1. Introducción El significado de la ósmosis inversa es muy simple; se toma agua que contiene iones disueltos u otros contaminantes y al aplicársele presión forzándola través de una membrana, el agua queda libre de toda impureza. Debido a que la membrana no está dotada de poros grandes, el agua tiene que espar-cirse en la membrana y pasar por difusión a través de la misma. Al permear el agua por la membrana, deja atrás todas sus sales, y otras impurezas, tales como coloides, organismos microbiológicos, sales, entre otros, de esta manera, la membrana produce una filtración del agua que se alimenta. El agua que ha permeado queda prácticamente pura, hasta tal punto que no es apta para el consumo humano y debe ser remineralizada nuevamente para poder ser consumida, sin embargo el agua ultrapura en-cuentra aplicaciones farmacéuticas, para calderas de alta presión, industrias cosméticas entre otras. Es importante resaltar que esta tecnología ha sido utilizada desde hace más de 50 años; las innova-ciones en términos de optimización y operatividad son casi nulas en la literatura hoy por hoy [1].

Hasta el momento no se ha mencionado el con-cepto de la ósmosis directa. Este proceso, el cual ocurre de manera espontánea en la naturaleza, es el transporte de agua de zonas de baja concentra-ción de impurezas a zonas de alta concentración a través de una membrana semipermeable [2]. Te-niendo en cuanta lo hasta ahora mencionado, para que se dé el flujo de agua en la ósmosis se debe vencer una presión, la cual se denomina presión osmótica. Las Figuras 1 y 2 ilustran la diferencia entre la ósmosis directa y la ósmosis inversa.

Fig.    1.  Ósmosis  directa.  

 

         .

Fig.    2.  Ósmosis  inversa.

Diseño conceptual y desarrollo de recursos electrónicos para plantas estandarizadas de ósmosis inversa.

S. Colmenares*, W.L. Vargas* & G.V. García**

*Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia **Osmo Equipos, Bogotá, Colombia

ABSTRACT: The following article is the outcome of the design of 13 standardized reverse osmosis plants us-ing the historical successful and non-successful quotes of Osmo’s commercial department. The flux for theses plants was set to be between 10-16 GPM and the recuperations of 75%. The plants were simulated using Hy-dranautics®’ ROdesign software, then with the results of the simulations, the detailed engineering of these plants was developed. It finally ends with the explanation on how this information is going to be contained in a mobile device App named iOsmo 1.0.

La ósmosis inversa a nivel industrial es un pro-ceso continuo que tiene siempre 3 corrientes: una de agua cruda (alimentación al sistema) y dos de salida. Hasta el momento se han mencionado 2: la de agua cruda, con alto contenido de impurezas y la de permeado, prácticamente libre de impurezas, la tercera corriente es la que se conoce como el re-chazo o concentrado, esta corriente arrastra de manera continua (cuando es operada correctamen-te) todas las sales presentes en la corriente de ali-mentación [3]. En el proceso de diseño de un siste-ma de tratamiento de agua por ósmosis las primeras consideraciones a tener en cuenta son el caudal de agua a tratar, las propiedades fisicoquí-micas de dicha agua y las características del agua de producto requeridas, pues es diferente el siste-ma si se requiere agua para consumo humano que para calderas a alta presión.

Otras consideraciones importantes son el área superficial de las membranas para efectuar la sepa-ración, la cual se expresa en GFD (galo-nes/pie2/día). Desde un punto de vista práctico el área superficial de la membrana es solamente una indicación del caudal de agua producto que se está pasando cada día por cada unidad de área de su-perficie de membrana [4].

Adicionalmente al área superficial de las mem-branas, otra consideración de diseño importante es el porcentaje de recuperación del sistema, este se conoce como el porcentaje de agua alimentada que se extrae como producto, este debe su importancia al hecho de que una selección incorrecta del por-centaje de recuperación lleva a incrustamientos de sales, pues por cada 5 unidades porcentuales que aumente el porcentaje de recuperación incrementa exponencialmente la concentración de sales en el concentrado aumentando la incrustación de sales en el sistema lo cual reduce su eficiencia [4].

Un último criterio de tan vital importancia como los ya mencionados, es la temperatura del agua, ya que una modificación en esta en unos pocos grados Celsius modificaría la presión de alimentación re-querida, esto se debe a que a medida que la tempe-ratura aumenta, el agua puede permear a través de la membrana más fácilmente, de hecho la presión de operación disminuye un 4% por cada grado Cel-sius que aumenta la temperatura [5].

2. Osmo Equipos Osmo Equipos, con más de 5 años de experiencia en el área de tratamiento de agua, se posiciona hoy como líder entre las PYMES en Colombia en la apli-cación de tecnologías de ósmosis inversa en toda una variedad de sectores en los que se requiere tra-tar agua de proceso o agua de deshecho. En el sec-tor de bebidas Osmo tiene clientes como Coca Cola Femsa, Postobón, Bavaria, en el sector alimenticio tiene clientes como el Ingenio Risaralda e Ingenio la

Cabaña, otros clientes son Pacific Rubiales, Kim-berly Clark, Permoda, Ecolab, Petrotiger, Mansaro-var entre otros. Es importante resaltar que Osmo no se dedica únicamente al diseño e implementa-ción de tecnologías de ósmosis inversa, sino tam-bién al diseño y operación de otros sistemas de tra-tamiento de agua como clarificadores, sistemas DAF, filtros de arena, carbón activado y cáscara de nuez, microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y electrodesionizadores continuos. Por otro lado se comercializan todos los consumibles (químicos, membranas etc.), elementos de instrumentación (medidores de flujo, turbidez etc.) y equipos (bom-bas, compresores, lámparas ultravioleta) involucra-dos en la operación de estas plantas [6].

Actualmente Osmo diseña las plantas de ósmo-sis inversa basada en las necesidades individuales de sus clientes, apoyándose particularmente en los criterios de diseño anteriormente mencionados; es decir cada planta es nueva y única en su formula-ción y diseño. No obstante, se ha encontrado que es posible lanzar una línea de productos estándar que pueda evitar el a veces demorado proceso de diseño a la medida de plantas de ósmosis inversa y ubicar las necesidades del cliente dentro de unos márge-nes de caudal, propiedades de agua cruda y pro-piedades de agua permeada, y de esta manera se-leccionar uno de los productos prediseñados, lo cual se traduciría en reducir considerablemente el tiempo de cotización de propuestas, eso a su vez se vería reflejado en darle una respuesta casi que in-mediata a los clientes interesados en sistemas de ósmosis inversa. Sin duda alguna la inclusión de un catálogo de productos estándar no reemplazaría por completo el proceso de diseño según las necesi-dades particulares de clientes con necesidades par-ticulares, puesto que se ha observado que algunos clientes tienen necesidades muy específicas para sus plantas de tratamiento de agua como podrían ser, sistemas a prueba de explosión según normati-vidades vigentes (NEC, NFPA), materiales particula-res de fabricación de componentes, marcas especí-ficas de bombas o de instrumentación, velocidades de tubería explícitas, distintas normatividades de seguridad industrial, entre otros. Sin embargo, in-cluso partiendo del diseño de plantas estandariza-das de ósmosis inversa, el diseño de una planta con características especiales sería únicamente la modi-ficación de una de las plantas presentes en el catá-logo.

Una extensión idónea para este tipo de auxilio para la selección de equipos prediseñados, sería sin lugar a duda una interfaz virtual mediante la cual el usuario pudiese introducir el caudal del agua pu-ra que desea obtener. En este orden de ideas y te-niendo en cuenta la versatilidad de las nuevas tec-nologías electrónicas, en particular de las aplicaciones para teléfonos móviles y tabletas, el desarrollo de una aplicación para dichos dispositi-

vos la cual pudiese sugerir una planta de ósmosis resultaría ser muy práctica. 3. Metodología Los conceptos básicos de ósmosis inversa que se tuvieron en cuenta para el diseño y simulación de las plantas estandarizadas de ósmosis inversa se explican a continuación. Las simulaciones se efec-tuaron en el software IMSdesign de Hydranautics®, se escogió este software esencialmente por la alian-za que Osmo Equipos S.A.S tiene con Hydranau-tics®, alianza mediante la cual Osmo obtiene tarifas más bajas en membranas en comparación a las ta-rifas que Dow®, General Electric®, entre otras ofre-cen. Para la elaboración del catálogo virtual se em-pleó el ambiente de desarrollo Xcode® diseñado por Apple®, este ambiente de desarrollo emplea la pro-gramación orientada a objetos mediante un lengua-je de programación relativamente nuevo denomina-do Objective-C [7]. Se buscó que cada una de las plantas estándar fuese un objeto en el programa, cada una con sus atributos (caudal, presión de operación, instrumentación. 3.1 Consideraciones de diseño

3.1.1 Área superficial de las membranas Para obtener una producción específica, este factor es una de las más importantes consideraciones de diseño a ser tenidas en cuenta. La productividad en galones por día por pie cuadrado GFD (unidades estándar), es la variable de diseño clave para define si la planta tiene un diseño conservador o no, este factor es mejor conocido como flux del sistema. Desde un punto de vista práctico, GFD es una indi-cación de la cantidad de agua permeada diaria que pasa a través de cada unidad de área de superficie de membrana [8]. Sería idóneo que este factor fuese extremadamente alto para reducir el área de las membranas (lo que se traduce en menores costos por cantidad membranas), no obstante un flux mal seleccionado lleva a que se corran dos riesgos: (1) se necesitan limpiezas más frecuentes de las mem-branas, las cuales se llevan a cabo con químicos que acortan la vida útil de las membranas (2) Se acumularán sales en la membrana lo que reducirá el desempeño de la membrana. En este orden de ideas, resulta claro que la relación ente el flux y el ensuciamiento es directa [8].

