kg/s.m^2
FLUJO DE GAS Y LIQUIDO EN TORRE EMPACADA
x (CO2 en Liquido) y (CO2 en Gas) -
4,E-10 7,E-07 fraccion molar
8,E-06 1,E-02 fraccion molar
Linea de equilibrio para CO2 en agua yCO2=1640*xCO2
78
Tabla 48- Parametros Anillos Rasching 3/8”
Estimación de coeficientes de transferencia:
Para la estimación del coeficiente de transferencia K ýa, en primera instancia se debe calcular
el número e Schmidt del aire por la siguiente ecuación:
𝑁𝑆𝐶 = 𝜇𝑎𝑖𝑟𝑒
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐷𝑖𝑓𝑢𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑎𝑖𝑟𝑒 (32)
La difusividad del CO2 en aire se obtuvo de tablas (Geankoplis), cuyo valor es 1,42 ∗10−5𝑚2
𝑠.
Para el cálculo de la altura de unidad de transferencia HG, se usa la siguiente ecuación:
𝐻𝐺 = 𝛼𝐺𝑦𝛽
𝐺𝑥𝑦
𝑁𝑆𝑐0.5 (33)
Para la ecuación 33 se usan los parámetros de empaques de anillos rasching de la tabla 48 y
el número de Schmidt encontrado por la ecuación 32.
Posteriormente se calcula el kýa utilizando la siguiente ecuación (ecuación 34):
𝐻𝐺 = 𝑉
𝐾ý 𝑎𝑆 (34)
Despejando Kýa queda:
𝐾𝑦𝑎 = 𝑉
𝐻𝐺 𝑆 (35)
Los datos obtenidos se resumen en la siguiente tabla:
Alfa a 0,62 -
Beta b 0,45 -
Gamma y -0,47 -
Teta 0,00032 -
n 0,46 -
CORRELACION PARA LA ESTIMACION DE COEFICIENTES TRANSFERENCIA
Parametros de empaques de anillos rasching 3/8"
79
Tabla 49- Estimación de coeficiente de transferencia de masa CO2
Para la estimación del coeficiente K´xa (coeficiente de transferencia en el agua), se utiliza la
ecuación 32 para el número de Schmidt pero utilizando los valores para el agua y la difusividad
del CO2 en agua que es =2 ∗ 10−8𝑚2/𝑠.
Para el cálculo de la altura de unidad de transferencia HL se utiliza la siguiente ecuación:
𝐻𝐿 = 𝜃(𝐺𝑥
𝜇𝐿)𝑛𝑁𝑆𝑐
0,5 (36)
Para hallar el K´xa se usa la ecuación 34 , usando el flujo molar líquido (Gx); los resultados
obtenidos se muestran en la siguiente tabla :
Tabla 50- Estimación coeficiente de transferencia de masa H2O
Estimación de la altura de la torre (Desgasificador):
Para la estimación de esta altura, en primera instancia se deben hallar las pendientes que
interceptan a la línea de equilibrio para poder obtener las coordenadas x y y.
Fluido a desorber
Peso molecular aire 29 kg/kmol
Densidad aire 1,168 kg/m3
Viscocidad aire 1,9,E-05 kg/m.s
Difusidad del CO2 en aire 1,42,E-05 m^2/s
Numero de schmidt aire 1,121 -
Altura de unidad de transferencia HG 0,198 m
k'ya 8,292 kg/s.m3.fraccion
k'ya 0,0068 kmol/s.m3.fraccion
Dixido de carbono CO2
ESTIMACION DE COEFICIENTES TRANSFERENCIA k'ya
peso molecular Agua 18 kg/kmol
Densidad Agua 1000 kg/m3
Viscocidad del agua 8,E-04 kg/m.s
Difusidad del CO2 en agua 2,E-08 m^2/s
Numero de schmidt agua 4,E+01 -
Altura de unidad de transferencia HL 0,216 m
k'xa 95,360 kg/s.m3.fraccion
k'xa 5,2978 kmol/s.m3.fraccion
ESTIMACION DE COEFICIENTES TRANSFERENCIA k'xa
80
Las pendientes se calculan con la siguiente ecuación:
𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐾´𝑥𝑎/(1 − 𝑥)𝑖𝑀
𝐾ý𝑎/(1 − 𝑦)𝑖𝑀 (37)
Para la pendiente 1:
𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐾´𝑥𝑎/(1 − 𝑥2)𝑖𝑀
𝐾ý𝑎/(1 − 𝑦2)𝑖𝑀
Para la pendiente 2:
𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐾´𝑥𝑎/(1 − 𝑥1)𝑖𝑀
𝐾ý𝑎/(1 − 𝑦1)𝑖𝑀
Los valores de las pendientes se resumen en la siguiente tabla:
Tabla 51- pendientes que interceptan linea de equilibrio
En la siguiente gráfica se representan las pendientes halladas anteriormente, interceptadas a la línea de equilibrio, en donde los puntos interceptos corresponden a las coordenadas x y y.
