DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS …
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DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA PARA LA EMPRESA DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA. JOSE ALBERTO MORENO BENAVIDES UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIAS DEPATAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA SANTIAGO DE CALI 2011
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DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA PARA LA EMPRESA DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA.
JOSE ALBERTO MORENO BENAVIDES
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIAS DEPATAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA SANTIAGO DE CALI
2011
DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA PARA LA EMPRESA DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA.
JOSE ALBERTO MORENO BENAVIDES
Pasantía Institucional para optar por el título de Ingeniero Mecatrónico.
Director ANDRÉS NAVAS
Ingeniero Mecatrónico
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIAS DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA SANTIAGO DE CALI
2011
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Nota de aceptación:
Aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico.
JESUS ALFONSO LOPEZ
Jurado BERNARDO SABOGAL Jurado
Santiago de Cali, 9 de agosto de 2011
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AGRADECIMIENTOS
YHVH por darme la vida y ser mi sustento de cada día. A mis padres y mis hermanos por su invaluable amor y apoyo constante. A mi tutor, Andrés Navas, por sus aportes académicos al desarrollo y culminación de esta investigación y a Alberto De la Torre, gerente de la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., por permitirme hacer de ese espacio el lugar propicio para mi crecimiento académico y profesional.
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CONTENIDO
pág.
RESUMEN 16
INTRODUCCION 17
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18
2. JUSTIFICACION 19
3. ANTECEDENTES 20
3.1 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL INTERNACIONA L 20
3.2 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL NACIONAL 21
3.3 PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA DIFERENTES DEL P ROCESO DE OSMOSIS INVERSA 21
4. MARCO TEORICO 23
4.1 SOLVENTE 23
4.2 SOLUTO 23
4.3 SOLUCIÓN 23
4.4 DIFUSIÓN 23
4.4.1 Tasa de difusión 24
4.4.2 Gradiente de concentración 24
4.4.3 Ley de Fick de la difusión 25
4.5 OSMOSIS 25
4.5.1 Presión osmótica 26
4.6 OSMOSIS INVERSA 27
4.6.1 Principio de Operación de la Osmosis inversa 28
4.6.2 Componentes de la osmosis inversa 28
4.6.3 Características de las membranas semi-permeab les 28
4.6.4 Características de la osmosis inversa 29
4.6.5 Aplicaciones Osmosis inversa 29
6
4.7 PROCESO DE PRE-TRATAMIENTO QUE ANTECEDE EL PROC ESO DE OSMOSIS INVERSA 29
4.8 FILTROS DE PRE – TRATAMIENTO DE OSMOSIS INVERSA 30
4.8.1 Filtro de sedimento 30
4.8.2 Filtro de arena 30
4.8.3 Filtro carbón activado 30
4.8.4 Suavizador 31
4.9 NORMAS OFICIALES PARA LA CALIDAD DE AGUA EN COL OMBIA 32
4.9.1 Requisitos características físicas 32
4.9.2 Requisitos características químicas 33
4.10 AUTOMATIZACIÓN 33
5. OBJETIVOS 34
5.1 OBJETIVO GENERAL 34
5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 34
6. PROCESO DE PLANEACION DEL PRODUCTO 35
6.1 ESTUDIO DE MERCADO 35
6.2 SEGMENTO DE MERCADO 35
7. PLANTEAMIENTO DE LA MISION 36
7.1 DESCRIPCION DEL PRODUCTO 36
7.2 PRINCIPALES OBJETIVOS DE MARKETING 36
7.3 MERCADO PRIMARIO 36
7.4 MERCADO SECUNDARIO 37
7.5 PREMISAS Y RESTRICCIONES 37
7.6 PARTES IMPLICADAS 37
8. LISTA DE NECESIDADES DEL CLIENTE 38
9. METRICAS Y SUS UNIDADES 39
10. Q.F.D 41
10.1 NECESIDADES VS. REQUERIMIENTOS. 41
10.2 RELACION DE LOS REQUERIMIENTOS. 42
7
10.3 NECESIDADES CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES. 4 3
10.4 REQUERIMIENTOS CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES. 44
11. ANALISIS DE LAS NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS 45
12. GENERACION DE CONCEPTOS 49
12.1 DESCOMPOSICION FUNCIONAL 49
12.2 SUBFUNCIONES 49
12.3 CONCEPTOS GENERADOS 50
12.3.1 Alternativas de diseño 53
12.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS 54
12.5 ANALISIS DE LOS RESULTADOS 56
12.6 SELECCIÓN DETALLADA DE CONCEPTOS 57
13. TIPO DE ARQUITECTURA 58
13.1 ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 58
13.2 ARQUITECTURA ELECTRONICA 59
13.3 ARQUITECTURA MECANICA 59
13.4 PROCESO QUIMICO 60
13.5 FUNCIONALIDAD DE CADA ELEMENTO FISICO 61
13.6 INTERACCION ENTRE MODULOS 62
14. PROTOTIPADO 63
14.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 63
14.1.1 Especificaciones para el diseño de la planta . 64
14.1.2 Ecuaciones matemáticas a tener en cuenta 65
14.1.3 Calculo de cantidad de salmuera por suavizad or 66
14.1.4 Análisis de motobombas 66
14.2 DISEÑO TANQUE DE ARENA 67
14.2.1 Datos obtenidos 68
14.2.2 Prototipo 3D 68
14.3 DISEÑO TANQUE DE CARBON ACTIVADO 69
14.3.1 Datos obtenidos 69
14.3.2 Prototipo 3D 70
8
14.4 DISEÑO TANQUE DE SUAVIZADOR 70
14.4.1 Datos obtenidos 72
14.4.2 Prototipo 3D 72
14.5 DISEÑO TANQUE DE SALMUERA 73
14.5.1 Datos obtenidos. 73
14.5.2 Prototipo 3D. 74
14.6 DISEÑO TANQUES DE ALMACENAMIENTO 74
14.6.1 Datos obtenidos 75
14.6.2 Prototipo 3D 75
14.7 DISEÑO TUBERIAS DE LA PLANTA 75
14.7.1 Datos obtenidos. 76
14.7.2 Prototipo 3D 76
14.8 DISEÑO DE COLECTORES 77
14.8.1 Prototipo 3D 77
14.9 PROTOTIPO 3D INSTRUMENTACION 77
14.9.1 Válvulas 77
14.9.1.1 Prototipo 3D Válvulas electrónicas 78
14.9.1.2 Prototipo 3D válvula manual 78
14.9.2 Motobomba 78
14.9.2.1 Prototipo 3D motobomba pre-tratamiento 78
14.9.2.2 Prototipo 3D bomba de alta para osmosis in versa 79
14.10 PROTOTIPO 3D PLANTA PRE-TRATAMIENTO DE AGUA 7 9
14.11 DISEÑO PLANTA OSMOSIS INVERSA 80
14.11.1 Membranas semipermeables. 82
