Cur So Osmosis

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T T r r a a t t a a m m i i e e n n t t o o d d e e A A g g u u a a p p o o r r S S i i s s t t e e m m a a s s d d e e O O s s m m o o s s i i s s I I n n v v e e r r s s a a Tecnología de Materiales, Div Amb 2005

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Cur So Osmosis

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Page 1: Cur So Osmosis

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Tecnología de Materiales, Div Amb 2005

Page 2: Cur So Osmosis

Tratamiento de Agua por Sistemas de Osmosis Inversa

I) Fundamentos Teóricos Introducción. Metodología, Enfoque y Perspectiva Histórica. Agua : Concepto y Caracterización (TDS / TSS / TH / pH / NTU / SDI) Osmosis Natural y Osmosis Inversa Espectro de Filtración / Osmosis Inversa como Hiperfiltro La Membrana Osmótica : Tipos, Dimensiones, Construcción, Materiales.

II) Aplicaciones de la Osmosis Inversa Alimentación de agua para Calderas y Generadores de Vapor Procesos Industriales / Circuitos de Enfriamiento / Make-Up Agua Ultra Pura para Aplicaciones Específicas ( pretratamiento de Desionizador ) Agua como insumo (Bebidas / Farmaceutica / Alimentos) Potabilización para consumo humano / Desalinización de agua de mar. Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración. Reciclaje/ Obtención de insumos ( Concentrador ) Reciclaje / Tratamiento de efluentes restringidos

III) Planta de Osmosis Inversa ; Componentes y Equipo Pretratamiento ( Acondicionamiento Físico / Químico ) Sección de Osmosis Inversa Post-Tratamiento ( alcanzar los requerimientos del producto final ) Aspectos de Diseño (Calidad de agua Disponible Calidad de Agua Requerida)

Page 3: Cur So Osmosis

Especificaciones Técnicas Generales de Equipo Programas de Predicción de Resultados ( Ropro / RoDesign ) Aspectos de Operación, Monitoreo y Data Logging Aspectos de Mantenimiento Nivel (I) / (II). IV) Ventajas y Desventajas de la Osmosis Inversa frente a otras Tecnologías. Costo Operativo ( $ / m3 ) Costo de Capital Amplio espectro de Remoción Pérdida de Agua (% recovery) Regulaciones Ambientales Background Local Mínima Infraestructura Confiabilidad del sistema Flexibilidad Amplio Rango de Capacidades Compacticidad / Movilidad Operación autónoma

Page 4: Cur So Osmosis

Perspectiva Histórica de la Tecnología R/O

-Primera aplicación, Dr Sourirajan, UCLA 1960

-Primera patente ( membrana en espiral ) 1965

-Membrana de poliamida compuesta TFC 1974

-Primera planta Desalinizadora ( Jeddha ) 1978

Evolución de Tamaños de Plantas de Osmosis :

Jeddha ( Arabia Saudita ) 12,000 m3/D ( 1978 ) Yuma plant ( Colorado River, USA ) 285,000 m3/D ( 1985 ) Refinería de Talara ( Talara, Perú ) 3,000 m3/D ( 2001 ) Desalinizadora Antofagasta ( Chile ) 50,000 m3/D ( 2003 ) Desalinizadora Codelco El Teniente ( Chile ) 40,000 m3/D ( 2004 ) CM Yanacocha ( Perú ) 6,000 m3/D ( 2004 ) Desalinizadora Mlipo ( Perú ) 2,000 m3/D ( 2005 - 2006 )

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Propiedades físicas y químicas del agua

Propiedades físicas:

Estado físico : sólida, liquida y gaseosa

Color : incolora ; Sabor : insípida ; Olor : inodora

Densidad: 1 g./c.c. a 4°C Punto de congelación: 0°C Punto de ebullición: 100°C

El agua químicamente pura es un liquido inodoro e insípido; incoloro y transparente en capas de poco espesor, toma color azul cuando se mira a través de espesores de seis y ocho metros, porque absorbe las radiaciones rojas. Sus constantes físicas sirvieron para marcar los puntos de referencia de la escala termométrica Centígrada. A la presión atmosférica de 760 milímetros el agua hierve a temperatura de 100°C; el calor de vaporización del agua asciende a 539 calorías/gramo a 100°. Mientras que el hielo funde en cuanto se calienta por encima de su punto de fusión, el agua liquida se mantiene sin solidificarse algunos grados por debajo de la temperatura de cristalización (agua subenfriada) y puede conservarse liquida a –20° en tubos capilares o en condiciones extraordinarias de reposo. La solidificación del agua va acompañada de desprendimiento de 79,4 calorías por cada gramo de agua que se solidifica. Cristaliza en el sistema hexagonal y adopta formas diferentes, según las condiciones de cristalización. A consecuencia de su elevado calor especifico y de la gran cantidad de calor que pone en juego cuando cambia su estado, el agua obra de excelente regulador de temperatura en la superficie de la Tierra y más en las regiones marinas. Su presión de vapor crece con rapidez a medida que la temperatura se eleva y su volumen ofrece la particularidad de ser mínimo a 4°. A dicha temperatura la densidad del agua es máxima, y se ha tomado por unidad. A partir de 4° no sólo se dilata cuando la temperatura se eleva,. sino también cuando se enfría hasta 0°: a esta temperatura su densidad es 0,99980 y al congelarse desciende bruscamente hacia 0,9168, que es la densidad del hielo a 0°, lo que significa que en la cristalización su volumen aumenta en un 9 por 100. - Reacciona con los óxidos ácidos - Reacciona con los óxidos básicos - Reacciona con los metales - Reacciona con los no metales - Forma Hidratos con las Sales.

Page 6: Cur So Osmosis

Normas EPA secundarias para Agua Potable ( National Secondary Drinking Water Regulations )

Contaminant Secondary Standard

Aluminum 0.05 to 0.2 mg/L

Chloride 250 mg/L

Color 15 (color units)

Copper 1.0 mg/L

Corrosivity noncorrosive

Fluoride 2.0 mg/L

Foaming Agents 0.5 mg/L

Iron 0.3 mg/L

Manganese 0.05 mg/L

Odor 3 threshold odor number

PH 6.5-8.5

Silver 0.10 mg/L

Sulfate 250 mg/L

Total Dissolved Solids 500 mg/L

Zinc 5 mg/L

(*) National Secondary Drinking Water Regulations (NSDWRs or secondary standards) are non-enforceable guidelines regulating contaminants that may cause cosmetic effects (such as skin or tooth discoloration) or aesthetic effects (such as taste, odor, or color) in drinking water. EPA recommends secondary standards to water systems but does not require systems to comply. However, states may choose to adopt them as enforceable standards.

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Típico Análisis de Agua (net feed) para diseño de Osmosis Inversa

KOCH Membrane Systems, Inc. ROPRO Ver. 7.0-CP Date: Sep-23-2003

Project: SnSebastian Description: R/O for Boiler

Prepared By: Project Engineer Type: Single Pass Design

ARRAY SUMMARY – PASS 1

Permeate Flow 75.0 USGPM Temp (Design/Avg) 25.0/ 25.0 Deg C

Pass Recovery 60.0 % Fouling Allowance (FA) 10.0 %

Inlet Press w/o FA 152.4 Psig conc. Pres w/o FA 119.7 Psig

Inlet Pres w/FA 166.0 Psig

Tubes Elems Elems Elem Boost Manifold Perm Back

Bank Element Type /Bank /Tube /Bank Age Pressure Loss Pressure

(#) (#) (#) (Yr) (Psig) (Psig) (Psig)

1 TFC 8822HR-400 3 3 9 3.00 0.0 0.0 0.0

2 TFC 8822HR-400 2 3 6 3.00 0.0 0.0 0.0

3 TFC 8822HR-400 1 3 3 3.00 0.0 0.0 0.0

Total Tube Total Tube Avg Inlet Avg Bank Final

Bank Feed Feed Conc. Conc. Flux Pres NDP DP Element

(GPM) (GPM) (GPM) (GPM) (GFD) (Psig) (Psig) (Psig) Beta

1 125.0 41.7 83.2 27.7 16.7 152.4 127.3 8.1 1.100

2 83.2 41.6 59.5 29.8 14.2 144.3 109.9 8.5 1.079

3 59.5 59.5 50.0 50.0 11.5 135.8 89.3 16.1 1.037

System

Net Feed RO Inlet Conc. Permeate

Stream Number 4 5 18 13

Concentration (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)