En conclusión, la cantidad de agua a tratar por unidad de área de membrana (flux), estará deter-minado principalmente por la calidad de agua que se le alimente al sistema y la frecuencia de lavados que se desee. Una selección de flux entre 5.5 y 9 es correcto para aguas negras, entre 7 y 9.5 GFD es correcto para agua de mar superficial, entre 17.5 y 23 GFD es correcto para aguas permeadas de ós-

mosis, estos valores por supuesto pueden aumen-tar (reduciendo el tamaño del equipo) si se le da un pretratamiento extenso al agua antes de ser ali-mentada a los procesos de ósmosis. En este orden de ideas, el valor del flux es un parámetro ya esta-blecido para cada tipo de agua por los fabricantes de las membranas, la Tabla 1 muestra el flux que debe ser seleccionado según el agua a tratar.

El flux de una planta de ósmosis inversa se ob-

tiene dividiendo el flujo de permeado en galones por día entre el área total de membranas que dicha planta tenga; la Ecuación 1 muestra más claramen-te esta relación.

(1)

El área de cada membrana es un valor estándar

encontrado en las fichas técnicas de los fabrican-tes, a continuación se presentan las áreas de mem-branas de uso común en Osmo y en la industria de tratamiento de aguas.

 

             Tabla  2.  Propiedades  de  membranas  de  uso  común.  

 

Fig.    3.  Dimensiones  de  membranas  de  OI.

La manera más común de manipular el flux es modificando la presión de operación de la bomba que alimenta la ósmosis, la Figura 4 ilustra cómo se comporta el flux respecto a la presión que se aplique a las membranas. Como se explicó antes las tecnologías de ósmosis inversa involucran apli-car presión a un sistema para superar la presión osmótica natural, el aumento de dicha presión a partir del punto en el que se superará la presión osmótica generará un aumento lineal del flux.

Tabla  1.  Flux  de  Fuentes  de  agua  comunes. Fuente GFD

Permeado  de  RO 17.5-­‐23Depósito  sálobre 15-­‐19Agua  superficial  sálobre 10-­‐16.5Agua  de  Mar 7-­‐9.5Agua  de  deshecho 5.5-­‐9

Fig.    4.  Comportamiento  del  flux  con  respecto  a  la  presión.  

3.1.2 Porcentaje de recuperación Sería extraordinario que el 100% del agua que in-gresara a un sistema de ósmosis inversa se obtu-viera como producto sin generar ninguna pérdida, sin embargo, esto no es posible, de hecho el nivel de recuperación del agua de alimentación es un importante factor de diseño a ser tenido en cuenta a la hora de trabajar con sistemas de osmosis in-versa. La correcta operación de una planta de ós-mosis depende de la extracción continua de la can-tidad necesario de agua rica en sales que se extrajeron de la corriente de alimentación por el concentrado con el flujo y velocidad adecuada para expulsar casi toda la suciedad de la membrana. De esta manera, el incrustamiento de sales sería mí-nimo. En el hipotético caso de que se operara una planta de osmosis inversa al 100% de recuperación, en muy poco tiempo comenzarían a precipitarse las sales poco solubles como los sulfatos y los carbona-tos de calcio y magnesio (y posteriormente todas las demás sales), lo cual llevaría a un incrustamiento en las membranas, provocando una caída de ren-dimiento en el sistema. El porcentaje de recupera-ción se ve más claro con la Ecuación 2.

(2)

Según aumenta la recuperación de la planta de

ósmosis inversa, aumenta la concentración de sales en el rechazo, la Figura 5 ilustra cómo cambia la concentración del concentrado de acuerdo al au-mento en la recuperación.

Fig.    5.  Comportamiento  de  la  concentración  de  sales  con  respecto  al  porcentaje  de  recuperación  de  la  planta.

Otra manera de ver esto es que si se tiene una concentración inicial de sales de 1000 ppm y la planta opera al 95% de recuperación, el rechazo tendrá una concentración de 20000 ppm de sales, a tan elevada concentración, el agua no podrá disol-ver todas las sales, y muy posiblemente se forma-rían incrustaciones sobre las membranas reducien-do su desempeño. La recuperación por tanto no debe superar el límite de precipitación de sales (ín-dices de Langelier y Stiff & Davis); como se puede apreciar en la gráfica de la Figura 5, por cada au-mento de la recuperación, la concentración de sales en el rechazo aumenta en un factor mucho mayor, especialmente acercándose a porcentajes de recu-peración elevados, lo que se traduce en que llegará un momento en que se saturará el agua y no podrá disolver más sales, esto implicaría formación de cristales sobre las membranas [9].

Existe una característica de diseño íntimamente relacionada con el flux y la recuperación, esta se conoce como el Factor Beta. Cuando el agua fluye a través de la membranas las zonas más pegadas a los límites de esta tenderán a tener una fricción mayor, por lo que se tenderá a haber una acumula-ción de sales, el exceso de sales deberá generar una concentración no superior al 30% de la concentra-ción en el rechazo, es decir que el Factor Beta no debería ser mayor a 1.4, esto para evitar incrusta-mientos que reduzcan la eficiencia del proceso [10].

3.1.3 Diseño de bombas

La función más importante de una bomba para la alimentación de una planta de ósmosis inversa es sin duda su capacidad de generar elevadas presio-nes para permitir que el agua permee a través de la membrana y produzca el caudal de recuperación requerido, si la bomba no fuese capaz de ejercer la suficiente presión, no se cumpliría la especificación de recuperación o aún peor, toda el agua sería eva-cuada por el rechazo [11].

Como se mencionó anteriormente, una de las presiones que se deben vencer para permitir que el agua se difunda por la membrana y se extraiga por el permeado se denomina presión osmótica π. Esta se calcula mediante la ecuación que se muestra a continuación [1].

(3)

Donde mi es la concentración molal (molalidad) de las distintas sustancia disueltas en el agua, re-cordando que molalidad son las moles de soluto di-vidido en un kilogramo se solución.

Además de esta presión, para que haya flujo en el permeado, debe vencerse la caída de presión que las membranas generan (del orden de 10 psig por

elemento) y finalmente dar el punto de operación que se requiere. La siguientes ecuaciones muestran la presión neta que la bomba debe ser capaz de producir y el caudal de agua en el permeado [2].

(4)

(5) Donde A, es la constante de permeabilidad de

agua y es función del tipo de polímero que se em-plee y del grueso de la membrana, a es el área total de la membrana y DP es la caída de presión por fricción etc. Como era de esperarse, a mayor pre-sión de la bomba de alimentación a un porcentaje de recuperación constante, mayor será el flujo de agua permeada.

En el cálculo de la presión de alimentación siempre se despreció la cabeza adicional por fric-ción de la tubería ya que el tramo de tubería entre la bomba y su descarga nunca es superior a tres metros en los sistemas de ósmosis inversa. Esto puede observarse mediante la ecuación de Hazen-William, donde L es la longitud del tubo en pies, C es el factor de rugosidad q es el caudal y dh es el diámetro interno de la tubería [12].

(6)

Si se emplease la Ecuación 6 para calcular la

caída de presión en una tubería de PVC (C=140) y en una tubería de acero inoxidable 304 (C=100) por la que fluyen 5 metro cúbicos por hora a una velo-cidad de 2 metros por segundo (velocidad que se emplea comúnmente en las tuberías de plantas de ósmosis inversa), para lo cual se debe emplear una tubería de 1 ½ pulgadas como se verá en la si-guiente sección, la caída de presión sería inferior a 1 metro. Según esto, despreciar la caída de presión por fricción dependerá del diseño de tubería.