14.11.2 Carcaza. 83
14.12 PROTOTIPO 3D PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA TOTAL. 83
14.13 PROTOTIPO A ESCALA. 85
14.13.1 Resultados obtenidos 87
15. DISEÑO PLC 88
15.1 OPERACIÓN AUTOMATICA 89
15.2 OPERACIÓN MANUAL 90
9
15.3 FUNCIONAMIENTO SENSORES. 91
15.4 PROCESO PRE-TRATAMIENTO 92
15.5 INTERFAZ GRAFICA (DATA PANEL) 92
16. DISEÑO PARA MANUFACTURA 94
16.1 SELECCIÓN DE COMPONENTES. 94
16.1.1 Válvulas Motorizadas 94
16.1.2 Bomba Centrifuga 94
16.1.2.1 Calculo de la altura manométrica total 95
16.1.2.2 Calculo de las pérdidas de carga (Pc) 95
16.1.3 Tanques de almacenamiento 95
16.1.4 Lechos filtrantes 95
16.1.5 Tuberías 95
16.1.6 Control y automatización 95
16.1.7 Sensores 95
16.1.8 Planta de osmosis inversa 95
16.2 PARTES IMPLICADAS DEL PROCESO Y SUS RESPECTIVOS PRECIOS 96
17. RESULTADOS OBTENIDOS 97
18. CONCLUSIONES 101
BIBLIOGRAFIA 103
ANEXOS 105
10
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Lista de las necesidades del cliente con su importancia 38
Cuadro 2. Lista de necesidad, requerimiento y métri cas 39
Cuadro 3. Principales alternativas de diseño 53
Cuadro 4. Método estructurado de matriz de selecció n 54
Cuadro 5. Selección detallada de conceptos 57
Cuadro 6. Arquitectura del producto 58
Cuadro 7. Funcionalidad y relación de elementos fís icos 61
Cuadro 8. Especificaciones para el desarrollo del d iseño 64
Cuadro 9. Materiales más usados para los tanques de la planta 65
Cuadro 10. Principales medidas del tanque de arena 67
Cuadro 11. Datos obtenidos del filtro de arena 68
Cuadro 12. Principales medidas del tanque de carbón activado 69
Cuadro 13. Datos obtenidos del filtro de carbón act ivado 69
Cuadro 14. Principales medidas del tanque de suaviz ador 70
Cuadro 15. Datos obtenidos del suavizador 72
Cuadro 16. Principales medidas del tanque de salmue ra 73
Cuadro 17. Conversión de GPM a LPD para Pre tratami ento 75
Cuadro 18. Conversión de GPM a LPD general de la pl anta 75
Cuadro 19. Datos obtenidos del análisis las tubería s 76
Cuadro 20. Concepto seleccionado 97
Cuadro 21. Partes involucradas en la planta 98
11
Cuadro 22. Especificaciones de diseño 99
Cuadro 23. Medidas obtenidas 99
12
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Difusión de moléculas 23
Figura 2. Difusión con membrana permeable 25
Figura 3. Proceso natural de osmosis 26
Figura 4. Presión Osmótica en proceso de osmosis 27
Figura 5. Fenómeno de Osmosis inversa 28
Figura 6. Pre-tratamiento de osmosis inversa 29
Figura 7. Necesidades Vs. Requerimientos 41
Figura 8. Relaciones de los diferentes requerimient os 42
Figura 9. Benchmarking de las necesidades 43
Figura 10. Benchmarking de los requerimientos 44
Figura 11. Importancia dada a cada necesidad en QFD 45
Figura 12. Porcentajes de los requerimientos de QFD 45
Figura 13. Comparación de Benchmarking de las neces idades 46
Figura 14. Porcentaje que diferentes empresas le d an a las necesidades 48
Figura 15. Benchmarking de los requerimientos 48
Figura 16. Caja negra del sistema 49
Figura 17. Descomposición funcional del sistema 50
Figura 18. Comparación de la evaluación de concepto s 56
Figura 19. Arquitectura electrónica 59
Figura 20. Arquitectura Mecánica 60
Figura 21. Proceso químico de pre-tratamiento de ag ua 61
13
Figura 22. Interacción entre módulos de elementos f ísicos 62
Figura 23. Diferentes prototipos a desarrollar 63
Figura 24. Volumen de un cono 66
Figura 25. Prototipo 3D filtro de arena 68
Figura 26. Prototipo 3D filtro de carbón activado 7 0
Figura 27. Prototipo 3D suavizador 72
Figura 28. Prototipo 3D tanque salmuera 74
Figura 29. Prototipo 3D tanque almacenamiento 75
Figura 30. Prototipo 3D Tuberías 76
Figura 31. Prototipo 3D Colectores 77
Figura 32. Prototipo 3D Electro-válvulas 78
Figura 33. Prototipo 3D Válvula manual 78
Figura 34. Prototipo 3D Motobomba del proceso 79
Figura 35. Prototipo 3D Motobomba de alta de osmosi s inversa 79
Figura 36. Prototipo 3D planta del proceso de pre-t ratamiento 80
Figura 37. Esquemático proceso Osmosis inversa 81
Figura 38. Primer prototipo 3D proceso osmosis inve rsa 81
Figura 39. Segundo prototipo 3D proceso osmosis inv ersa 82
Figura 40. Prototipo 3D Membrana semipermeable 82
Figura 41. Prototipo 3D carcaza de las membranas se mipermeables 83
Figura 42. Prototipo 3D Planta de osmosis inversa 8 4
Figura 43. Prototipo a escala PLC 85
Figura 44.Prototipo a escala en funcionamiento 86
Figura 45.Prototipo a escala como piloto de prueba 86
14
Figura 46.Prototipo a escala vista isométrica 87
Figura 47. Diagrama de flujo del funcionamiento aut omático 89
Figura 48. Diagrama de flujo del funcionamiento man ual 90
Figura 49. Diagrama de flujo para visualización de los sensores 91
Figura 50. Interfaz gráfica general del Data panel siemens 92
Figura 51. Interfaz gráfica con variación de tiempo s 93
15
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Manual de usuario 105
Anexo B. Características físicas del agua potable 1 17
Anexo C. Concentración de elementos permitidos en e l agua potable 118
Anexo D. Calculo de la altura manométrica total 119
Anexo E. Calculo de las pérdidas de carga (Pc) 120
Anexo F. Características y especificaciones del equ ipo Osmosis inversa 122
Anexo G. Partes implicadas en el proceso con sus re spectivos precios 123
Anexo H. Datasheet sensor de Nivel - CN5R 128
Anexo I. Datasheet sensor de caudal - FS200 129
Anexo J. Datasheet sensor de TDS - MiniChem TDS 131
Anexo K. Datasheet motobomba – CPH 10 133
Anexo L. Datasheet válvula motorizada - EATB1150STE 135
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RESUMEN
Se estudiaron las principales necesidades generadas en el proceso de las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa en la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., con lo cual se realizaron diferentes conceptos que suplían dichas necesidades.