Ca++ 265.00 265.00 659.92 1.72

Mg++ 95.00 95.00 236.57 0.62

Na+ 315.00 315.00 780.04 4.97

K+ 0.00 0.00 0.00 0.00

NH4+ 0.00 0.00 0.00 0.00

Sr++ 0.00 0.00 0.00 0.00

Ba++ 0.00 0.00 0.00 0.00

Fe++ 0.00 0.00 0.00 0.00

Mn++ 0.00 0.00 0.00 0.00

CO3- - 0.00 0.01 0.02 0.00

HCO3- 260.00 98.03 242.43 3.48

SO4- - 420.00 420.00 1046.39 2.41

C1- 750.00 844.12 2095.88 9.61

NO3- 0.00 0.00 0.00 0.00

F- 0.00 0.00 0.00 0.00

SiO2 32.00 32.00 79.37 0.42

CO2 42.20 159.12 159.10 157.89

Sum of Ions 2137.00 2069.15 5140.63 23.22

TDS (180 C) 2004.70 2019.27 5017.28 21.45

pH 7.00 6.00 6.39 4.55

Hardness (as CaCO3) 1052.99 1052.99 2622.22 6.84

Osm Pressure (Psig) 16.82 16.82 41.76 0.21

Langelier Index 0.28 -1.15 0.06 -6.41

Stiff–Davis Index --- --- -0.34 ---

Page 8: Cur So Osmosis

Proceso de Osmosis Natural o Directa

Osmosis : Proceso natural mediante el cual moléculas de agua fluyen a través de una membrana semipermeable, desde una solución de baja concentración a otra de mayor concentración. Es una búsqueda natural de equilibrio de concentraciones y ocurre a igual presión en ambos lados.

...

. . .

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......

..

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...

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..

Membrana

Semipermeable

Solución

concentrada

Solución Diluída

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Proceso de Osmosis Inversa

Osmosis Inversa : Proceso mediante el cual se revierte el flujo de moléculas de agua a través de la membrana semipermeable, como resultado de aplicar presión a la solución de mayor concentración. Es posible entonces obtener agua pura a partir de una solución de alta concentración a través de un método mecánico.

Presión

...

. . .

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......

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...

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..

Membrana

Semipermeable

Solución de alta

concentración

Agua pura

Page 10: Cur So Osmosis

Flujos en una sección de Osmosis Inversa

( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 1 ) Alimentación 100 % ( 2 ) Producto 35 % ~ 85% ( 3 ) Rechazo 65 % ~ 15 %

Page 11: Cur So Osmosis

Tipos de Membranas de Osmosis Inversa

- COMPUESTO QUIMICO : Poliamida Compuesta ( TFC )

TFC Alto / Medio / Bajo rechazo

Acetato de Celulosa

Poliolefina Aromática

Polisulfona

- DIMENSIONALMENTE ( Diámetro x Longitud ) 8”x 40”

8”x 60”

4”x 40”

2 ½”x 40”

- OTROS TIPOS ( FORMA ) Placas planas / Paralelas

Page 12: Cur So Osmosis

Disposición Constructiva de la Membrana TFC de

Enrollamiento en Espiral

Dirección de los flujos dentro del módulo ( Flujo Cruzado )

Page 13: Cur So Osmosis

Procesos de Tratamiento de agua por Tecnología de Membranas de mayor uso en la Industria

Ultrafiltration. Ultrafiltration (UF) is a similar process to RO and NF, but is

defined as a crossflow process that does not reject ions. UF rejects contaminants in the range of 1000 dalton (10 angstrom) to 0.1 micron particles. Because of the larger pore size in the membrane, UF requires a much lower operating pressure: 10 to 100 psig (0.7 to 6.9 bar). UF removes organics, bacteria, and pyrogens while allowing most ions and small organics, such as glucose, to permeate the porous structure

Nanofiltration. Nanofiltration (NF) equipment removes organic compounds in

the 300 to 1,000 molecular weight range, rejecting selected salts (typically divalent), and passing more water at lower pressure operations than RO systems. NF economically softens water without the pollution of salt-regenerated systems and provides unique organic desalting capabilities.