Otra consideración importante en el diseño de la bomba es su NPSH (Net positive suction head), el cual indica la cabeza de succión mínima que la bomba debe tener para evitar la cavitación que acorta considerablemente la vida de los impulsores de la bomba, este valor se establece a las curvas de rendimiento del proveedor específico de las bombas Grundfos el cual es el principal proveedor de bom-bas para Osmo.

3.1.4 Diseño de tuberías

Para la selección de tuberías (diámetros y materia-les) deben considerarse principalmente 4 zonas en las plantas: la alimentación, el rechazo, el permea-do y el sistema CIP. Las dos primeras son las zonas de alta presión, las cuales deben resistir presiones superiores a los 100 psig, lo cual impide forzó a

emplear tuberías de acero, por lo tanto para estas zonas se seleccionó tubería en acero inoxidable 304. En el caso de las zonas de baja presión, CIP (Clean in place) y permeado, el material selecciona-do para las tuberías es PVC para reducir costos.

El diámetro de las tuberías se seleccionó de la siguiente manera [12]:

(7)

Donde Q, es el caudal que fluirá a través de la

tubería y v es la velocidad media de flujo. Una velo-cidad adecuada para los sistemas de ósmosis inver-sa son 2 m/s para todas las zonas. 3.1.5 Selección de instrumentación y válvulas

Transmisores de Presión/Switch de presión

Los transmisores de presión se emplean en las ós-mosis para mostrar la presión de operación en al-guna parte del proceso, estos pueden también utili-zarse para encender y apagar la bomba de alta presión y para abrir y cerrar válvulas. La marca más comúnmente empleada por Osmo es Danfoss, Por otro lado un presóstato o switch de presión únicamente enviará instrucciones a las bombas y/o válvulas de acuerdo al setpoint que se le dé a este. La razón esencial para usar uno o el otro es su dife-rencia en costos.

Rotámetros/Transmisores de flujo

Es importante conocer en todo momento de la ope-ración los flujos de las 3 corrientes de la ósmosis para mantener el porcentaje de recuperación en el punto que se desee, además el flujo señala si las membranas están sucias. Se prefiere por lo general rotámetros en equipos grandes de ósmosis para es-te efecto. Para el caso de rotámetros la marca más reconocida es Blue White®, en el caso de medidores de flujo, existen diversas marcas como Krhone®, Siemens®, Hach®, Endress-Hausser®, se seleccio-nó Hach® por Osmo ser distribuidor de esta marca.

Conductímetros

Debido a que la función principal de la ósmosis in-versa es desmineralizar agua, la conductividad es una señal del grado de pureza del agua que se está obteniendo, es por esto que en una ósmosis por lo general se instala un medidor de conductividad en la corriente de alimentación y en la corriente de permeado. Las marcas más comunes de estos dis-positivos son Krhone®, Siemens®, Hach®, Endress-

Hausser®. se seleccionó Hach® por Osmo ser dis-tribuidor de esta marca.

Medidores de pH

Aguas con alto pH son incrustantes mientras que las aguas con muy bajo pH son corrosivas, en este orden de ideas, la motivación principal para poner este tipo de instrumentación es el cuidado de las membranas. Por lo general se ubica en la alimenta-ción y en el permeado. Se seleccionó la marca Hach®

Medidores de Temperatura

Se decidió no incluir medidores de temperatura en ninguna de las plantas estandarizadas, puesto que pese a que le temperatura tenga una seria inciden-cia en el flux de la planta, las perturbaciones por temperatura se presentan muy rara vez en los sis-temas hídricos para los cuales las plantas de ósmo-sis inversa fueron diseñados (agua superficial sálo-bre). 3.1.6 Otras consideraciones de diseño Para evitar que partículas de gran tamaño lleguen a la ósmosis por lo general se instalan microfiltros de 1 a 5 micras antes de la succión de la bomba de al-ta presión, la única consideración a ser tenida en cuenta para la selección de un microfilltro es el caudal de agua a ser microfiltrada. Las marcas más comúnmente empleadas son Big Blue® o Shel-co®.

Adicionalmente, todas las plantas contaran con un sistema de limpieza CIP (clean in place) que constará de un tanque (con sensores de nivel), un microfiltro de 20 micras y una bomba centrífuga.

3.2 Desarrollo del software

Para el desarrollo de la aplicación se buscó que la aplicación efectuara la búsqueda de la planta se-

gún los requerimientos del usuario siguiendo la ejecución de un método con la forma IF. 4. Resultados 4.1 Selección de intervalo

Según el histórico de cotizaciones de Osmo del año 2012 y lo corrido del 2013, las plantas que la em-presa cotizó se ubican dentro de un rango de 1 m3/h y 70 m3/h, a continuación se exponen los da-tos de cotizaciones exitosas y no exitosas durante 2012 y el primer semestre de 2013.

Tabla  3.  Cotizaciones  exitosas  y  no  exitosas  durante  el  2012  y  el  pri-­‐mer  semestre  de  2013.  

De acuerdo al análisis histórico de ventas y coti-

zaciones de Osmo, se encontró que los flujos ade-cuados para estandarizar los equipos fueron: 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70 m3/h, la primera planta (1 m3/h) resultó no ser viable como se verá más adelante, por lo cual su análisis se omite en algunas gráficas y tablas. Dichos flujos corresponden en realidad al punto medio de opera-ción de cada una de las plantas estándar que se di-señaron, en este orden de ideas, las plantas traba-jarían dentro de un rango de flujos. Para la selección de estos puntos de operación se dividió el rango en plantas pequeñas y plantas grandes, las plantas grandes son aquellas de flujo mayor o igual a 15 m3/h. Las razones principales para dividir las plantas en este punto son dos: (1) se decidió que a partir de este punto las plantas tendrían un tipo de instrumentación mejor en cuanto a fabricante y tecnología y (2) se le aplicaría un margen de utili-dad mayor a las plantas a partir de este punto puesto que su tiempo de fabricación supera los 2 meses aproximadamente, es decir que después de este tiempo, se hará necesario el pago de dos nómi-nas. Las plantas pequeñas tendrían un salto (de punto medio a punto medio) menor y este iría cre-ciendo hasta llegar a la planta más grande. De igual manera se buscó que el rango se ampliara mientras la planta fuese más grande. La Tabla 4 resume los intervalos de flujos que cada una de las plantas se-ría capaz de tratar.

                                     Tabla  4.  Rangos  establecidos    de  las  plantas  estándar.  

Planta Rango  de  operación  (m3h) Tamaño  del  rango  (m3h)3 2/3.5 15 3.5/5.5 27 5.5/7.5 210 7.5/12.5 515 12.5/17.5 520 17.5/22.5 525 22.5/27.5 530 27.5/32.5 535 32.5/42.5 1040 35/45 1050 45/55 1060 55/65 1070 65/75 10

Caudal  de  permeado  requerido  (m3/h) Fuente  del  agua

Pollos  el  Bucanero 66 PozoMcCain 60 PozoPostobón  Bello 60 AcueductoPostobón  Yumbo 55 PozoMichelín  de  Colombia 45 AcueductoLaboratorios  LaSanté 45 PozoHalliburton 40 PozoIngenio  Risaralda 35 RíoBavaria  Tocancipá 30 AcueductoNestle  Venezuela 30 AcueductoPetrotiger 25 RíoEcopetrol 20 AcueductoPostobón  Malambo 15 AcueductoKimberly  Barbosa 15 AcueductoCoca  Cola  Femsa  Tocancipá 13 RíoPacific  Rubiales 10 RíoIngenio  la  Cabaña 8 PozoPermoda 6 AcueductoCoca  Cola  Femsa  Fontibón 5 PozoNestle  Florencia 4 RioKimberly  (Papeles  del  Cauca) 3 RioPetrobras 2.5 RioUniversal  Osmosis 1 Pozo

Este intervalo se seleccionó de manera que (1) se

fuese ampliando mientras la planta fuese más grande y (2) abarcara de manera aproximadamente uniforme las cotizaciones históricas ya mostradas.