Pendiente 1 -774,3753 -
Pendiente 2 -775 -
Pendiente de recta de intersecto entre linea de operación y equilibrio
81
Figura 11- Composiciones de CO2
En la siguiente tabla se resumen las coordenadas x y y correspondientes a las fracciones molares de CO2 en las diferentes fases:
Tabla 52- Coordenadas de recta
Para la determinación de la fuerza impulsora para desorción en la torre, se utiliza la siguiente ecuación:
(𝑦 − 𝑦𝑖)𝑀 = (𝑦1 − 𝑦𝑖1) − (𝑦2 − 𝑦𝑖2)
𝐿𝑛 (𝑦1 − 𝑦𝑖1𝑦2 − 𝑦𝑖2)
(38)
El resultado se observa en la siguiente tabla:
Tabla 54. Fuerza impulsora para desorción en la torre.
5,E-06; 6,591,E-072,E-05; 3,E-04
4,E-10; 7,E-07
8,E-06; 1,E-02
2,0,E-05; 3,E-04
7,E-06; 1,E-02
4,5,E-06; 7,E-07
1,E-06; 2,E-03
0,000,E+00
2,000,E-03
4,000,E-03
6,000,E-03
8,000,E-03
1,000,E-02
1,200,E-02
1,400,E-02
0,000E+00 5,000E-06 1,000E-05 1,500E-05 2,000E-05 2,500E-05
frac
cio
n m
ola
r fa
se g
aseo
sa
molar fase liquida
composiciones de CO2
Linea de Operacion
linea de equilibrio
Series3
Series4
x2 2,0,E-05 y2 3,E-04
x2i 7,E-06 y2i 1,E-02
x1 4,5,E-06 y1 7,E-07
x1i 1,E-06 x2i 2,E-03
coordenadas de recta que intersecta la linea de operacion y equilibrio cima columna
Fase liquida (Fraccion molar CO2) Fase Gaseosa (fraccion molar CO2)
coordenadas de recta que intersecta la linea de operacion y equilibrio base columna
82
Tabla 53- Fuerza impulsadora de desorción
Finalmente para hallar la altura de la torre se hace uso de la siguiente ecuación:
𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚
𝑆(𝑦1 − 𝑦2) = 𝐾ý𝑎 𝑧 (𝑦 − 𝑦𝑖)𝑀 (39)
Donde Z (altura de la torre) se despeja de la ecuación 39 y se utilizan los valores de la tabla 54 y 55 para completar esta ecuación.
Tabla 55- Altura lecho empacado
En la última fila de la tabla 55 se observa el valor de la altura de la torre que es = 0,477 m
Estimación de la Velocidad minima de Fluidizacion:
Es la velocidad por la cual el lecho de partículas comienza la fluidización.
La fluidización se refiere al proceso de suspensión o levitación de partículas por la acción del paso
de un fluido a través de ellas, de manera que el conjunto de partículas también tiende a
comportarse como fluido.
(40)
Cuando las partículas son muy pequeñas, la ecuación (40) se reduce a:
𝑢𝑚𝑓 =𝑑𝑉
2(𝜌𝑃 − 𝜌𝐹)𝑔𝜀𝑚𝑓3 Ψ2
150𝜇(1 − 𝜀𝑚𝑓)
𝑈𝑚𝑓 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
𝑑𝑣 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎
(y-yi)M 5,E-03 fraccion molar
Fuerza impulsora para desorcion en la torre
Flujo Gas (V) o (G) 0,00045977 kmol/s
area de Flujo (S) 0,00810732 m2
(y2-y1) 3,E-04 fraccion molar
k'ya 0,0068 kmol/s.m3.fraccion
Altura columa (Z) 0,477 m
DETERMINACION ALTURA DE TORRE EMPACADA PARA DESORCION DE CO2
83
𝜌𝐹 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝜌𝑃 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎
𝜇 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑔 = 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 9.8 𝑚/𝑠2
𝜀𝑚𝑓 = 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
Tabla 56- Parametros de fluidizacion
𝑷𝒂𝒓𝒂𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔𝒅𝒆 𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒊𝒛𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒔
𝑈𝑚𝑓 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 - 𝑚/𝑠
𝑑𝑃 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎 6 ∙ 10−4 𝑚
𝜌𝐹 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 1000 𝑘𝑔/𝑚3
𝜌𝑆 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎 1300 𝑘𝑔/𝑚3
𝜇 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 9.78 ∙ 10−4 𝑃𝑎 ∙ 𝑠
84
En ausencia de datos experimentales, la porosidad del lecho en el estado de mínima
fluidización 𝜀𝑚𝑓 (parámetro necesario para el cálculo de la velocidad mínima de fluidización)
puede calcularse por correlaciones. La ecuación (40) puede ser expresada también como:
𝐴𝑟 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑞𝑢𝑖𝑚𝑒𝑑𝑒𝑠
Wen y Yu (AIChE J. 12, 610, 1966 y Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 62, 100, 1966)
observaron que los grupos K1 y K2 se mantenían relativamente constante para varios tipos
de partículas. Hallaron que las siguientes relaciones se satisfacen:
𝐾1 =1
Ψ 𝜀𝑚𝑓3 = 14
𝐾2 =1 − 𝜀𝑚𝑓
Ψ2 𝜀𝑚𝑓3 = 11
Reemplazando valores de la tabla de los parámetros 𝐾1 y 𝐾2
𝑢𝑚𝑓 =(6 ∙ 10−4)2(1300 − 1000)(9.8)
150(9.78 ∙ 10−4)(11) [𝑚/𝑠]
𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒎𝒊𝒏𝒊𝒎𝒂 𝒅𝒆 𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒊𝒛𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏
𝑢𝑚𝑓 = 1.09 𝑚/𝑠
Velocidad de operación
𝒗 =𝑄𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙
𝐴𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎=
[10 𝐿/𝑚𝑖𝑛] ∙ [𝑚3 ∙ (1000𝐿)−1] ∙ [𝑚𝑖𝑛 ∙ (60)−1]
0.00456 𝑚2= 0.03 𝑚/𝑠
Velocidad excesivamente menor a la de fluidización, lo cual garantiza que no existe arrastre
de partículas.