Se analizaron los diferentes conceptos desarrollados, con el fin de escoger el más adecuado para las plantas de osmosis inversa.
Se desarrollaron simulaciones y prototipos para la automatización y desarrollo de las plantas de osmosis inversa, todo esto con el fin de lograr obtener de manera precisa y dinámica un modelo de la planta finalizada, con su respectivo funcionamiento.
Todo el proceso de automatización se realizó por medio de tecnologías y programación PLC y el proceso de diseño por medio de herramientas CAD
Se elaboró un diseño Mecatrónico de las plantas de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de filtrado y tratamiento de agua, para la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., apoyándose en la metodología estructurada aprendida en el curso de diseño mecatrónico de la universidad autónoma de occidente.
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INTRODUCCION
Tales de Mileto, un filósofo griego del siglo V a.C., afirmó que el agua era la sustancia original de donde se generaban todas las demás cosas. Hoy en día sabemos que eso no es del todo cierto, pero si sabemos a ciencia cierta que el agua es un elemento vital para el desarrollo de la vida e indispensable en diversos sectores laborales, tales como la agricultura, las industrias, la producción de alimentos y bebidas para el consumo humano, entre muchas otras más. Actualmente, el papel que cumple el agua en las industrias tiene gran importancia, ya que estas, usan un porcentaje considerable del agua mundial en procesos tales como la refrigeración, evaporación, como disolvente, como complemento para sus productos, como agua potable para el uso diario de los empleados, entre otros. Ahora bien, es necesario tener en cuenta, que para obtener el máximo aprovechamiento del agua en dichos procesos, se debe necesariamente pasar por técnicas de tratamiento y filtración que permiten lograr purificar, potabilizar e incluso modificar características internas del agua a utilizar. Entre las etapas de tratamiento y filtración de agua más comunes, encontramos filtraciones de arena, filtraciones de carbón activado, suavizadores, procesos de micro-filtración y el proceso de osmosis inversa, siendo este último uno de los medios más empleados actualmente para el tratamiento físico - químico que se le da al agua a nivel industrial. El tratamiento de osmosis inversa es un proceso de purificación de agua, en el cual se combinan factores como presión y permeabilización con el fin de separar partículas indeseadas del agua, y lograr obtener agua potable, pura y ultra pura, según sea la necesidad. Este proceso tiene grandes aplicaciones industriales y comerciales, entre las más comunes esta la desalinización de agua de mar para convertirla en agua potable, la reducción de sólidos disueltos para la alimentación en procesos con calderas o sistemas de vapor, la separación y eliminación de virus para las industrias farmacéuticas, entre muchas aplicaciones más.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente, se desarrollan diferentes tipos de plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa con distintas capacidades de producción y tecnologías usadas en la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., las plantas más vendidas anteriormente eran los sistemas de osmosis inversa, con una capacidad de producción de agua ultra pura no muy alta y completamente mecánicas; en este momento se desarrollan plantas con diferentes capacidades de producción y con un control semiautomático del proceso, esto quiere decir que algunas etapas del tratamiento se desarrollan automáticamente mientras que otras requieren de los conocimientos de algún operador para su correcto funcionamiento. Hoy por hoy se está en el proceso de desarrollar plantas completamente automatizadas, con el fin de generar competitividad en el mercado nacional e internacional y lograr mayor eficiencia en el proceso. Existe la necesidad de diseñar un sistema Mecatrónico de plantas de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de pre-tratamiento de agua, completamente automatizado, en donde se aumente la producción de las plantas al máximo, se generen las mayores ganancias posibles y se conciba un sistema capaz de competir en el mercado nacional gracias a su eficiencia y eficacia. Es importante mencionar que las plantas mecánicas o semiautomáticas desarrolladas actualmente generan una pérdida de tiempo para el operario encargado y una ineficiencia en el proceso para la empresa, es allí donde se hace latente la necesidad de desarrollar plantas completamente automatizadas. A partir del planteamiento anterior, se genera la pregunta a estudiar y es, ¿Cuál sería un diseño óptimo para una planta de osmosis inversa que aumente la eficiencia y eficacia en el proceso de tratamiento de agua?
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2. JUSTIFICACION
La automatización de procesos es una manera de optimizar algún tipo de actividad, donde se busca la realización de una tarea con la mayor productividad posible, el mejor rendimiento y las más altas ganancias a lograr. Sobre este contexto, lo que se busca con este proyecto es diseñar un sistema que permita automatizar todo el proceso de tratamiento de agua de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de filtración, como lo son filtros de arena, carbón y suavizador, con el fin de optimizar las plantas desarrolladas actualmente por la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., y generar competitividad nacional, máxima producción de las plantas y factores tecnológicos que hagan el proceso más eficiente a la hora de su operación y producción. A demás es necesario incursionar en las principales necesidades presentes en las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa desarrolladas por la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA., y no solamente tener en cuenta el factor tecnológico, sino también factores tan primordiales en el mercado actual, como lo son el medio ambiente, la calidad, los costos y la opinión del cliente. Es importante aclarar, que existen diferentes procesos industriales que realizan la misma operación que las plantas de osmosis inversa, por lo cual se desea desarrollar un diseño agradable, rentable y competitivo de dicha planta, para que la producción sea la máxima, y los costos invertidos, recuperables en un mediano tiempo.
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3. ANTECEDENTES
La osmosis inversa es un proceso que permite concentrar o eliminar contaminación de una solución liquida, normalmente agua, mediante la aplicación de una presión determinada, a través de una o varias membranas semipermeables que separa una solución contaminada de la solución limpia o purificada. Esta técnica, aplicada al agua permite separar un 95% de las sales y en aguas residuales permite eliminar color, solidos disueltos, carga orgánica, microorganismos, Y concentrar ácidos y bases. Las principales aplicaciones de la osmosis inversa a nivel industrial, es la desalinización de agua de mar, la obtención de agua pura y ultra pura, el tratamiento de aguas residuales y la potabilización del agua. Existen diferentes métodos para obtener la desalinización del agua de mar y la obtención de agua pura y ultra pura, la osmosis inversa es el método más usado, pero también se pueden realizar mediante los procesos de micro-filtración, destilación, congelación, evaporación relámpago, destilación repetida, entre otros; los cuales son bastante costosos en términos de energía eléctrica utilizada y no se obtienen los mismos resultados en términos de filtración de partículas. De acuerdo a los diferentes métodos existentes para la obtención de las mismas aplicaciones de la osmosis inversa, se realiza una descripción de los antecedentes, no solo de las plantas de osmosis inversa actuales, sino también de otros métodos, que tienen una aplicación importante en el campo industrial. 3.1 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL INTERNACIONA L
- PURE AQUA, Inc. “ water treatment and reverse osmosis systems” Estados Unidos, CA, Santa Ana. Pure Aqua, Inc. es una empresa pionera en Estados unidos, en la desalinización del agua de mar, presentan plantas de osmosis inversa de diferentes capacidades de producción, y con tecnología completamente automatizadas.