4.2 Diseño de plantas A partir de este momento se le llamará sistema primario a todos aquellos sistemas que compren-dan la planta como tal (bombas, vasos de presión, membranas etc.) a todo lo demás se le llamará sis-temas secundarios. 4.2.1 Diseño de sistemas primarios En el caso del flux se decidió escoger que este estu-viese siempre entre 10 y 16.5 GFD como flux medio para todas las plantas puesto que todas las fuentes hídricas que se consideran en el intervalo (Tabla 3) caen dentro del mismo grupo de tipos de agua (aguas superficiales salobres), esto implica que las membranas permearan 10 a 16 galones de agua por pie cuadrado al día. Una razón por la cual fue necesario seleccionar el flux dentro de un rango es que una de las condiciones para que el equipo fue-se estándar fue que los tubos de presión tuviesen todos una longitud igual para la planta (lo que im-plica igual número de elementos) es decir que una planta no podría tener un paso de 3 elementos y el otro de 2. Para las simulaciones se escogió una conductividad de 1500 ppm de sal para efectuar los diseños de las plantas el cual es el punto sobre el que se calculan los parámetros de las fichas técni-cas de las membranas para medir su desempeño, por lo cual sería el punto más estándar.

El segundo paso fue fijar un porcentaje de recu-peración sobre el cual todas las plantas iban a tra-bajar, para seleccionar un porcentaje de recupera-ción se buscó un punto en el cual todas las plantas tuviesen el caudal suficiente en el rechazo para arrastrar las sales por el concentrado. Este se defi-nió en 75% para todas las plantas, es decir que de acuerdo a la definición de porcentaje de recupera-ción en una planta de ósmosis inversa, los caudales de todas las corrientes para cada una de las plan-tas se muestran en la Tabla 5:

Hay que recordar que los flujos de permeado que se seleccionaron (y que están incluidos en la tabla anterior, corresponden a los puntos medios de ope-ración de las plantas, de igual manera entonces, los valores de los flujos de alimentación y rechazo, co-rresponden a los valores medios de estas corrien-tes.

Una vez definidas estos dos factores se procedió

a diseñar la red de membranas y vasos de presión empleando el software de Hydranautics® ROdesign, los resultados de cada una de las simulaciones de las plantas se incluyen en el ANEXO 1 del CD que acompaña este documento.

Por supuesto, existe una infinidad de configura-ciones que podrían satisfacer las propiedades de recuperación y flux, por lo que este programa em-plea una subrutina de optimización que permite encontrar la configuración óptima siguiendo un modelo MINLP (non-convex mathematial program-ming model) en términos de ambos costo de capital (número de membranas y vasos de presión) y cos-tos operativos (tamaño de las bombas). Mientras se cumplen las dos restricciones hidráulicas que se señalan a continuación [13].

(1) El flujo de rechazo por tubo de presión nunca debe ser inferior a 13 GPM. (2) El Factor Beta no debe nunca superar las 1.4 unidades. Una vez cumplidas estas restricciones el progra-ma puede optimizar las variables mencionadas y encontrar el arreglo más adecuado minimizando una función objetivo de costos. El arreglo de las membranas óptimo siguiendo las restricciones mencionadas (incluyendo el hecho que la estandarización no podría involucrar vasos de presión más largos que otros) se especifica en la Tabla 6.

NOTA: Para quienes no estén familiarizados con la nomenclatura, un arreglo 4:3(5) indica que hay 2 etapas de ósmosis, una de 4 vasos de presión y la otra de 3. Ambas con 5 membranas por vaso.

Tabla  5.  Caudales  de  las  plantas  a  un  porcentaje  de  recuperación  del  75%

Permeado  m3h Alimentación  m3h Rechazo  m3h1 1.3 0.33 4 15 6.7 1.77 9.3 2.310 13.3 3.315 20 520 26.7 6.725 33.3 8.330 40 1040 53.3 13.350 66.7 16.760 80 2070 93.3 23.3

Tabla  6.  Arreglo  de  los  sistemas  de  ósmosis.  

Para calcular estos diseños se intentó que el flux cayera siempre en el rango de agua superficial sa-lobre. Los resultados de los flux que se obtuvieron se ilustran en la Figura 6.

Fig.    6.  Flux  de  cada  planta.  

Para conseguir las propiedades ya mencionadas, el número total de membranas para cada planta se muestra en la Figura 7. Estas membranas se fija-ron para la referencia CPA5-LD la cual es la mem-brana más común para la aplicación en estudio.

Fig.    7.  Cantidad  de  membranas  por  planta.  

Es importante señalar que escalonar los flujos no representa una aproximación brusca en térmi-nos operativos de los plantas, pues las bombas de todas las plantas se encontrarían dentro de su ran-go de operación sin problema alguno, dichas bom-bas operarían con variadores de frecuencia Sie-mens® para trabajar a los distintos puntos de operación que se requieren. En el ANEXO 5 se pre-senta el caso de selección de la bomba de la planta de 7 m3 (CRN10-7), en esta se presenta el rango de operación de esta planta según la Tabla 4.

Como se mencionó esta planta debe operar des-de 5.5 hasta 7.5 m3/h, en el gráfico del ANEXO 5 se muestra la línea. Por tanto para este rango de operación la bomba debe operar entre el 90% (54 Hz) y el 92% (55.2 Hz) de su frecuencia máxima (60 Hz). Puede apreciarse que el rango que la bomba debe cubrir no es grande, sin embargo, otra moti-vación del variador de frecuencia es el hecho que a medida que las membranas se van ensuciando, el caudal se reduciría por lo que habría necesidad de que la bomba ejerciese una presión mayor, esta modificación se consigue empleando un variador de frecuencia.

Siguiendo el proceso de diseño ya descrito se efectuó el cálculo de las bombas. Aplicando la ecuación para el cálculo de la presión osmótica y teniendo en cuenta los puntos de operación de caudal de las plantas, las presiones requeridas son las que se muestran en la Figura 9. La Tabla 7 es el resultado de la selección de bombas que trabajan en el punto de operación de caudal y cabeza.

 

Fig.    8.  Presión  de  alimentación  para  cada  una  de  las  plantas.  

La concentración molal de 1500 ppm correspon-de a 0,026 moles por kilogramo de agua. Por tanto la presión osmótica asumiendo que el equipo se opera a temperatura ambiente son 10 psig aproxi-madamente. Pero, esta sería apenas la presión para que el sistema llegase al equilibrio, a esta presión hay que sumarle la presión para vencer las mem-branas y la presión de más requerida para alcanzar la recuperación deseada para el sistema.

Planta Arreglo3 1(3)5 1:1(3)7 2:1(3)10 2:1(4)15 2:1(5)20 3:2(6)25 3:2(6)30 4:3(5)35 5:3(5)40 5:3(5)50 6:3(6)60 7:4(6)70 8:5(6)

Tabla  7.  Bombas  diseñadas  para  cada  planta  con  su  respectivo  NPSH.

Las curvas de cada una de estas bombas se

muestran en el ANEXO 4. Finalmente se procedió al cálculo de tuberías y

la selección de la instrumentación. La Tabla 8 muestra los diámetros de todas las tuberías de ca-da una de las plantas calculados como se explicó anteriormente. Tabla  8.  Diámetros  de  tubería.

La Tabla 9 muestra el número y tipo de elemen-

tos de control e instrumentación seleccionados para cada una de las plantas. Para dicha selección se utilizó la instrumentación más básica requerida en una planta de ósmosis inversa. Como puede apre-ciarse, para plantas pequeñas (caudal igual o me-nor a 10 m3) se seleccionaron rotámetros para me-dir los flujos en lugar de transmisores de flujo, los cuales son piezas de equipo costosas. Además, el número de transmisores de conductividad y medi-dores de nivel (para el tanque del CIP y el tanque del químico antiincrustante) la existencia de tran-

misores de pH son las diferencias de instrumenta-ción en las plantas.

Revisando la ubicación de estos elementos en las plantas (ver ANEXO 2) para las plantas pequeñas se puede ver que todos los elementos ejecutan un control digital, por ejemplo el primer switch es de baja presión, a este se le asigna un setpoint de pre-sión de aproximadamente el NPSH de cada una de las bombas para las respectivas plantas, de esta manera, si la presi ón en la tubería está por debajo de este punto envía una señal para apagar la bom-ba de alta, todo para evitar que esta cavite, es decir su función esencial es proteger la bomba para que nunca arranque cerca a condiciones de vacío. El segundo switch es de alta presión, su función es proteger los vasos de presión y las membranas en caso de taponamiento o una incorrecta ubicación de la recuperación del sistema (controlada por la válvula de globo del concentrado). En cuanto a los switch de nivel, estos cumplen la función de apagar la bomba dosificadora cuando se agota el químico. El switch de nivel del tanque del CIP ejecuta la misma acción en caso que el tanque del CIP llegue a su nivel inferior. Finalmente las 2 válvulas que se señalan en la Tabla 9 son accionadas con un switch manual controlado desde el tablero, su función es abrir o cerrar las válvulas dependiedo de la opera-ción que se esté ejecutando (limpieza, flush, proce-so). Por otro lado, los lazos de control de las plantas grandes protegen todas las bombas del proceso de manera similar que para las plantas pequeñas, pe-ro en este caso particular se utilizan transmisores de presión para transmitir la presión en tiempo real al tablero. El único lazo adicional que las plantas grandes tienen es el de flujo de descarga de la bomba de alta presión (el cual se ve modificado por el ensuciamiento de las membranas), mediante el cual se modifica el punto de operación haciendo uso de su variador de frecuencia. Todos los demás instrumentos son transmisores al tablero para permitirle al operario ver el valor de la variable únicamente. 4.2.2 Diseño de sistemas secundarios Diseño sistema CIP