85
4.3 PRUEBAS
Se realizaron 3 pruebas para determinar la efectividad y funcionamiento del equipo tomando los
siguientes parámetros:
Tabla 54- Parametros de prueba
Arrojando los siguientes resultados
Conductividad
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14 16Co
nd
uct
ivid
ad (
μsi
emen
s/cm
)
tiempo (t)
Prueba #1 Conductividad
86
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Co
nd
uct
ivid
ad (
μsi
emen
s/cm
)
Tiempo (t)
Prueba #2 Conductividad
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Co
nd
uct
ivid
ad (
μsi
emen
s/cm
)
Tiempo (t)
Prueba #3 Conductividad
87
Figura 12- Prueba #1 conductividad vs. tiempo
pH
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Co
nd
uct
ivid
ad (
μsi
eme
ns/
cm)
Tiempo (t)
Conductividad vs tiempo
Conductividad prueba#1
conductividad prueba#2
Conductividad Prueba#3
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
Tiempo (t)
Prueba #1 pH
88
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
Tiempo (t)
Prueba #2 pH
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
Tiempo (t)
Prueba #3 pH
89
Figura 13- Prueba pH vs. tiempo
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
Tiempo (t)
pH vs Tiempo
pH prueba #1 pH prueba #2 pH prueba #3
90
DISEÑO DE ESTRUCTURA METALICA SOPORTE DE EQUIPO DE INTERCAMBIO IONICO
MATERIALES
Ángulos de acero de 1/2" x 1/2" con calibre de 1/8”
91
PLANO TABLERO ELÉCTRICO.
92
DISCUSIONES
Mediante las pruebas realizadas para la verificación del buen funcionamiento del equipo (tres pruebas mostradas en las figuras 12, 13 y 14) se logró observar el comportamiento de las variables tales como conductividad y pH con respecto al paso del tiempo. En la primera y segunda prueba (Figura 12 y13), se obtuvieron valores relativamente bajos de conductividad (un rango entre 10 y 20 ppm TDS), pero el valor obtenido para pH estuvo elevado (12-14) dando como resultado un pH básico; este valor de pH se debía a que la resina aniónica aún conservaba un porcentaje del NaOH que no fue removido en el proceso de enjuague o lavado después de la activación de la resina. Para remover el exceso de solución regenerante en la resina aniónica (exceso de NaOH), fue necesario suministrar agua destilada a través el equipo por un tiempo suficiente y posteriormente volver a retomar las pruebas.
En una tercera prueba (Figura 14), después de haber circulado el agua destilada , el producto final obtenido presentó valores óptimos tanto de conductividad como de pH (conductividad de 10 TDS y pH entre 8.5 y 9), gracias a estos valores de pH y conductividad, el agua obtenida clasifica como agua de buena calidad para uso en calderas, pero lo más importante va a suplir las necesidades que presentan los laboratorios de la Universidad San Buenaventura Seccional Cartagena.
93
CONCLUSIONES
El agua desmineralizada obtenida de la unidad es un agua con excelente calidad ya que su contenido de minerales, sales y sólidos totales disueltos es muy bajo y además posee el pH adecuado para diferentes usos como por ejemplo el agua que se usa para calderas. Se observó que el efluente de agua de la resina catiónica , presenta un pH bajo (ácido) y con un sabor carbonatado; lo anterior se debe a que la resina catiónica retiene los cationes y agrega iones hidrogeno al agua, alterando su pH a un pH ácido (6-6,5); el sabor carbonatado particular se debe a la presencia de los carbonatos y bicarbonatos que al unirse con los iones hidrógeno agregados por la resina, forma acido carbónico y este a su vez se descompone en moléculas de agua y CO2. La implementación del tren de intercambio iónico en el laboratorio de operaciones unitarias es un avance muy importante , no solo para ingeniería química sino también para otros laboratorios de las diferentes carreras que necesiten en sus prácticas el uso de agua destilada o desionizada ya que gracias a este equipo se pueden producir grandes volúmenes de agua desmineralizada en un corto periodo de tiempo , lo cual no pasa con el destilador que existe actualmente en la Universiddad ya que éste presenta un mayor tiempo de operación y solo produce el agua destilada en pequeños volúmenes.