- AMPAC USA “Advanced water treatment systems” Estados Unidos, CA, Northridge. AMPAC, es una empresa con los mejores tratamientos y la más alta calidad de agua procesada, tiene diferentes procesos y plantas de tratamiento de agua, tales como filtros de agua, sistemas de desalinización, osmosis inversa residenciales, comerciales e industriales.
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- UNITEK Argentina, mar de Plata. Es una compañía que desde 1993 desarrolla proyectos de ingeniería y produce sistemas de alta tecnología para el reúso y tratamiento de aguas. Diseña, fabrica y comercializa equipos con una concepción tecnológica de última generación que permite optimizar las características físicas, químicas o microbiológicas del agua.
- LENNTECH “Water treatment solutions” Holanda, Rotterdam. Lenntech proporción todo tipo de soluciones a problemas de tratamiento de aguas desde aplicaciones domesticas hasta proyecto llave en mano de plantas industriales de 5000m3/día, incluyendo plantas de osmosis inversa. 3.2 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL NACIONAL
- DOBER OSMOTECH de Colombia Ltda. Colombia, Cali. Empresa fundada el 22 de noviembre de 1982, con el ánimo de prestar servicio de ventas, Ingeniería, diseño, construcción y asesoría. Inició sus operaciones de importación y venta desde esa fecha. Desarrolla plantas de tratamiento de agua y de osmosis inversa, para procesos de: calderas, evaporadores, sistemas de enfriamiento cerrados o abiertos, entre otros. Empresa que se destaca por su alto nivel de eficiencia y eficacia en el desarrollo de las plantas de tratamiento de agua y de sus productos químicos para las industrias.
- Ignacio Gómez IHM S.A Colombia, Bogotá. Empresa líder en Colombia y en el grupo Andino en la fabricación de motobombas y equipos de presión. Comercializamos motores, plantas de tratamiento de agua, plantas eléctricas y compresores de las más prestigiosas marcas del mundo. Manejamos los más altos estándares de calidad ISO 9001/2000. 3.3 PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA DIFERENTES DEL P ROCESO DE
OSMOSIS INVERSA
- LENNTECH “Wáter treatment solutions” Holanda, Rotterdam. Lenntech proporciona todo tipo de soluciones a problemas de tratamiento de aguas, desde aplicaciones domésticas hasta proyectos llave en mano de plantas industriales. Producción de plantas de micro filtración y destilación.
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- ACSA “Aerogeneradores canarios, S.A” España, islas canarias Se creó el 23 de diciembre de 1985, con el objetivo inicial de desarrollar su actividad en el campo de la energía eólica de media potencia. También se desarrollan plantas desalinizadoras por medio de membranas. - AMPAC USA “Advanced water treatment systems” Estados Unidos, CA, Northridge. AMPAC, es una empresa con los mejores tratamientos y la más alta calidad de agua procesada de osmosis inversa, también tiene diferentes procesos y plantas de tratamiento de agua, tales como filtros de agua y sistemas de desalinización.
- ACQUA MATTER “Agua de calidad” España, Valencia Empresa que nace como respuesta a la demanda creciente por consumir agua de calidad de forma práctica y a bajo coste. Es una joven empresa especializada en la investigación y comercialización de equipos de ósmosis inversa, destiladoras y filtros para el tratamiento integral del agua, obteniendo a través de estos sistemas, agua de alta calidad.
- LAMIK S.A España, Zarautz Actualmente Lamik es una empresa de Ingeniería del Agua con clara orientación y vocación de dar soluciones a las necesidades que los clientes plantean, siempre en torno al agua con independencia de su procedencia. Se usan procesos de depuración y micro filtraciones para el tratamiento de agua.
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4. MARCO TEORICO
Para comprender detalladamente el proceso de osmosis inversa, es necesario entender principios físico-químicos básicos y cada una de las etapas de pre tratamiento del agua. 4.1 SOLVENTE Sustancia que permite la dispersión de otra en su seno, es la sustancia presente en mayor cantidad de la solución, el solvente más comúnmente usado es el agua. 4.2 SOLUTO Es la sustancia presente en menos cantidad de la solución (aunque existen excepciones), esta sustancia se encuentra disuelta en un determinado disolvente. 4.3 SOLUCIÓN Es la mezcla normalmente homogénea de dos o más sustancias. La solución expresa la relación de la cantidad de soluto a la cantidad de solvente. 4.4 DIFUSIÓN La difusión se refiere al proceso mediante el cual las moléculas se mezclan, como resultado de su energía cinética del movimiento aleatorio. Considere la posibilidad de dos contenedores de gas o líquido A y B separados por un tabique. Las moléculas de ambos gases o líquidos están en constante movimiento y hacen numerosas colisiones con la partición. Si la partición se ha eliminado como en la figura 1, los gases o líquidos se mezclan debido a las velocidades al azar de sus moléculas. Figura 1. Difusión de moléculas
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La tendencia a la difusión es muy fuerte, incluso a temperatura ambiente debido a las altas velocidades moleculares asociadas con la energía térmica de las partículas. El fenómeno de la difusión molecular conduce finalmente a una concentración completamente uniforme de sustancias a través de una solución que inicialmente pudo haber sido no uniforme. 4.4.1 Tasa de difusión. Como la energía cinética media de los diferentes tipos de moléculas (masas diferentes) que están en equilibrio térmico es el mismo, a continuación, sus velocidades medias son diferentes. Su tasa de difusión promedio se espera dependa de la velocidad promedio, lo que da una tasa de difusión en relación con:
Donde la constante K depende de factores geométricos incluyendo las zonas a través de las cuales la difusión se está produciendo. La tasa de difusión relativa de dos especies moleculares diferentes se da entonces por:
4.4.2 Gradiente de concentración. La diferencia de concentraciones (∆C), es la diferencia entre las concentraciones de dos soluciones diferentes, es decir: ∆C= C2 – C1
La distancia de separación entre las dos soluciones se la llama ∆X, siendo en este caso, el espesor de la membrana, y el gradiente de concentración de difusión, el cual es la relación entre la variación de concentración y la separación de las dos soluciones , es igual a:
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Figura 2. Difusión con membrana permeable
4.4.3 Ley de Fick de la difusión. De acuerdo a la figura 2, la ley de Fick nos dice que el flujo de soluto que atraviesa la membrana es proporcional al gradiente de concentración pero en sentido contrario. Todo esto está multiplicado por una constante D llamada constante de difusión o constante de Fick.