Planta Bomba  de  alta  presión Potencia  (Kw) Bomba  del  CIP Potencia  (Kw)70 CRN90-­‐4-­‐1 45 CRN90-­‐1 1560 CRN90-­‐3 37 CRN64-­‐1 1150 CRN64-­‐4 37 CRN64-­‐1 1140 CRN45-­‐4 22 CRN64-­‐1 1135 CRN45-­‐4 22 CRN45-­‐1 7.530 CRN45-­‐4 22 CRN32-­‐2 7.525 CRN32-­‐5 15 CRN32-­‐2 7.520 CRN32-­‐4 15 CRN32-­‐2 7.515 CRN20-­‐7 15 CRN20-­‐2 410 CRN15-­‐6 11 CM10-­‐2 2.57 CRN10-­‐7 5.5 CM10-­‐2 2.55 CRN5-­‐15 4 CM10-­‐3 43 CRN5-­‐11 4 CM10-­‐2 2.5

m3/h  (permeado) Alimentación Producto Rechazo Bypass CIP

3 1 1 1/2 1/2 25 1  1/2 1  1/2 1  1/2 1 1  1/27 2 2 1 1/2 210 2 2 1 1/2 1  1/215 3 2 1  1/2 1 220 3 3 1  1/2 1 325 3 3 1  1/2 1 330 4 3 2 1  1/2 335 4 3 2 1  1/2 440 4 4 2 1  1/2 450 5 4 2 1  1/2 460 5 4 3 2 470 6 5 3 2 5

Planta Válvulas Transmisor  P Trasmisor  F Transmisor  pH Transmisor  Co Medidor  nivel70 2 5 2 2 2 360 2 5 2 2 2 350 2 5 2 2 2 340 2 5 2 2 2 335 2 5 2 2 2 330 2 5 2 2 2 325 2 5 2 2 2 320 2 5 2 2 2 315 2 5 2 2 2 310 2 2 -­‐ -­‐ 1 27 2 2 -­‐ -­‐ 1 25 2 2 -­‐ -­‐ 1 23 2 2 -­‐ -­‐ 1 2

Tabla  9.  Instrumentación  de  las  plantas.

Bomba  de  alta  presión NPSH  (PSI)CRN90-­‐4-­‐1 8.54CRN90-­‐3 8.12CRN64-­‐4 7.7CRN45-­‐4 7.42CRN45-­‐4 7.28CRN45-­‐4 7CRN32-­‐5 6.58CRN32-­‐4 6.58CRN20-­‐7 6.02CRN15-­‐6 5.6CRN10-­‐7 5.04CRN5-­‐15 3.36CRN5-­‐11 3.08

Siguiendo con el diseño, se llevó a cabo el diseño del sistema CIP (clean in place) de las plantas. Cada sistema CIP consta de: (1) tanque en fibra de vidrio para preparar las soluciones de limpieza (este tan-que debe tener sistema de control de nivel), (1) bomba para hacer circular las soluciones por las membranas (seleccionada en la sección anterior) y (1) microfiltro para retener las impurezas que salen de las membranas. De acuerdo a la práctica el vo-lumen de los tanques de los sistemas CIP debe se-leccionarse siguiendo la siguiente ecuación heurís-tica:

 

(8)  

 

       La Tabla 10 muestra los volúmenes calculados de los tanques del sistema CIP.

                             Tabla  10.  Volumen  tanques  CIP  

Planta Volumen  Tanque  (m3)OI3 0.1OI5 0.2OI7 0.4OI10 0.5OI15 0.6OI20 1.1OI25 1.1OI30 1.3OI35 1.5OI40 1.7OI50 2OI60 2.4OI70 3  

 

Estos tanques contendrán las soluciones alcalinas (soda cáustica), ácidas (ácido clorhídrico) y el bioci-da para la sanetización de las membranas, el cual es aplicado preventivamente (todas las sustancias al 1% v/v) o correctivamente (todas las sustancias al 2% v/v). Por otro lado el caudal requerido por las bombas para limpiar las membranas se determina siguien-do la siguiente ecuación heurística.  

(9)  

 

       Debido a que la limpieza de las membranas se efectúa por el lado del rechazo de las mismas, no es necesario que la bomba ejerza una presión muy elevada para vencer la presión osmótica y la pre-sión transmembrana, por lo cual generalmente se selecciona una presión de 35 psi lo que hace que no sea necesaria una bomba centrífuga multietapas de alta presión y en lugar se seleccionaron bombas centrífugas de etapa única de menor costo (excepto

cuando el punto de caudal no se satisfaga, lo cual se dio en las plantas de mayor tamaño). La Tabla 11 ilustra los caudales de las bombas para cada una de las plantas.

 

 

 

 

 

 

 

 

Diseño microfiltros

Los cartuchos de microfiltración instalados en una ósmosis deben tener poros de máximo 5 micras de tamaño para retener todas aquellas partículas de tamaño mayor a este; si se le permite el paso cons-tante a partículas de tamaño superior a 5 micras, se corre el riesgo de que las membranas requieran lavados constantes lo que a su vez significa una re-ducción en la producción, además un aumento en la frecuencia en los lavados lo que acorta la vida de las membranas [18]. La selección de los filtros de una ósmosis inversa es muy sencilla, la única con-sideración a tener en cuenta es el caudal. Para las plantas estándar pequeñas se instalaron microfiltros Big Blue, mientras que para las plantas grandes se instalaron microfiltros Shelco. Los mi-crofiltros Big Blue son únicos, es decir su geometría no varía de acuerdo al caudal seleccionado, para estos se seleccionó cartuchos de plásticos de 40 pulgadas. Los microfiltros de Shelco (para las plantas grandes) se instalan en una carcasa la cual depen-diendo del caudal tiene un número y una longitud de cartuchos (filtros); estas carcasas se seleccionan siguiendo la codificación del siguiente ejemplo 7FOS2 indica que la carcasa es para 7 cartuchos de 20 pulgadas de longitud cada una. Adicionalmente se debe seleccionar el tipo de cierre y el material de la carcasa, los cuales en Osmo siempre, por eco-nomía, se han seleccionado clamp y acero inoxida-ble 304 respectivamente. La Tabla 12 muestra los microfiltros de los si-temas CIP.

Planta Caudal  bomba  CIP  (m3/h)OI3 9OI5 18OI7 27OI10 27OI15 27OI20 45OI25 45OI30 64OI35 73OI40 73OI50 82OI60 100OI70 118

Tabla  11.  Caudales  bombas  de  CIP

Tabla  12.  Selección  de  microfiltros  

Planta Microfiltro  proceso Microfiltro  CIPOI3 1''#20  Big  Blue 1''#20  Big  BlueOI5 1''#20  Big  Blue 1''#20  Big  BlueOI7 1''#20  Big  Blue 1''#20  Big  BlueOI10 1''#20  Big  Blue 1''#20  Big  BlueOI15 7FOS2 12FOS2OI20 7FOS2 12FOS3OI25 7FOS3 12FOS3OI30 7FOS3 12FOS4OI35 12FOS2 12FOS4OI40 12FOS3 12FOS4OI50 12FOS3 22FOS3OI60 12FOS4 22FOS3OI70 12FOS4 22FOS4  

 

Dosificación de químicos

Todas las plantas de ósmosis inversa deben operar-se con adición continua de un químico antiincrus-tante. Esta sustancia además de fraccionar los de-pósitos de sales en el interior de las membranas, aumenta el punto de saturación de las sales en un factor hasta de 2 lo cual contribuirá al cuidado de las membranas al favorecer más a los sólidos di-sueltos que a los suspendidos; recordando que los sistemas de ósmosis inversa se utilizan para remo-ver sales disueltas y no partículas suspendidas. Osmo obtiene su antiincrustante de Avista Techno-logies (además es distribuidor exclusivo de esta fir-ma en Colombia). Este antiincrustante se inyecta puro a la línea de alimentación de la bomba de alta después del filtro de cartucho. Para determinar la cantidad de antiincrustante que un cliente particu-lar requiera se aplica la Ecuación 10 [15].