Reverse Osmosis. Reverse osmosis (RO) was the first crossflow membrane

separation process to be widely commercialized. RO removes virtually all organic compounds and 90 to 99% of all ions. A large selection of reverse osmosis membranes are available to meet varying rejection requirements.

RO can meet most water standards with a single-pass system and the highest standards with a double-pass system. RO rejects 99.9+% of viruses, bacteria and pyrogens. Pressure, on the order of 200 to 1,000 psig (13.8 to 68.9 bar), is the driving force of the RO purification process. It is much more energy efficient compared to heat-driven purification (distillation) and more efficient than the strong chemicals required for ion exchange. No energy-intensive phase change is required.

Page 14: Cur So Osmosis

Ventajas y Desventajas de la Osmosis Inversa frente a otras Tecnologías de uso Industrial

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Costo operativo ($/m3) Costo de Capital Amplio espectro de Remoción Pérdida de Agua (%Recovery) Regulaciones Ambientales Background Local Mínima infraestructura Confiabilidad del Sistema Flexibilidad Amplio Rango de Capacidades Compacticidad / Movilidad Operación Autónoma

Page 15: Cur So Osmosis

Especificación tipica, Membranas de 4” y 8” para agua

Brackish ( pozo salobre )

Test Conditions The stated performance is initial (data taken after 30 minutes of operation), based on the following conditions:

NaCl Solution, PPM 1500 Applied Pressure, psig (MPa) 225 psi (1.55) Operating Temperature, °F (°C) 77° (25°) Permeate Recovery 15% pH Range 6.5-7.0

Application Data

Maximum Applied Pressure, psig (MPa) 600 (4.14) Maximum Feed Flow, GPM (m3/h) 4040-16(3.6), 8-inch-75(17.0) Maximum Operating Temperature, °F (°C) 113° (45°) Feedwater pH Range* 3.0-10.0 Maximum Feedwater Turbidity, NTU 1.0 Maximum Feedwater SDI (15 mins) 5.0 Maximum Chlorine Concentration, PPM <0.1 Maximum Ratio of Concentrate to Permeate Flow for Any Element 5:1 Maximum Pressure Drop for Each Element, psig 10 *See technical literature for extended pH tolerance

Element Performance Element

Type Min. Salt

Rej., % Nom. Salt Rej.,

% Permeate

Flow, GPD (m3/d)

CPA2 99.2 99.5 10,000 (37.9) CPA2-4040 99.2 99.5 2,250 (8.5) CPA2-HR 99.6 99.7 10,000 (37.8) CPA3 99.6 99.7 11,000 (41.6) CPA4 99.5 99.7* 6,000 (22.7) *Average rejection per order.

Page 16: Cur So Osmosis

Especificación tipica, Membranas de 4” y 8” para agua

de Mar ( 35,000 Mg/Lt TDS )

Test Conditions The stated performance is intial (data taken after 30 minutes of operation), based on the following conditions:

NaCl Solution, PPM 32,000 Applied Pressure, psig (MPa) 800 psi (5.5) Operating Temperature, °F (°C) 77° (25°) Permeate Recovery 10% pH Range 6.5 - 7.0

Application Data

Maximum Applied Pressure, psig (MPa) 1200 (8.27) Maximum Feed Flow, GPM (m3/h) 4040-16(3.6), 8-inch-75(17.0) Maximum Operating Temperature, °F (°C) 113° (45°) Feedwater pH Range* 3.0-10.0 Maximum Feedwater Turbidity, NTU 1.0 Maximum Feedwater SDI (15 mins) 5.0 Maximum Chlorine Concentration, PPM <0.1 Maximum Ratio of Concentrate to Permeate Flow for Any Element 5:1 Maximum Pressure Drop for Each Element, psig 10 *See technical literature for extended pH tolerance