4.5 OSMOSIS La osmosis en un proceso natural donde el solvente, principalmente agua, fluye a través de una membrana semi-permeable, lo que significa que solo deja pasar las moléculas más pequeñas de solvente, de una solución con una baja concentración de sólidos disueltos a una solución con una alta concentración de sólidos disueltos. El solvente, fluye a través de la membrana hasta que la concentración se iguale en ambos lados de la membrana.
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Figura 3. Proceso natural de osmosis
Fuente: Transporte de materiales a través de membranas plasmáticas [en línea]. San José (Costa Rica): FisicaZone, 2011. [Consultado el 1 noviembre, 2010]. Disponible en internet: http://fisicazone.com/transporte-de-materiales-a-traves-de-las-membranas-plasmaticas/ La ósmosis es de gran importancia en procesos biológicos, donde el solvente es agua. La energía que impulsa el proceso suele ser discutido en términos de presión osmótica. 4.5.1 Presión osmótica. Esa especie de impulso de la naturaleza que obliga al líquido a pasar de un lado al otro se llama presión osmótica. A la presión osmótica se la simboliza con la letra (PI).El valor de se calcula con la Ecuación de Van't Hoff:
Dónde: C1 – C2 = Diferencia de concertaciones R = 0.082 Constante de los gases ideales (litros x atm / Kelvin x Mol) T = Temperatura absoluta (grados Kelvin) Se puede visualizar fácilmente como interactúa la presión osmótica en el proceso de osmosis, en la figura 4:
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Figura 4. Presión Osmótica en proceso de osmosis
Fuente: KUCERA, Jane. Reverse Osmosis. Industrial applications and processes. 1 ed. New Jersey: WILEY, 2010. 383 p.
4.5.2 Medición de la presión osmótica. Un enfoque para la medición de la presión osmótica es medir la cantidad de presión hidrostática necesaria para evitar la transferencia de líquido por ósmosis.
4.6 OSMOSIS INVERSA La osmosis inversa es el proceso en el cual se aplica una presión mayor a la presión osmótica, esta presión es ejercida en el compartimiento que contiene la más alta concentración de sólidos disueltos. Esta presión obliga al agua a pasar por la membrana semi-permeable en dirección contraria al del proceso natural de osmosis. Para poder purificar el agua necesitamos llevar a cabo el proceso contrario al de ósmosis convencional, es lo que se conoce como Ósmosis Inversa. Se trata de un proceso con membranas, en el cual se aplica una presión mayor a la presión osmótica, esta presión es ejercida en el compartimiento que contiene la más alta concentración de sólidos disueltos. Esta presión obliga al agua a pasar por la membrana semi-permeable en dirección contraria al del proceso natural de osmosis, dejando las impurezas detrás. La permeabilidad de la membrana puede ser tan pequeña, que prácticamente todas las impurezas, moléculas de la sal, bacterias y los virus, son separados del agua.
28
Figura 5. Fenómeno de Osmosis inversa
4.6.1 Principio de Operación de la Osmosis inversa. El solvente pasa espontáneamente de una solución menos concentrada a otra más concentrada a través de una membrana semipermeable, pero al aplicar una presión mayor que la presión osmótica a la solución más concentrada, el solvente comenzara a fluir en el sentido inverso, el flujo del solvente depende de: - Presión aplicada - Presión Osmótica aparente - Área de la membrana presurizada 4.6.2 Componentes de la osmosis inversa - Membrana Semi-permeable - Tubos de Presión conteniendo la membrana - Bomba generadora presión - Válvulas reguladoras de control - Contenedores del permeado
4.6.3 Características de las membranas semi-permeab les. Una membrana semipermeable, también llamada membrana selectivamente permeable, es una membrana que permitirá que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por difusión. El índice del paso de las moléculas depende de la presión ejercida, la concentración de partículas de soluto, la temperatura de las moléculas y la permeabilidad de la membrana para cada soluto. A las moléculas que logran atravesar la membrana se las conoce como “el permeado” y a las que no lo hacen es las conoce como “el rechazo”.
29
4.6.4 Características de la osmosis inversa - Permite remover la mayoría de los sólidos (inorgánicos u orgánicos)
disueltos en el agua (99%) - Remueve los materiales suspendidos y micro-organismos - Proceso de purificación de forma continua - Tecnología simple, que no requiere de mucho mantenimiento - Es modular y necesita poco espacio, de acuerdo a los caudales deseados. 4.6.5 Aplicaciones Osmosis inversa - Abastecimiento de aguas para usos industriales y consumo de población. - Tratamiento de efluentes industriales para el control de la contaminación y
recuperación de compuestos. - Industria de la alimentación (concentración de alimentos). - Industria farmacéutica, para la separación de proteínas, eliminación de
virus, etc. - Industria cosmética - Agua de enjuagado electrónico y galvánico. - Industrias de vidrio. - Soda y plantas de embotellamiento. - Agua de alimentación de calderas y sistemas de vapor. - Hospitales y Laboratorios. - Medioambiente (reciclaje) - Desalinización. 4.7 PROCESO DE PRE-TRATAMIENTO QUE ANTECEDE EL PROC ESO DE
OSMOSIS INVERSA
Figura 6. Pre-tratamiento de osmosis inversa
30
Dónde: o (1). Tanque de almacenamiento de Agua. o (2). Filtro de arena. o (3). Filtro de carbón activado. o (4). Salmuera. o (5). Suavizador. 4.8 FILTROS DE PRE – TRATAMIENTO DE OSMOSIS INVERSA Generalmente el proceso de osmosis inversa va acompañado de un pre-tratamiento que tiene como objetivo filtrar el solvente antes de entrar al proceso de osmosis inversa, con el fin de lograr obtener los mejores resultados posibles y garantizar el mejor funcionamiento de las membranas semipermeables, los principales filtros de pre-tratamiento son: 4.8.1 Filtro de sedimentos. Los sedimentos son cualquier partícula que puede ser transportada por un fluido y que se deposita como una capa de partículas sólidas en fondo del agua o líquido, Un filtro de sedimentos actúa como pantalla para remover estas partículas. 4.8.2 Filtro de arena. Son muy efectivos para retener sustancias orgánicas, pues pueden filtrar a través de todo el espesor de arena, acumulando grandes cantidades de contaminantes antes de que sea necesaria su limpieza.