 

(10)  

   

Donde Q es el caudal de tratamiento de agua, Cf es la concentración de antiincrustante que se re-quiere emplear y D es la densidad del antiincrus-tante seleccionado (el cual es por lo general 10.48 lb/gal para el Vitec 3000®, antiincrustante más empleado en los procesos de ósmosis). El valor de Cf es función de la concentración de sales en el agua cruda; para aguas muy sálobres (con conduc-tividades mayores a 106 mS/m) se deben emplear hasta de 5 ppm, mientras que para aguas poco sálobres como aquella suministrada por el Acue-ducto de Bogotá (con conductividades inferiores a 102 mS/m) se pueden inyectar 2 ppm de antiin-crustante. [15]. La Tabla 13 muestra la dosificación que debe emplearse para cada una de las plantas diseñadas siguiendo la Ecuación 10 interpolando los valores de conductividad siguiendo los extremos (2 a 5 ppm) recomendados por Avista mediante una

regresión exponencial (recordando que las ósmosis concentran exponencialmente las corriente de re-chazo a medida que aumenta la pureza del per-meado).

 

Tabla  13.  Dosificación  de  antiincrustante  en  mL/min  

 m3/h  /  mS/m 250000 500000 750000 10000003 0.11 0.14 0.17 0.205 0.18 0.23 0.28 0.337 0.25 0.32 0.39 0.4610 0.36 0.46 0.56 0.6615 0.55 0.69 0.84 0.9920 0.73 0.93 1.13 1.3225 0.91 1.16 1.41 1.6530 1.09 1.39 1.69 1.9935 1.27 1.62 1.97 2.3240 1.46 1.85 2.25 2.6550 1.82 2.32 2.81 3.3160 2.18 2.78 3.38 3.9770 2.55 3.24 3.94 4.63  

Si la conductividad excede los valores máximos pa-ra emplear antiincrustante (5 ppm) se recomienda utilizar un pretratamiento antes de la ósmosis pare reducir la conductividad, pues se corre el riesgo de que el agua haya superado su punto de saturación de sales. El antiincrustante debe ser inyectado antes de la bomba de alta presión con el fin de que no se nece-site una costosa bomba dosificadora de alta presión para vencer la presión de la tubería aguas debajo de la bomba de alta. En esta tipo de industria (tra-tamiento de agua) la bomba dosificadora elegida por defecto para inyección de antiincrustante es la P151-398 de Milton Roy capaz de dar una dosifica-ción de hasta 1 galón por día a 90 psi, punto de operación que ratifica que debe ser instalada aguas abajo de la bomba de alta. El consumo energético de estas bombas dosificadoras es de 1/3 de caballo (HP).

4.2.3 Tableros eléctricos

Para la selección de los elementos que van dentro del tablero se tienen en cuenta: La tensión de ali-mentación de entrada, que puede ser: 220 VAC, 440VAC, estándares colombianos y la potencia de los motores para saber qué tipo de protección se debe colocar a estos.

Teniendo en cuenta dichas especificaciones se procede a dimensionar el tablero según mecánica-mente se necesite, colocando elemento como:

• Variadores

• Contactores

• Guardamotores

• Totalizadores

• PLC

• Fuentes

                       

 

En la Figura 9 se puede ver un ejemplo de cómo se distribuyen los elementos de protección dentro del tablero, Guarda motores primero y aguas abajo los contactores.

En la Figura 10 se puede ver un PLC S7-300 Siemens® instalado en una planta de osmosis, otro de los tantos elementos que van dentro el tablero, este PLC por manejar tantas señales y dispositivos ocupa bastante espacio dentro del gabinete, por eso siempre hay que realizar el cálculo de espacio me-cánico. 4.2.4 Consumos energéticos y servicios Para este cálculo se contempla que el consumo es-tará dado por la suma de los consumos energéticos de la bomba de alta presión, la bomba de CIP y la bomba dosificadora (cuyos valores se encuentran

en Diseño de Sistemas Primarios). La Tabla 15 muestra el consumo energético esperado para cada una de las plantas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El voltaje de fuerza que debe ser suministrado por la acometida eléctrica es de 440 voltts, otras consideraciones son que se debe suministrar aire (proveniente de la red de aire comprimido de la planta) para actuadores de válvulas a 20 psi, la alimentación, permeado y el rechazo se entregam en límites de batería (límites del skid).

4.2.5 Dimensiones y pesos

Las dimensiones están determinadas por la longi-tud de los vasos y la cantidad de bancos. Como to-das tienen el mismo número de bancos (2), todas tendrán el mismo ancho (3.5 m).

  Una consideración muchas veces relevante es el peso del equipo, pues este requerirá ser transpor-

Planta Largo  A Ancho  B Alto  C3 3.5 3.5 0.75 3.5 3.5 0.97 3.5 3.5 1.210 4.6 3.5 1.215 5.6 3.5 1.420 6.6 3.5 1.425 6.6 3.5 1.630 5.6 3.5 1.835 5.6 3.5 2.140 5.6 3.5 2.150 6.6 3.5 2.360 6.6 3.5 2.570 6.6 3.5 2.7

Tabla  15.  Dimensiones  en  metros.

Planta Consumo  Energético  (kw-­‐h)OI3 6.5OI5 8.0OI7 8.3OI10 13.8OI15 19.3OI20 22.8OI25 22.8OI30 30OI35 30OI40 33OI50 48OI60 48OI70 64

Tabla  14.  Consumo  energético  total.  

Fig.    9.  Ejemplo  de  tablero  de  ósmosis  inversa.  

Fig.    10.  Ejemplo  de  tablero  de  ósmosis  inversa.

tado vía aérea o terrestre, además de que en el momento de la instalación este puede requerir ser izado. A continuación se ilustra el peso de cada uno de los componentes. Para efectuar el cálculo del pe-so total de las plantas se tuvieron en cuenta el peso de las membranas, el peso de los vasos de presión, el peso del skid, el peso de las bombas de alta y del CIP, y el peso del tablero, además se consideró añadir 1 kg por cada metro de tubería que se calcu-ló en los materiales, la Tabla 16 indica los pesos:

4.2.5 Variaciones heurísticas

El cloro ha sido utilizado por muchos años para el tratamiento de agua industrial y municipal para controlar el crecimiento de microorganismos por su capacidad de desactivarlos rápidamente. El proce-dimiento de cloración es relativamente simple, se le permite al cloro reaccionar en un tanque de agua por 20-30 minutos a una concentración de 0.5-1.0 mg/L [15]. Las membranas de ósmosis inversa tienen muy baja tolerancia al cloro, por lo cual ha de tenerse cuidado a la hora de diseñar sistemas de cloración previos a plantas de ósmosis inversa, pues la expo-sición de las membranas a apenas 2 ppm por me-nos de 200 horas degradaría oxidativamente de manera irreversible las membranas [16]. La clora-ción previa a la ósmosis puede que sea requerida obligatoriamente para proteger las membranas de ensuciamiento biológico. No obstante, la cloración puede repetirse aguas abajo de la ósmosis en aguas con mucha actividad microbiológica, e incluso, en algunas ocasiones se ozoniza. Cuando se clora en un proceso de tratamiento de agua, se entiende que se está añadiendo cloro gase-soso Cl2 o hipoclorito de sodio o calcio (NaOCl/Ca(OCl)2) para formar HOCl el cual se diso-

cia en iones hidrógeno y iones hipoclorito, como se muestra en las siguientes reacciones. [14].

Cl2 + H2O � HOCl + HCl NaOCl + H2O � HOCl + NaOH Ca(OCl)2 + 2 H2O � 2 HOCl + Ca(OH)2 HOCl � H+ + OCl–

La suma de Cl2, NaOCl, Ca(OCl)2, HOCl, and OCl– se refiere al cloro libre el cual se expresa en ppm de Cl2. El nivel de cloración dependerá de la microbiología del agua, para más información sobre cloración se recomienda ver el Handbook of Chlori-nation [14]. El signo más claro de degradación de las mem-branas por cloro es la perdida de caudal y paso de sales al permeado de la ósmosis, es importante se-ñalar que ningún fabricante de membranas cubre dentro de su garantía los daños ocasionados por este tipo de daño. [14]. El cloro libre puede reducirse de dos maneras antes de una ósmosis, mediante lechos de carbón activado, o mediante la adición de agente químicos reductores. Cuando se selecciona la remoción con lechos de carbón activado, la reacción que se sigue es la siguiente.

C + 2Cl2 + 2H2O � 4HCl + CO2

El metabisulfito de sodio (Na2S2O5) se utiliza co-múnmente para la remoción del cloro residual, cuando este se adiciona al agua produce las si-guientes reacciones [15].