94
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98
ANEXOS
ANALISIS FISICOQUIMICO
FECHA DEL MUESTREO 21-III-2018
EMPRESA ELENA NARVAEZ
TIPO DE MUESTRA Agua
ANÁLISIS Fisicoquímicos
RECOLECTOR Personal de la empresa
FISICOQUIMICO
PARÁMETROS
MÉTODO
AGUA V. REF
(Agua Potable)
pH SM 4500-H+B 7.4 6.5 – 9.0
Alcalinidad Total (CaCO3) mg/L SM 2320 B 49.6 <100 mg/L
Cloruros (Cl.) mg/L SM 4500-C1D 25.4 <250 mg/L
Dureza Total (CaCO3) mg/L SM 2340 C 61.2 <300 mg/L
Dureza Cálcica (CaCO3) mg/L SM 3500-Ca B 43.2 < 60 mg/L
Conductividad (microsim/cm2) SM 2510 B 227 <1000.microsim/cm2
Sulfatos (SO4) mg/L Fotométrico 23 <250 mg/L
Manganeso mg/L Fotométrico 4.4 < 0.1 mg/
TDS mg/L Electrométrico 108.2 <500 mg/L
Turbidez SM 2130 B 0.671 <2.0 NTU
Atentamente
Análisis M icrobiológicos y Fisicoquímicos de Aguas y Lácteos - M icrobiología de Alimentos- Asesoría en Control de Calidad-
Fisicoquímicos de Suelos www.laboratoriomigueltorres.com
ANALISIS FISICOQUIMICO DE AGUAS
99
FICHAS TECNICAS
REGULADOR DE AIRE
100
CONDUCTIMETRO
101
MANOMETROS
102
INFLADOR
103
BOMBAS #1 y #2
104
RESINA ANIONICA LEWAIT MONOPLUS M 500
105
106
RESINA CATIONICA LEWAIT MONOPLUS S108
107
108
CARBÓN ACTIVADO DE ORIGEN MINERAL
Método de activación: Vapor a alta temperatura. Materia prima: Lignito (Mineral) Tamaño de grano (mallas): polvo, 70,32,20,16,12,9,6,4. 8x30 y 1 a 1 ½ mm. 12* 40. ESPECIFICACIONES 4CL -70H NORMA
Densidad aparente (g/cc) 0-45-0.52: Norma ASTM 2854
Área superficial específica (m2/g) 750: Norma BET H2
Volumen de poro (cc(/g) 0.35-0.36
PH en agua 8.0.-8.5
Cenizas (%) Max. 12.0: Norma ASTM 2886
Resistencia a la abrasión (%) 87: Norma ASTM 3802
Humedad al empaque (%) Max. 3.5: Norma ASTM 2867
Densidad aparente (mg 12/g): Norma 700 JIS Granulometría: Malla Nº 6 = 3.36 mm Malla Nº 1 a 1 ½ mm = 2.00 mm Malla Nº 16 = .1.00 mm Malla Nº 100 = En polvo. Malla 4x8 = Pasante malla 4 retiene 8 Malla Nº 8-10 = 2 – 3 mm Aplicación y usos: El carbón Activado es utilizado principalmente en el tratamiento de aguas. Características: 1. Adsorción 2. Deodorización 3. Decoloración 4. Purificación *Purificación de aguas y afluentes Industriales. *Purificación de aceites vegetales. *Purificación y recuperación de solventes. *Purificación de azúcar. *Elaboración de derivados del Petróleo. *Elaboración de Gaseosas. *Elaboración de Jugos. *Elaboración de bebidas alcohólicas. Es también utilizado en los filtros para la extracción de olores de cocinas, y neveras; para acuarios, étc. Activación del Carbón Activado: Temperatura: 900 grados Cº, 1Kg. Vapor/ Kg.Cº Activado Lavados ácidos o alcalinos pueden ser utilizados en función del contaminante retenido.
109
HOJA DE SEGURIDAD CARBÓN ACTIVADO.