El equipo de filtración de este tipo consta de un solo filtro o de una batería de filtros que funcionan en paralelo. La filtración se lleva a cabo haciendo pasar el líquido a tratar, a través de un lecho de arena de graduación especial. El tamaño promedio de los granos de arena y su distribución han sido escogidos para obtener las distancias mínimas entre granos, sin causar pérdidas de altas presiones. El agua sin tratar contiene normalmente sólidos en suspensión. Los cuales son indeseables o perjudiciales para uso en aplicaciones industriales o domésticas. Los filtros de arena a presión eliminan las partículas finas y la materia coloidal coagulada previamente. Las partículas atrapadas en el lecho se desalojan fácilmente invirtiendo el flujo a través de la unidad. Esto hace expandir la arena, limpiándose por acción hidráulica y por fricción de un grano con otro. 4.8.3 Filtro carbón activado. El filtro de carbón funciona por el mismo principio que el filtro de arena, la diferencia radica en los elementos filtrantes y su finalidad. El carbón activado es un material natural que con millones de agujeros
31
microscópicos que atrae, captura y rompe moléculas de contaminantes presentes. Se diseña normalmente para remover cloro, sabores, olores y demás químicos orgánicos. Las propiedades de este medio filtrante hacen que las materias orgánicas y las causantes de olores y sabores, al igual que el cloro residual que se encuentra en el agua, sean absorbidas en las superficies del medio filtrante, eliminándolas así del líquido a tratar. Algunas de sus aplicaciones son: - Remoción de olores, sabores, cloro residual y materia orgánica de aguas de
procesos cuando estas lo requieran.
- Preparación de aguas libres de cloro, sinsabores e inodoras para uso en las industrias de bebidas gaseosas y productos alimenticios.
- Remoción de cloro y materia orgánica de aguas de alimentación para equipos
de desmineralización.
- Tratamiento final de aguas negras y aguas de desechos industriales, para remover materia orgánica y olores.
4.8.4 Suavizador. También llamado descalcificadora o ablandador de agua, es un aparato que por medios mecánicos, químicos y/o electrónicos tratan el agua para evitar, minimizar o reducir, los contenidos de sales minerales y sus incrustaciones en las tuberías y depósitos de agua potable. El equipo de suavización consiste en un solo suavizador o una batería de estos conectados en paralelo. La suavización se lleva a cabo haciendo pasar el agua a través de un lecho de resina para intercambio iónico. Esta resina cuyas moléculas insolubles están formadas por un anión polimérico y un catión de sodio, posee gran afinidad por cationes divalentes (tales como calcio y magnesio) que se encuentran en baja concentración en el agua. Al poner en contacto agua conteniendo cationes de calcio y magnesio (dureza) con la resina, esta intercambia sus cationes de sodio por los de calcio y magnesio, es decir, libera al agua de los cationes responsables de la dureza de esta. El agua dura seguirá liberándose de los cationes de calcio y magnesio hasta que la resina haya perdido todos sus cationes de sodio y por lo tanto su capacidad de intercambio. La resina, sin embargo, se puede regenerar ya que la reacción es reversible. Esto se obtiene poniéndola en contacto con una solución concentrada de una sal de sodio, cloruro de sodio por ejemplo, ya que esta intercambia los
32
cationes de calcio y magnesio por los de sodio. El proceso de suavización por intercambio iónico se efectúa en cuatro etapas, así: Agua dura se hace pasar por la resina hasta que esta haya perdido su poder de intercambio, la resina se lava en contracorriente haciéndola expandir lo suficiente para que libere cualquier solido suspendido que hubiere traído el agua cruda, La resina se regenera hasta recobrar su capacidad original y finalmente se lava para desalojar los productos de la regeneración. El efluente de la primera etapa será agua suavizada la cual se destinara al servicio requerido y el efluente de las otras etapas ira al desagüe.
Las aplicaciones típicas de estos equipos son:
- Suavización de aguas de reposición y alimento para calderas
- Suavización de aguas de proceso especialmente las usadas en equipos para transferencia de calor
- Suavización de aguas usadas en la industria de bebidas y productos alimenticios.
- Suavización de aguas para municipalidades, cuando esta se justifique
económicamente. 4.9 NORMAS OFICIALES PARA LA CALIDAD DE AGUA EN COL OMBIA Los comités técnicos de ICONTEC son los organismos encargados de realizar el estudio de las normas. Están integrados por representantes del gobierno nacional y de los socios, clasificados en los grupos de producción, consumo e interés generales. Las siguientes normas, tienen por objeto establecer los requisitos físicos, químicos y microbiológicos que debe cumplir el agua potable en Colombia, esta norma se aplica al agua potable de cualquier sistema de abastecimiento. Se define como agua potable, aquella apta para el consumo humano y que cumple con los requisitos físicos, químicos y microbiológicos establecidos en la norma. 4.9.1 Requisitos características físicas. Ver Anexo B, para poder distinguir las principales características físicas del agua potable, según la norma oficial para la calidad de agua en Colombia.
33
4.9.2 Requisitos características químicas. Ver Anexo B, para poder distinguir las principales características físicas del agua potable, según la norma oficial para la calidad de agua en Colombia. 4.10 AUTOMATIZACIÓN La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales: Parte Operativa Parte Mando La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada).
34
5. OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL
• Diseñar un sistema Mecatrónico de planta de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de filtrado y tratamiento de agua, para la empresa DOBER OSMOTECH.
5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Identificar las necesidades y restricciones pertinentes para el proceso osmosis inversa para las plantas de DOBER OSMOTECH.
• Desarrollar simulaciones de programación del control e interfaz (HMI) de la planta de osmosis inversa.
• Generar conceptos de diseño que puedan suplir las necesidades establecidas.
• Seleccionar los conceptos más adecuados, para el diseño de plantas de osmosis inversa.
• Generar simulaciones del diseño seleccionado empleando alguna de las herramientas CAD (Solid edge, Solid Works, Working Model, etc.)
• Generar un diseño detallado que incluya planos, manuales, especificaciones y componentes, que hacen parte del dispositivo.
35
6. PROCESO DE PLANEACION DEL PRODUCTO
6.1 ESTUDIO DE MERCADO El principal objetivo del proyecto, es diseñar un sistema Mecatrónico capaz automatizar el proceso que realizan las plantas de osmosis inversa, incluyendo todas las etapas de tratamiento de agua preliminares a dicho proceso. Se desea innovar en el mercado nacional, con un producto de fácil manejo, completamente automatizado, con un sistema de control innovador y con una interfaz amigable para el operario de las plantas. 6.2 SEGMENTO DE MERCADO Teniendo en cuenta que la segmentación del mercado se basa en un proceso que consiste en dividir el mercado total de un bien o servicio en varios grupos más pequeños e internamente homogéneos, y que uno de los elementos decisivos del éxito de una empresa es su capacidad de segmentar adecuadamente su mercado. Se tienen los siguientes mercados, en donde las plantas de osmosis inversa generarían un servicio y una utilidad.