Na2S2O5 + H2O � 2 NaHSO3 2NaHSO3 + 2HOCl � H2SO4 + 2HCl + Na2SO4

En la práctica 3 gramos de metabisulfito de sodio se utilizan para remover 1 gramos de cloro, por su-puesto, ambos el carbón y el metabisulfito generan impurezas en el agua, pero estas impurezas no son dañinas para las membranas y son separadas del agua fácilmente en el rechazo de la ósmosis. Existen otros métodos (muy usados en la indus-tria de bebidas) en los cuales se declora el agua mediante lámpara UV, sin embargo estos sistemas pueden llegar a ser tan costosos como la misma planta de ósmosis. La ausencia de cloro debe ser meticulosamente verificada utilizando el potencial de óxido reducción (ORP), de esta manera el transmisor del electrodo de ORP envía una señal a la bomba de alta presión para ser apagada e impedir que el cloro invada las membranas en caso que sea necesario. En la industria de bebidas es frecuente encon-trar la necesidad de remineralizar el agua que se pasa por una ósmosis inversa, hay que recordad que el agua osmotizada no es apta para el consumo humano. Para efectuar la reminarlización del agua existen dos procedimientos.

Planta Peso  (kg)OI3 700OI5 1200OI7 1700OI10 1900OI15 2100OI20 2300OI25 2800OI30 3000OI35 3400OI40 3600OI50 3900OI60 4200OI70 4700

Tabla  16.  Pesos  estimados  de  las  plantas  diseñadas.

En la actualidad las membranas resistentes al cloro se encuentran en estudio, sin embargo aún no hay una referencia comercial.

Remineralización con sales

Cuando se remineraliza con sales, se debe disponer de bombas dosificadoras que añadan los minerales necesarios para que el agua sea nuevamente apta para el consumo humano, generalmente se emplea cloruro de sodio (NaCl) y/o hipoclorito de sodio (NaClO) [17].

Remineralización con Bypass

En este procedimiento el agua es literalmente remi-neralizada utilizando agua “sucia” la cual no ha si-do osmotizada, esto con el fin de devolverle los nu-trientes al agua, para esto se instala un bypass antes de la entrada de la bomba de alta que se co-necta con la descarga del permeado. Sin embargo este método no es considerado como estándar ya que llevaría a considerables cambio en materiales, bombas y membranas. Cuando el cliente no puede garantizar el NPSH de la bomba de alta presión es recomendable em-plear una bomba de realce para proteger dicha bomba de la cavitación, las condiciones de succión mínimas están dadas en la Tabla 6. En este orden de ideas, será deseable que las plantas estándar tengan la posibilidad de ciertas variaciones de acuerdo a las necesidades particula-res de clientes y a las propiedades fisicoquímicas y bacteriológicas del agua que se desee tratar. Según lo mencionado, la siguiente lista de ítems podría cumplir con las distintas variaciones para necesi-dades particulares:

DOSIFICACIÓN DE QUÍMICOS Incluir dosificación de metabisulfito en línea Incluir dosificación de remineralizador Incluir remineralización con bypass INSTRUMENTACIÓN Medidor de ORP en línea

EQUIPOS

Incluir bomba de realce

4.4 CAPEX Revisando los costos de capital, todas las plantas tendrán básicamente los mismos elementos de ins-trumentación, la principal fuente de variación entre las plantas será entonces el número de membranas

y vasos de presión y las bombas. Otras fuentes de variación (menores) de los costos de capital son el diámetro de las tuberías (y por consiguiente de las válvulas) y de medidores de flujo.

La siguiente gráfica ilustra el comportamiento de los costos DDP de membranas y vasos de presión, y de las bombas de las diferentes plantas.

Tabla  17.  Costos  DDP  de  vasos  de  presión  membranas  y  bombas.  

Además de ser las principales fuentes de varia-

ción para cada una de las plantas, estos dos costos representan aproximadamente el 65% del costo to-tal de cada una de las plantas.

Resulta claro en este punto la asociación de los costos más importantes y las variables básicas se-leccionadas en las etapas más tempranas del dise-ño. Como puede verse, en la Figura 11, el incre-mento en los costos debe su linealidad al diseño dentro del rango de agua salobre superficial. Mien-tras más estable la curva de la Figura 6 los costos serán más lineales.

Puede verse que la planta de 1 m3 será más cos-tosa que la de 3 m3, esto hace que la planta de 1 m3 no sea viable, no tiene sentido que una planta de más pequeña que otra sea más cara. Este compor-tamiento se explica debido a que la planta de 1 m3

no cumpliría con las especificaciones hidráulicas

Planta Vasos  y  membranas Bombas1 $15,162,000.00 $2,352,500.003 $8,816,000.00 $3,155,000.005 $17,632,000.00 $3,677,500.007 $27,588,000.00 $4,597,500.0010 $33,744,000.00 $6,710,000.0015 $34,856,000.00 $8,780,000.0020 $38,380,000.00 $11,835,000.0025 $38,380,000.00 $13,950,000.0030 $46,550,000.00 $17,700,000.0035 $53,200,000.00 $17,500,000.0040 $59,850,000.00 $17,700,000.0050 $69,084,000.00 $25,825,000.0060 $84,436,000.00 $23,625,000.0070 $99,788,000.00 $24,325,000.00

Fig.    11.  Costos  membranas  (naranja)  y  vasos  de  presión  (azul).  

utilizando una membrana CPA5-LD y en vez utiliza-ría membranas más pequeñas (ESPA2-4040) en mayor número, estas membranas aunque más pe-queñas no son mucho más económicas que las CPA5-LD. De acuerdo a los componentes que se han selec-cionado, las listas de elementos completa que com-pondrá cada planta se muestra a en la Tabla 18.  

Tabla  18.  Lista  de  elementos  de  las  plantas  (izquierda  grandes,  dere-­‐cha  pequeñas)  

Ubicación Item Ubicación ItemA Válvula  de  entrada A Válvula  de  entradaA Trasmisor  de  Presión A Switch  de  PresiónA Carcaza  de  filtro  de  5micras A ManómetroA Filtro  5  micras A Carcaza  de  filtro  de  5micrasD Bomba  Antiincrustante A Filtro  5  micrasA Trasmisor  de  Presión A ManómetroA Bomba  de  alta D Tanque  dosificadoraA Trasmisor  de  Presión D Nivel  bajaA Transmisor  de  pH D Bomba  AntiincrustanteA Transmisor  de  Conductividad A Bomba  de  altaA Transmisor  de  flujo A Switch  de  presión-­‐ Ósmosis A Manómetro-­‐ Vitaulic -­‐ Ósmosis-­‐ Transmisor  P.  interbanco -­‐ Válvula  toma  muestrasPd Trasmisor  de  conductividad -­‐ VitaulicPd Transmisor  de  pH -­‐ Manometro  interbancoRz Medidor  de  caudal Pd Trasmisor  de  conductividadRz Transmisor  de  Presión Pd Medidor  de  flujoRz Valvula  de  Globo Rz ManómetroRz Valvula  de  Flush Rz Medidor  de  caudalCIP Tanque Rz Valvula  de  GloboCIP Nivel  Baja Rz Valvula  de  FlushCIP Bomba CIP TanqueCIP Carcaza  de  filtro  de  20micras CIP Nivel    BAJACIP Filtro  de  20  micras CIP BombaCIP Válvulas CIP Carcaza  de  filtro  de  5micras

Skid CIP Filtro  de  20  micrasTablero CIP VálvulasTuberia  y  tornilleria SkidBodega TableroEnsamble Tuberia  y  tornilleria

BodegaEnsamble  

 

Una vez cotizados todos estos valores se determinó el costo de las plantas completas como se ve en la Tabla 19.

Tabla  19.  Costos  finales  de  las  plantas.  

Planta Costo  (COP)OI3 $63,428,432.00OI5 $61,866,017.00OI7 $72,884,852.00OI10 $79,514,072.00OI15 $122,406,233.00OI20 $152,004,183.00OI25 $154,223,343.00OI30 $169,101,503.00OI35 $186,569,499.00OI40 $205,059,519.00OI50 $261,205,039.00OI60 $278,164,239.00OI70 $300,727,719.00  

Este costo representa al costo de la planta DDP, es decir en la bodega de Osmo en Fontibón, a partir de este punto hay que calcular costos de envío hacia las instalaciones de clientes específicos para así poder fijar la utilidad. 4.5 Diseño de iOsmo 1.0 ® Para el desarrollo de la aplicación se propuso la elaboración de una interface mediante la programa-ción de un conjunto de clases UIViewController, UI-NavigationController y UITabBarController en XCo-de® conectadas mediante comandos segue. El Parent View del programa en desarrollo es un UI-ViewController con 3 elementos en su interface: una imagen con el logo de Osmo (ImageView), un campo de texto (UITextField) un botón (IBAction)). Este se muestra en la figura a continuación.