Element Performance Element

Type Min. Salt

Rej., % Nom. Salt

Rej., % Permeate

Flow, GPD (m3/d) SWC1 99.5 99.6 5,000 (18.9) SWC1-

4040 99.5 99.6 1,200 (4.5)

SWC3 99.5 99.7 5,900 (22.33) SWC3+ 99.7 99.8 7,000 (26.5) SWC4 99.7 99.8 5,500 (20.81) SWC4+ 99.7 99.8 6,500 (24.6

Page 17: Cur So Osmosis

II) Aplicaciones de la Osmosis Inversa

Todo proceso donde se requiera eliminar / reducir eficientemente el contenido de sólidos disueltos, impurezas y carga bacteriana presentes en el agua o líquido disponible. - Alimentación de agua para Calderas y Generadores de Vapor - Procesos Industriales / Circuitos de Enfriamiento / Make-Up - Agua Ultra Pura para Aplicaciones Específicas ( pretratamiento de Desionizador ) - Agua como insumo (Bebidas / Farmaceutica / Alimentos) - Potabilización para consumo humano / Desalinización de agua de mar. - Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración. - Reciclaje / Obtención de insumos ( Concentrador ) - Reciclaje / Tratamiento de efluentes restringidos

Page 18: Cur So Osmosis

III) Planta de Osmosis Inversa ; Componentes y Equipo

Pretratamiento ( Acondicionamiento Físico / Químico )

- Acondicionamiento Mecánico ( ejemplo : filtración ) - Acondicionamiento Biológico ( ejemplo : esterilización )

- Acondicionamiento Químico ( ejemplo : ajuste de pH + antincrustante )

Sección de Osmosis Inversa

Post-Tratamiento (alcanzar los requerimientos del agua final)

- Ajuste de pH - Post-cloración o Re-esterilización

- Polishing mecánico ( ejempo : filtro absoluto 0.2u )

- Polishing por resinas de intercambio iónico ( obtención de Agua Ultrapura )

Page 19: Cur So Osmosis

Especificaciones Técnicas Generales de Equipo

Filtro Multimedia de alto Rendimiento, rating < 10 u Tanque de presión construído en acero bajo carbono c/revestimiento interno

Control automático enlazado al PLC central

Panel c/aislamiento NEMA 4 o equivalente

Sistema de retrolavado automático iniicado por delta de presión y/o timer

Sistema de control c/capacidad para backwash manual / auto

Dosificador de químicos completo (Bomba electrónica, Tk, Sensor nivel)

Unidad de Osmosis Inversa

Sistema de control automático central via PLC c/alarmas

Panel de control c/aislamiento NEMA 4 y señalización a sub-componentes

Input/Output para encendido / apagado automático por controles de nivel

Bomba multietápica vertical / horizontal de fácil mantenimiento, inox # 316.

Motor eléctrico Heavy Duty de servicio pesado, aislamento TEFC

Monitor de Conductividad digital en permeado ( agua osmotizada )

Alarma de alta conductividad en el permeado

Monitor de pH digital on-line en agua de alimentación ( feed ) c/alarma

Sistema de Control Integrado para todos los equipos y componentes

Arrancadores y sistema de protección de bombas externas (feed & product)

Control automático de alternancia de bombas (f & p) desde el panel central

Chasis de fibra de vidrio estructural (FRP) con hardware inoxidable

Pre-Filtro de cartuchos de 5 micras, housing de acero inoxidable

Lineas alta / baja en acero inox # 304 / PVC XS

Housings de membranas Code-Line o Eq de FRP

Sensores c/Alarmas de corte de protección por Alta y Baja presión

Señalización para control de equipo externo (Filtros / Dosificadores )

Flush (ejuague) Automático de Membranas

Rotámetros / Analizadores de Flujo para Producto y Rechazo

Juego completo de manómetros de presion (Inlet / Intermediate / Outlet)

Conecciones pre-montadas para la estación de limpieza CIP

Válvula automática de aislamiento de la sección