• DESALINIZACION DE AGUA DE MAR - Hoteles e industrias situadas cerca a mares - Barcos militares y comerciales de gama alta - Industrias de Agua Potable cerca al mar.
• AGUA ULTRA PURA INDUSTRIAL - Procesos industriales de calderas, sistemas de vapor y baterías - Industrias de Alimentación - Industrias Farmacéuticas - Industrias cosméticas - Agua de enjuagado galvánico y electrónico - Industrias de vidrio
• OTROS - Hospitales y laboratorios - Tratamiento de aguas residuales.
36
7. PLANTEAMIENTO DE LA MISION
7.1 DESCRIPCION DEL PRODUCTO Sistema automatizado de planta de osmosis inversa, incluyendo las etapas de pre-tratamiento de agua, las cuales son:
- Filtro de sedimentos - Filtro de Arena - Filtro de carbón activado - Suavizador - Filtro membrana de osmosis inversa.
La automatización se desarrolla por medio de algún tipo de controlador automático y la interfaz gráfica por un medio grafico digital, además, se estará constantemente realizando un censado de las variables más relevante en el proceso, tales como presión y nivel. 7.2 PRINCIPALES OBJETIVOS DE MARKETING
• Crear una plataforma de diseño normalizado para el desarrollo y la
implementación de plantas de osmosis inversa completamente automatizadas.
• Incursionar en el mercado nacional con plantas de osmosis inversa innovadoras y automáticas, que a su vez sean de fácil uso y mantenimiento.
• Abrir campos de mercado para el desarrollo, tanto de plantas de osmosis inversa para desalinización de agua de mar, como para tratamientos de osmosis inversa para obtención de agua ultra pura a nivel industrial.
• Plantas amigables con el medio ambiente.
7.3 MERCADO PRIMARIO
- Industrias que manejan el agua en sus procesos industriales, tales como alimentación de calderas y sistemas de vapor, industrias licoreras, industrias farmacéuticas.
37
7.4 MERCADO SECUNDARIO
o Hoteles con generación de agua potable a partir de desalinización de agua de mar.
o Tratamiento de aguas residuales. o Hospitales y laboratorios clínicos.
7.5 PREMISAS Y RESTRICCIONES
- Sistema con usos en modo manual y automático. - Interfaz gráfica para facilidad de manejo - Sensores que miden el nivel de agua a la entrada y salida para control del
proceso. - Sistema de control programable en proceso de Osmosis inversa de la planta. - Sistemas de control robustos al ambiente industrial para garantizar su correcto
control. - Uso de materiales seguros para el buen desarrollo del proceso.
7.6 PARTES IMPLICADAS
� Compradores y Usuarios
� hoteles y barcos de gama alta � Industrias � laboratorios y clínicas
� Distribuidores y Vendedores
� Distribuidores de tanques de almacenamiento de agua � Distribuidores de electroválvulas y moto bombas � Vendedores de tuberías y accesorios similares � Distribuidores de membranas semipermeables � Distribuidores de resinas especiales para suavizador � Vendedores de lechos filtrantes � Vendedores de sistemas de control programables y afines � Programación de sistemas de control de la planta
� Centro de servicio y mantenimiento.
� Departamento legal.
38
8. LISTA DE NECESIDADES DEL CLIENTE
Es necesario aclarar que el concepto de osmosis no es fácil de comprender en un medio común y corriente, por lo cual se realizó un análisis de las necesidades requeridas en las plantas de osmosis inversa teniendo en cuenta el punto los puntos de vista y los criterios de ingenieros químicos, técnicos en mantenimiento de plantas de agua e ingenieros usuarios de las plantas en industrias locales. Cuadro 1. Lista de las necesidades del cliente con su importancia
# Necesidades imp. 1 “Que el proceso se realice solo, sin intervención diaria de operarios” 5
2 “Que haya un medio gráfico en el cual pueda observar y entender el proceso” 4
3 “Que pueda controlar el proceso en cualquier momento, a través de un medio grafico”
5
4 “que exista instrumentación necesaria para visualizar el caudal y los sólidos disueltos del agua tratada”.
4
5 “que exista instrumentación para el control del nivel de los tanque, para que no se desperdicie agua en el proceso” 4
6 “Que el material de los tanques sea adecuado y resistente para el proceso” 4
7 “Que el material de las tuberías de agua sea adecuado y resistente para el proceso” 3
8 “Que sea fácil de usar” 3 9 “Que sea fácil de mantener” 2 10 “Que se pueda usar de modo manual o automático” 4 11 “Que el proceso cumpla con las normas de seguridad industrial” 3
12 “Correcta instrumentación de tuberías, electroválvulas y motobombas para el buen funcionamiento del proceso”
3
13 “Un buen sistema de desagüe para la salida del agua sucia”. 2
14 “Que exista un manual de instrucciones del funcionamiento de la plantas y del proceso de osmosis inversa ” 2
15 “Que sea amigable con el medio ambiente” 3 16 “Diseño atractivo y estético” 1 17 “Que me genere un flujo del agua tratada de 13 GPM” 5 18 “Que trabaje con la red eléctrica de la ciudad” 3
La importancia dada a cada necesidad es del 1 al 5, siendo el 5 el valor máximo de importancia y 1 el mínimo.
39
9. METRICAS Y SUS UNIDADES
Cuadro 2. Lista de necesidad, requerimiento y métri cas
Necesidades Requerimientos Métrica imp. Unidad
“Que el proceso se realice solo, sin intervención diaria de operarios”
Proceso totalmente automatizado.
% del proceso automático
0 -
100 %
“Que haya un medio gráfico en el cual pueda observar y entender el proceso”
Interfaz hombre maquina (HMI) para visualización del proceso de Osmosis inversa en tiempo real.
Numero de data panel a implementar
1 - 5
Data panel
“Que pueda controlar el proceso en cualquier momento, a través de un medio grafico”
Interfaz hombre máquina (HMI) para control del proceso de osmosis inversa.
Numero de data panel a implementar
1 - 5
Data panel
“que exista instrumentación necesaria para visualizar el caudal y los sólidos disueltos del agua tratada”.
Instrumentación - caudal y solidos disueltos (TDS).
Numero de sensores
# sensores
“que exista instrumentación para el control del nivel de los tanque, para que no se desperdicie agua en el proceso”
Instrumentación sensores de Nivel.
Numero de Sensores
# Sensores
“Que el material de los tanques sea adecuado y resistente para el proceso”
Material de los contenedores propicio para el proceso de osmosis inversa.
Materiales aptos para el proceso
lista materiales (tanques)
Tipo de Material
“Que el material de las tuberías de agua sea adecuado y resistente para el proceso”
Material de las tuberías propicio para el proceso total de osmosis inversa.