Fig.    12.  UIViewController  de  la  Interfaz  de  la  aplicación.

Posteriormente se crearon conexiones necesarias entre el Parent View y los UITabBarControllers (co-mo el de la Figura 14) que contendrían la informa-ción de cada una de las plantas cada uno de los cuales constará de 3 pantallas (Tab Bar Item) con la información que se transmitirá al usuario, dicha in-formación se explicará con más detalle a continua-ción.

Osmo considera que los diagramas P&ID no de-

ben ser publicados en la aplicación con el fin de que información detallada de diseño caiga en ma-nos de empresas competidoras, pues cabe resaltar que la aplicación será gratuita y de libre acceso a través del App Store de Apple®.

Primera pestaña: Dimensiones Esta pestaña contiene la información de primera

mano que un cliente busca sobre las dimensiones de las plantas, como se muestra a continuación, se muestra el largo, el ancho y el alto de la planta, así como el diámetro del tanque CIP (el cual no va montado en el skid), y finalmente se señala el peso de la planta. Esta es la primera pestaña con la que un usuario se encontraría después de seleccionar el caudal de búsqueda.

Segunda pestaña: Propiedades Esta pestaña contiene toda la información de in-

terés de las plantas de ósmosis inversa incluyendo, la cantidad de vasos de presión y membranas, los tamaños de los motores, la ubicación de los ele-mentos instrumentación. En la Figura 16 se mues-tra exactamente la información que esta pestaña contendrá

Tercera pestaña: Comercial Esta pestaña contiene: el precio de la planta, el

tiempo de entrega y el lugar de entrega, y otras consideraciones comerciales.

Fig.    13.  UITabBarController  para  controlar  la  informa-­‐ción  de  cada  planta  estándar.

Fig.    14.  Primera  pestaña  de  la  App.

Fig.    15.  Segunda  pestaña  de  la  App.

Fig.    16.  Tercera  pestaña  de  la  App.

5. Conclusiones y perspectivas. La ingeniería involucrada en el diseño de plantas de tratamiento de agua por ósmosis inversa es un pro-ceso hoy por hoy basado en la experiencia; técni-camente todas las plantas de este tipo son iguales, por lo que poca o nula innovación puede incluírsele a los procesos de diseño de las plantas de este tipo. Esto por supuesto sin tener en cuenta el campo del desarrollo de elementos particulares de las plantas como las membranas, la instrumentación y/o las bombas. Aunque los costos de las plantas exhibieron un comportamiento prácticamente lineal de sus fuen-tes de costos más significativas (membranas, vasos de presión y bombas), no se recomienda la extrapo-lación de estos cálculos a cualquier diseño, pues como se pudo ver en el diseño conceptual de las plantas, las propiedades técnicas finales de un equipo dependerán de la selección de las variables de diseño iniciales: el porcentaje de recuperación y el flux. Se recomienda discreción en la selección de estos. El análisis de costos evidenció que debido a las restricciones hidráulicas, la planta de 1 m3/h sería más costosa que la de 3 m3/h, por lo cual la viabi-lidad de la de 1 m3/h en el marco de la estandari-zación que Osmo busca, se vería comprometida, ya que no tiene sentido vender una planta de menor caudal más cara que una de mayor si todas las va-riables de diseño (flux, porcentaje de recuperación. concentración de sal) se conservan iguales. Se desarrolló un catálogo mediante una aplica-ción para dispositivos móviles (Apple®) mediante la cual se puede seleccionar y obtener información sobre una planta de ósmosis inversa de manera inmediata; en estos momentos dicha aplicación ya está en cola en Apple Developer® para ser aprobada y publicada. 6. Trabajo futuro En estos momentos se está adelantando el renderi-zado 3D de todas las plantas en AutoCad®, una vez finalizado este los diagramas serán anexados a la carpeta de las plantas estandarizadas así como a la aplicación. De igual manera, se encuentra en desa-rrollo el diseño de plantas estandarizadas de ultra-filtración, las cuales cual serán añadidas a la apli-cación cuando sean finalizada como un pretratamiento para las plantas de ósmosis desa-rrolladas en este trabajo. De esta manera, el usua-rio podrá crear y cotizar una planta de tratamiento en su dispositivo móvil de manera rápida y eficaz. 7. Agradecimientos Agradecimientos especiales a los ingenieros Wilman Castellanos, Pedro Hernández y Diego Aguilar de

Osmo Equipos por su asesoría en el desarrollo de este trabajo. 8. Referencias

[1] Manual  Práctico  de  Ósmosis  Inversa,  Conceptos  y  Experiencias  Ba-­‐

sados  en  25  años  de  innovación  GG  Pique  Rany  Truby.  [2] S.  M.S  Ghiu,  R.  P.  Camahan  Permeability  of  electrolytes  through  a  

flat  RO  membrane  in  a  direct  osmosis  study,  Desalination  222  (2002)  387-­‐392  

[3] Tratamiento  del  agua  por  procesos  de  membrana,  Principios,  pro-­‐cesos  y  aplicaciones,  Joel  Mallevialle,  Peter  E.  Odendaal,  Mark  R.  Wiesner,  McGraw  Hill.  ISBN:  0-­‐07-­‐001559-­‐7  

[4] Handbook  of  Membrane  Separations,  Chamical  Pharmaceutical,  food  and  Bio  technological  Applications,  Taylor  &  Francis  Group.  Anil  K.  Pabby,  Syed  S.H.  Rizvi,  Ana  Maria  Sastre.ISBN  978-­‐0-­‐8493-­‐9549-­‐9  

[5] I.c.  Rambdhanie,  C.  Riverol,  Technical  Evaluation  of  a  Reverse  Os-­‐mosis  Desalination  Plant  in  the  Caribbean:  a  Case  Study,  Chemical  Engineering  Research  and  Design  18  (2007)  365-­‐376.  

[6] Sitio  Web  de  Osmo  Equipos  S.A.S  http://www.osmo.com.co  [7] Start  Developing  iOS  Apps  Today,  Apple  Developer  Library.  [8] Reverse  Osmosis  and  Nanofiltraton,  Awwa  Manual  M46,  2nd  edi-­‐

tion  American  Water  Works  Association.  I  [9] Academic  Press  New  York  1970,  Reverse  Osmosis,  Division  of  Ap-­‐

plied  Chemistry  National  Research  Council  of  Canada  Ottawa.  [10] A  Review  of  Reverse  Osmosis  Theory  Michael  E.  Williams,  

Ph.D.,  P.E.    [11]  M.  Li,  Optimal  plant  operation  of  brackish  water  reverse  os-­‐

mosis  (BWRO)  desalination,  Desalination  293  (2012)  61-­‐68.  [12] Fenómenos  de  transporte,  Bird  [13] Kamal  M.  Sassi  Iqbal  M.  Mujtaba,  Optimal  design  and  opera-­‐

tion  of  reverse  osmosis  desalination  process  with  membrane  foul-­‐ing,  Chemical  engineering  journal  171  (2011)  582-­‐593.  

[14] Handbook  on  Chlorination  ISBN978-­‐0442292850  2th  ed,  1986  5th  edition  White,  George  Clifford,  Van  Nostrand  Reinhold  Co.  

[15] Essential  Users  Guide  for  Reverse  Osmosis,  Focused  Solutions,  Avista  Technology®.¨  

[16] Young-­‐Nam  Kwon,  Sungpyo  Hong,  Hyoungwoo  Choi,  Taemoon  Tak,  Surface  modification  of  a  polyamide  reverse  osmosis  mem-­‐brane  for  chlorine  resistance  improvement,  Journal  of  Membrane  Science  415–416  (201)  192-­‐198.  

[17] F.  El  Azhar,  M.  Tahaikt,  N.  Zouhri,  A.  Zdeg,  M.  Hafsi,  K.  Tahri,  H.  Bari,  M.  Taky,  M.  Elamrani,  A.  Elmidaoui,  Remineralization  of  Re-­‐verse  Osmosis  (RO)-­‐desalted  water  for  a  Moroccan  desalination  plant:  optimization  and  cost  evaluation  of  the  lime  saturator  post,  Desalination  300,  (2012)  46-­‐50.  

[18] Yanyue  Lu,  Anping  Liao,  Yangdong  Hu,  The  design  of  reverse  osmosis  systems  with  multiple-­‐feed  and  multiple-­‐product,  Desali-­‐nation  307  (2012)  42-­‐50.