1. Identificación de producto Sinónimos: Carbón Activo granulado Presentación: Empacado en sacos de 25 kg 2. Identificación de los peligros Sustancia no peligrosa según Reglamento (CE) 1907/2006 3.Composición/Información de los componentes Denominación: Carbón Activo granulado Fórmula: C M.=12,01 CAS [7440-44-0] Número CE (EINECS): 231-153-3 4. Primeros auxilios 4.1 Contacto con la piel: Lavar abundantemente con agua. Quitarse las ropas contaminadas. 4.2 Ojos: Lavar con agua abundante manteniendo los párpados abiertos. 4.3 Ingestión: Por ingestión de grandes cantidades: En caso de malestar, pedir atención médica. 5. Medidas de lucha contra incendio 5.1 Medios de extinción adecuados: Agua. Dióxido de carbono (CO ). Espuma. Polvo seco. 2 5.2 Riesgos especiales El material del empaque en el que viene el carbón activado puede ser combustible. 6. Manipulación y almacenamiento 6.1 Manipulación: Sin indicaciones particulares 6.2 Almacenamiento: Recipientes bien cerrados. Ambiente seco. Temperatura ambiente 7. Información toxicológica 7.1 Efectos peligrosos para la salud: No son de esperar características peligrosas. Observar las precauciones habituales en el manejo de productos químicos 8. Información Ecológica 8.1 Ecotoxicidad : Medio receptor : Riesgo para el medio acuático = ---- Riesgo para el medio terrestre = ---- 8.2 Degradabilidad : Clasificación sobre degradación biótica :
110
DBO /DQO Biodegradabilidad = ----- 5 Degradación abiótica según pH : ------- 8.3 Acumulación : Bioacumulación : Riesgo = ----- 8.4 Otros posibles efectos sobre el medio natural : Producto insoluble en agua. Manteniendo las condiciones adecuadas de manejo no cabe esperar problemas ecológicos. 9. Información relativa al transporte El material no debe ser transportado con materiales que puedes contaminarlo, que sean altamente húmedos o de olores fuertes. 10. Propiedades físicas y químicas Aspecto: Sólido negro Olor: Inodoro PH X6 (50 g/l) Solubilidad: Insoluble en agua
111
PFD TREN DE INTERCAMBIO IONICO
112
MANUAL DE
OPERACIÓN DE
TREN DE INTERCAMBIO IONICO
PROYECTADO POR: ANGIE TATIANA MOTTA HERNANDEZ, JAIR JOSE LAMBRAÑO SOLANO, ELENA CAROLINA NARVAEZ DE LA ROSA
113
INTRODUCCIÓN.
El intercambio iónico es un proceso que tiene muchas aplicaciones en los diferentes tipos de
industrias como farmacéutica, minera, tratamiento de aguas, entre otras. Este equipo fue
construido principalmente con el fin de desmineralizar el agua potable que llega a la Universidad
San Buenaventura Seccional Cartagena.
Se tomó la determinación de construir este equipo con el fin de poner en práctica los temas dados
en la materia de operaciones unitarias ya que el laboratorio del Parque Tecnológico de la
Universidad no cuenta con este equipo para la aplicación de las bases teóricas correspondientes
a esta unidad.
Se diseñó un manual de operación del equipo con el propósito de dar un mejor uso y cuidado a la
unidad y también para facilitarle al usuario su funcionamiento.
114
BASES TEÓRICAS.
El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-
sólido. Involucra la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido por intercambio o
desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas
a grupos funcionales superficiales.
Esta operación será usada para la desmineralización del agua en la Universidad San
Buenaventura Seccional Cartagena con el fin de obtener agua desionizada, también conocida
como agua desmineralizada, la cual es un agua libre de iones minerales, tales como: cationes de
sodio, calcio, hierro, cobre, etc. y aniones tales como cloruro, sulfato, nitrato, Etc. Son comunes
iones presentes en el agua.
La desionización es un proceso físico que utiliza resinas de intercambio iónico en el que se
sustituyen las sales y minerales en el agua, H + iones OH. En el agua los elementos más pequeños
son las sales, por lo que requiere un tratamiento poco convencional, la desionización produce un
agua de alta pureza que es generalmente similar a la del agua destilada.
115
OBJETIVOS.
OBJETIVO GENERAL:
Estudiar el comportamiento de un sistema de lechos fijos constituidos por dos resinas de
intercambio iónico puestas en operación en Columna, con las cuales se eliminarán los cationes y
aniones presentes en una corriente de agua potable.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Obtener bajos valores de conductividad en el producto final (agua desmineralizada).
Graficar diferentes parámetros para observar su comportamiento.
Analizar los resultados de las gráficas anteriores para comprender el fundamento teórico.
116
PROCESO DE OPERACIÓN DEL EQUIPO.
Llenar el tanque de alimentación con agua.
Conectar el equipo.
Energizar el equipo (verifique que los botones de luz piloto rojo queden encendidos).
Revisar parada de emergencia y desactivarla en caso de que no alumbren los botones rojos
de luz piloto.
Revisar que la primera válvula de compuerta esté totalmente cerrada y la segunda esté
totalmente abierta.
Revisar que la válvula de recirculación se encuentre abierta.
Encender bomba 1 y recircular el agua al tangue.
Cerrar gradualmente valvula de recirculación e ir graduando el flujo aproximadamente entre
8 y 10 L/min, utilizando la válvula de compuerta número 1.
Encender bomba 2 y soplador cuando el agua llegue al desgasificador.
Medir conductividad y pH cada cierto lapso de tiempo.
Tomar muestras de agua provenientes del lecho de resina catiónica y medir su pH.
Apagar bomba 1, bomba 2 y soplador cuando ya se tenga el agua desmineralizada (con
una conductividad baja).
117
CUESTIONARIO.
Realizar una gráfica de Conductividad vs tiempo y analizar los resultados
Realizar una gráfica de pH vs conductividad y analizar los resultados.
Realizar gráfica de pH vs tiempo y analizar los resultados.
Tomar una muestra del agua efluente del lecho de la resina catiónica, medir su pH, observar
y dar una explicación del resultado obtenido.
El desgasificador es utilizado para eliminar el CO2 presente en el agua, pero ¿Cuál es la
causa de la formación de CO2 en el agua?
118
HOJA DE DATOS
Tiempo Flujo
(L/min)
Salida pH saida resina
cationica
PRESIÓN (PSI)
pH Conductividad
(EC) COLUMNA
1 COLUMNA
2 COLUMNA 3 COLUMNA 4
119
MANUAL DE
MANTENIMIENTO DE
TREN DE INTERCAMBIO IONICO
PROYECTADO POR: ANGIE TATIANA MOTTA HERNANDEZ, JAIR JOSE LAMBRAÑO SOLANO, ELENA CAROLINA NARVAEZ DE LA ROSA
120
INTRODUCCIÓN.
Todos los equipos (industriales, de laboratorio, entre otros), están propensos a dañarse o deteriorarse con el tiempo; cada una de estas unidades presenta una vida útil, en la cual el equipo se aprovecha al máximo para alcanzar su objetivo; por ésta última razón es necesario someterlo a un mantenimiento de forma frecuente con el fin de alargar o conservar su vida útil para seguir obteniendo beneficios del mismo. En el mantenimiento se contempla la estructura, funcionamiento, ubicación, impacto ambiental, lista de partes y repuestos del equipo para un mejor sostenimiento. En el siguiente manual se especifica la forma como deben regenerarse las resinas de intercambio iónico y se dan ciertas recomendaciones para algunos problemas típicos que pueden presentarse en un tren de intercambio iónico.
121
OBJETIVOS.
Conocer la forma apropiada de regenerar las resinas de intercambio iónico mediante el uso de HCL y NaOH para obtener mejores resultados en la calidad del agua tratada. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Observar si la resina se encuentra en estado de saturación (si la conductividad del agua tratada
no varía mucho con respecto a la conductividad del agua inicial, significa que ya es hora de la
regeneración).
Agregar HCl a la resina catiónica para su regeneración.
Agregar NaOH a la resina aniónica para su regeneración.
Enjuagar las resinas de intercambio iónico.
122
MANTENIMIENTO DEL TREN DE INTERCAMBIO IÓNICO.
REGENERACIÓN DE LAS RESINAS:
PASOS GENERALES PARA REGENERAR RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO:
Retrolavado.
Se hace pasar agua en el sentido inverso para descompactar la resina, eliminar finos, y eliminar caminos preferenciales. La velocidad de retrolavado se indica en cada ficha técnica, según el tipo de resina que se está utilizando (para la resina aniónica Lewatit M500 la velocidad de retrolavado es de 7 m/h y para la resina catiónica Lewatit S108 es de 15 m/h).
Paso del regenerante.
Antes de iniciar el paso del regenerante se debe asegurar que el filtro este lleno de agua. Después de preparar la solución regenerante, según indicado arriba, en cantidad y concentración recomendada en la ficha técnica; se procede a pasar dicha solución a través del lecho de resina; a una velocidad de aprox. 5 m/h. (Para calcular esta velocidad se divide el Caudal en m3/h entre el área transversal del filtro en m2) El uso de concentraciones de regenerante por debajo de las recomendadas en la ficha técnica, o de velocidades de paso considerablemente más altas reducen la efectividad de la regeneración. Normalmente el paso de regenerante se hace de arriba hacia abajo, a través del filtro; sin embargo hay otros procesos (Contra-corriente), que dependen de la resina y del equipo que se esté usando.
Enjuague.
Se efectúa un enjuague con agua a fin de eliminar el exceso de regenerante y colocar a punto la resina para su trabajo normal. La cantidad de agua necesaria para el enjuague se indica en la ficha técnica de cada resina. La velocidad de enjuague debe ser inicialmente la misma velocidad de regeneración, y cuando se haya pasado el 50% del agua de enjuague se puede aumentar el caudal a la velocidad de trabajo normal del equipo, hasta obtener las condiciones requeridas de la resina. Efectuar el enjuague con agua sin tratar causa saturación parcial de la resina, la cual se debe tener en cuenta para los cálculos de capacidad de la resina. Si es posible, es mejor usar agua desmineralizada para estos enjuagues, o por los menos agua decationizada para los filtros catiónicos y desmineralizada para los aniónicos. (La cantidad de agua para el enjuague de la resina Lewatit S108 es de 6 BV y la de la resina Lewatit M500 es de 10 BV).
123
PASOS ESPECÍFICOS PARA REGENERAR LAS RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
CORRESPONDIENTES AL EQUIPO CONSTRUIDO:
Desmontar las columnas de resina catiónica y aniónica, desenroscando las uniones
universales de cada columna correspondiente.
Retire las abrazaderas metálicas que sujetan las columnas de resina a la estructura mediante
la herramienta más adecuada.
Desenroscar únicamente las uniones hembra de PVC de 3 pulgadas de la parte superior de
las columnas de resina, utilizando la mejor herramienta.
Disponer de recipientes con un contenido de agua destilada o desionizada para el enjuague de
cada lecho de resina
Enjuagar la resina con agua destilada.
Retirar la resina del tubo y agregarla a un tanque con la solución regenerante ya preparada,
(para el caso de la resina catiónica S108, regenerarla en una solución de 100 g de HCl/ litro de
resina a una concentración entre 6 y 10% en peso y para el caso de la resina aniónica M500,
regenerarla en una solución de 100 g de NaOH/litro de resina a una concentración entre 3 y
5% en peso).
Agitar por varios minutos y esperar un tiempo determinado para que se lleve a cabo de forma
adecuada la reacción reversible y la resina pueda volver a su estado original (1 a 2 horas).
Extraer la resina de manera cuidadosa y colocarla en un tamiz (número de malla 40 U.S.STD.
Sieve).
Enjuagar la resina con abundante agua destilada o desionizada para eliminar el exceso de
solución regenerante.
124
MANTENIMIENTO DE LA BOMBA:
No arranque la bomba antes de llenarla de agua totalmente
No toque la electrobomba a menos que este desconectarla eléctricamente.
No desmonte el cuerpo de la bomba sin vaciar el agua totalmente.
Gire el ventilador antes de arrancarla, asegúrese que la bomba gira suavemente.
Desenrosque el tapón de cebado.
Llene totalmente la tubería de succión y el cuerpo de la bomba con agua limpia.
Asegúrese que el aire se haya evacuado completamente y luego apriete nuevamente el tapón
de cebado.
El registro debe estar totalmente cerrado antes de arrancar la bomba.
Arranque la bomba.
Después de arrancar la bomba y asegurarse que está operando normalmente, abra
suavemente el registro y ajústelo de acuerdo a los parámetros de la bomba. El caudal y la
presión de operación se muestran en la placa de la bomba.
125
Atención: 1) Si después de 5 minutos del arranque de la bomba el agua no fluye en la cantidad y presión esperadas, de acuerdo a las características de la bomba, apáguela, revise que no haya escapes de agua en la tubería de succión, que la válvula de pie esté libre de obstrucciones y que selle adecuadamente. Repita el proceso anterior. 2) En caso de congelamiento del agua abra el tapón de drenaje arranque brevemente la bomba para evacuar el agua, después ajuste el tapón, llene la bomba y arránquela nuevamente. 3) En caso que la electrobomba no se vaya a usar por largo tiempo, vacié el agua de la bomba, recubra el cuerpo de la bomba, el impulsor y el plato porta sello con aceite anticorrosivo. Colóquela en un lugar seco y ventilado. 4) Cuando se vuelva a usar después de estar guardada por un largo periodo, arranque la bomba siguiendo los pasos de procedimiento anterior. 5) En sitios o épocas con temperaturas muy altas ponga especial atención a la ventilación. Evite la condensación sobre los contactos eléctricos; esto puede causar fallas eléctricas. 6) Si se presentan ruidos y vibraciones anormales, apague la bomba inmediatamente y acuda a su servicio técnico.
PROBLEMAS Y SOLUCIONES EN BOMBAS.
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MANTENIMIENTO TABLERO ELECTRICO 1. GENERALIDADES Con el fin de conservar en buen estado funcional los interruptores principales y derivados, contactores, botoneras, y en general todos los elementos que integran un tablero, se realiza el servicio de mantenimiento preventivo, el cual consiste en la revisión física, limpieza general, apriete de conexiones, así como pruebas mecánicas y eléctricas. 2. DESCRIPCION DE ACTIVIDADES • Maniobras de des-energización y puesta a tierra. • Revisión y limpieza del gabinete, cables, aisladores, interruptores electromagneticos, termomagnéticos y demás componentes que integran el tablero. • Revisión del sistema de tierras y apriete de conexiones en general. • Pruebas de operación mecánica de interruptor(es) principal(es) y derivados. • Medición de resistencia de aislamiento de interruptores electromagneticos (megóhmetro). • Medición de resistencia de contactos (micro-óhmetro) del interruptor principal e interruptores electromagnéticos. • Revisión final, retiro de puesta a tierra y energización. • Entrega de constancia de servicio realizado. 3. EQUIPOS • Personal tecnico calificado y equipado. • Equipos de medición y prueba calibrados. • Apriete de conexiones con torquímetro. • Uso de equipo de protección personal.
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PROBLEMAS TÍPICOS EN UN TREN DE
INTERCAMBIO IÓNICO Y
RECOMENDACIONES.
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PROBLEMAS OPERACIONALES CAUSAS ORIGEN DE LAS CAUSAS RECOMENDACIONES
Medición errónea del volumen de agua tratadoFallas en ajuste o funcionamiento de integradores, contadores,
medidores de flujo, etc.
Calibración periódica de todos los equipos de
medición
Mal control de flujo de retrolavado produce arrastresMedicón del volumen anualmente (Considerar
hinchamiento y contracción de resina)
Fuga por rompimiento o desajuste de colectores Calibrar el flujo de retrolavado
Rompimiento de partículas Revisión de fugas en colectores
Arrastre de resina degradada (oxidación por cloro) Reponer resina hasta nivel normal
Acumulación de lodos, sólidos suspendidos, finos de resinas, etc.Retrolavado con tapa de registro abierto y/ o lavado
con detergente y dispersante.
Precipitación de sulfato de calcio Monitoreo de concentración de H2SO4
Colectores o distribuidores obstruidos Revisión y limpieza de distribuidores y colectores
Formación de colinas o valles en la resina
Cambios estacionales (sequía, concentración, lluvia, dilución)Análisis químico periódico del agua de
alimentación
Contaminación de acuíferosRealizar simulación en un software (Software
Ixcalc)
Descargas aguas arriba (aguas superficiales)Si hay cambios drásticos adecuar condiciones de
operación
Nivel insuficiente de regeneraciónMonitorear volumen de regenerante por
regeneración
Baja concentración de regeneranteMedir concentración de regenerante durante la
inyección
Insuficiente tiempo de contactoChequear flujo y tiempo de inyección de
regenerante( realizar curvas de elusión)
Revisión de diseño hidráulico de la unidad
Eliminación de finos con retrolavado con tapa de
registro abierto
Pérdida de grupos funcionales
Oxidación, la cual se puede dar por hidrólisis debido a las altas
temperaturas, puede provocar hinchamiento o deformación de la
resina, la oxidación tambien se puede dar por cloro residual en
agua de alimentación.
Remover cloro con carbón activado o agente
reductor
Si es por lodos se hace un retrolavado con registro
abierto
Si es por hierro, se hace un lavado con HCl al 10%
Si es por sulfato de calcio, se hace un lavado con
HCl al 10% o agua desmineralizada
Si es por aceite, se hace un lavado con detergente
Si es por materia orgánica, se lava con salmuera
alcalina (10%NaCl + 2% NaOH)
Si es por carbonatos Ca/Mg, se hace un lavado con
HCl al 5%
Ensuciamiento
Deterioro de las resinas
CICLOS CORTOS DE PRODUCCIÓN
Pérdida de resina
Canalizaciones o vías preferenciales
Cambio en carga iónica del agua de alimentación
Variación de procedimientos de regeneración
Rompimiento físico de las perlas
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Incremento en la proporción de sodio en total de cationesAnálisis químico periódico del agua de
alimentación
Mayor fuga de sodio del catión Correr simulación en software
Aumento de contenido de sílice respecto al total de anionesSi hay cambios drásticos adecuar condiciones de
operación
Mayor fuga de sílice del anión
Equipos regenerados en co-corriente son mas afectados que los
regenerados en contra-corriente
Precipitacones inorgánicas producen fugas durante el servicio
CaSO4 en las catiónicas, carbonatos de Ca y Mg y Sílice en aniónicas
Análisis de resina para chequear precipitaciones
inorgánicas o materia orgánica
Lavado con salmuera alcalina
Regeneración doble en caliente para disolver Sílice
polimerizada (max 38°C)
Cambios en el nivel de regeneración, flujo de inyección, niveles
de enjuague, prolongación de ciclos de servicio, etc. Insuficiencia
de regenerante incrementa fuga de iones.
Si se han hecho cambios voluntarios en
procedimientos ver impacto en simulación con
software.
Cambios en calidad de los regenerantes, menos concentración,
sodio en el acido, CO2 en la soda, etc.
Chequear periódicamente especificaciones de los
regenerantes.
Fallas en valvulas que permiten el paso de agua sinn tratar al agua
tratada
Chequear estado de válvulas y tomar muestra de
agua a la salida de la misma y analizar
Corrosión en unidades y descarbonatador incorporan hierro al
agua
Chequear unidades y tuberías su estado de
corrosión
Distribuidores o trampas de resina obstruidos
Acumulación de sólidos en suspensión en la resina
Perlas rotas y finos acumuladas
Precipitación de CaSO4
Resina oxidada
Cambios en condiciones de regeneracíon
Fallas mecánicas y /o hidráulicas
BAJA CALIDAD DEL AGUA TRATADA
AUMENTO DE CAÍDA DE PRESIÓN O REDUCCIÓN DE
FLUJO
Cambios en contenido iónico del agua de
alimentación
Ensuciamiento de las resinasAcumulación de materia orgánica en aniónicas genera fugas,
bloqueo de grupos funcionales
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CRONOGRAMA
OBJETIVOS ACTIVIDAD
MES
FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO
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1. Caracterizar mediante un
análisis físico-químico el
agua a tratar en el tren de intercambio
iónico
análisis fisicoquimico del agua a tratar
2. Determinar parámetros de diseño del tren de intercambio
iónico.
revisión bibliografica
seleccionar caracteristicas de la Resina anionica y cationica en base a los resultados arrojados por el analisis fisicoquimico del agua
establecer variables de operación
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para el diseño del tren de intercambio ionico
3. Construir el tren de
intercambio iónico según parámetros de diseño
compra Resina y carbón activado
compra conductimetro y rotametro
compra de materiales de construccion del equipo (tuberia, soportes)
compra de materiales electricos para le funcionamiento del equipo (bombas, soplador, cableado, panel de control)
transporte materiales a universidad de San Buenaventura
ensamble de equipo en soporte
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4. Elaborar manual de operación y
mantenimiento del equipo
puesta en marcha del equipo para pruebas de laboratorio
redacción de pautas para el uso del equipo tren de intercambio ionico
redaccion de pautas para el mantenimiento del equipo tren de intercambio ionico
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IMAGENES
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