Materiales aptos para el proceso
lista materiales (tubería)
Tipo de Material
“Que sea fácil de usar” Interfaz amigable con el usuario
Que sea estético
Subj. E-B-R-M
“Que sea fácil de mantener” Arquitectura modular
Numero partes
# partes
“Que se pueda usar de modo manual o automático”
Sistema que permita el uso de modo manual o automático
Modos de uso
2 Modos de uso
40
“Que el proceso cumpla con las normas de seguridad industrial”
Cumplimiento de normas de seguridad industrial
Normas seguridad
Lista norm
as normas
“Correcta instrumentación de tuberías, electroválvulas y motobombas para el buen funcionamiento del proceso”
Instrumentación adecuada, según las especificaciones el proceso.
Numero de instrumentos en el proceso
#
Instrumentos
(tuberías, válvulas y bombas)
Un buen sistema de desagüe para la salida del agua sucia”.
Diseño de ubicación de las tuberías óptimo para el desagüe.
N de partes tubería
# Partes
tuberías
“Que exista un manual de instrucciones del funcionamiento de la plantas y del proceso de osmosis inversa ”
Manual de funcionamiento de la planta.
N de manuales
1 manuales
“Que sea amigable con el medio ambiente”
Cumplimiento de las normas ambientales en Colombia
Numero normas
Lista normas.
normas
“Diseño atractivo y estético” Fachada llamativa y estética
Que sea estético
Subj. E-B-R-M
“Que me genere un flujo del agua tratada de 13 GPM”
Flujo de permeado de 13 GPM Flujo 13 GPM
“Que trabaje con la red eléctrica de la ciudad”
Funcionamiento con red electica publica Voltaje 110 Voltios
Cuadro 2 (Continuación)
41
10. Q.F.D
10.1 NECESIDADES VS. REQUERIMIENTOS.
Figura 7. Necesidades Vs. Requerimientos
42
10.2 RELACION DE LOS REQUERIMIENTOS.
Figura 8. Relaciones de los diferentes requerimient os
43
10.3 NECESIDADES CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES.
Figura 9. Benchmarking de las necesidades
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ALIS
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ax 10.9 –
min 2.2 )
NECESIDAD 1 2.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 1.2 6.0 10.9 /////////////////////
NECESIDAD 2 2.0 1.0 2.0 1.0 1.0 3.0 1.2 4.8 8.7 ///////////////////
NECESIDAD 3 2.0 1.0 3.0 2.0 2.0 3.0 1.2 6.0 10.9 /////////////////////
NECESIDAD 4 2.0 1.0 1.0 1.0 1.0 2.0 1.0 4.0 7.3 ////////////////
NECESIDAD 5 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 2.0 0.8 3.2 5.8 /////////////// NECESIDAD 6 3.0 2.0 3.0 2.0 2.0 2.0 0.8 2.4 4.4 //////////// NECESIDAD 7 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 3.0 5.5 ////////////// NECESIDAD 8 2.0 2.0 1.0 1.0 1.0 2.0 1.0 2.0 3.6 ////// NECESIDAD 9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 3.0 1.4 4.2 7.6 /////////////// NECESIDAD 10 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 1.0 4.0 7.3 ///////////////
NECESIDAD 11 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 1.0 3.0 5.5 ////////////
NECESIDAD 12 1.0 1.0 2.0 1.0 2.0 3.0 1.4 4.2 7.6 /////////////// NECESIDAD 13 2.0 1.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 2.0 3.6 ////// NECESIDAD 14 2.0 2.0 2.0 3.0 2.0 2.0 1.0 2.0 3.6 ////// NECESIDAD 15 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 3.0 5.5 /////////// NECESIDAD 16 2.0 2.0 3.0 2.0 2.0 3.0 1.2 1.2 2.2 //// NECESIDAD 17 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 0.8 3.0 3.6 /////// NECESIDAD 18 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 0.8 3.0 3.6 ///////
44
10.4 REQUERIMIENTOS CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES.
Figura 10. Benchmarking de los requerimientos
RE
QU
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IMIE
NT
O 1
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NT
O 18
IMPORTANCIA DEL ‘COMO’ 292.7
193.1
397.1
248.4
119.3
122.2
212.0
139.3
363.3
212.7
288.0
174.2
109.1
118.5
245.5
199.3
139.3
139.3
PORCENTAJE IMPORTANCIA DEL ‘COMO’
8.5
5.6
11.6
7.2
3.5
3.6
6.2
4.1
10.6
6.2
8.4
5.1
3.2
3.5
7.1
5.8
4.2
4.2
PORCENTAJE DE IMPORTANCIA (MAX 11.6
- MIN 3.2)
///////////////////
/////////
//////////////////////
/////////////////
/////
//////
///////////
/////////
///////////////////
///////////
/////////////////
//////////
//////
///////
///////////////
///////////
/////////
/////////
ACTUAL PRODUCTO 2 2 1 2 3 3 2 2 1 2 3 1 2 2 2 2 2 2 IMH 3 1 1 1 3 2 2 2 1 3 3 1 1 1 2 2 2 3 AMPAC 3 1 2 1 3 3 3 3 1 3 3 2 2 2 2 3 3 2 UNITEK 3 1 1 1 3 2 2 3 1 3 3 2 2 3 2 2 3 3 LENNTECH 3 1 1 1 3 2 2 2 1 3 3 2 2 2 2 2 2 2
45
11. ANALISIS DE LAS NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS
Por medio de las tablas recopiladas en el proceso de QFD y a través de los datos estadísticos obtenidos, se puede realizar un estudio de las principales necesidades a implementar en el proyecto, así como una comparación detallada de las mayores fortalezas y debilidades de las empresas competidoras.
Figura 11. Importancia dada a cada necesidad en QFD
Figura 12. Porcentajes de los requerimientos de QFD
46
En la Figura 11. Se logra deducir que:
- El Lograr un proceso completamente automatizado por medio de un sistema de control es muy importante para el proyecto.
- La implementación de un medio físico que permita la visualización del proceso y
el control de la salida de agua es importante. - El material, diseño y las especificaciones requeridas, se deben tener en cuenta
para el desarrollo del proyecto. En la Figura 12. Se logra deducir qué:
- Los requerimientos (1,3), un proceso totalmente automatizado e interfaz HMI
son los que mayor peso promediado tiene, lo que hace que sea importante enfocarse más adelante el cómo desarrollar satisfactoriamente estos requerimientos.
- Los requerimientos (2, 4, 9, 10) se enfocan principalmente en la misión de
obtener y brindar información al usuario del proceso y de los resultados por medio de HMI, lo cual es importante tener en cuenta para el proyecto.
- Igual que en las necesidades, el diseño a implementar y el material a utilizar,
obtuvieron un promedio no muy alto, pero no quiere decir que dejen de ser importantes para la distribución en el mercado.
Figura 13. Comparación de Benchmarking de las neces idades
47
Es importante mencionar que existen en el mercado mundial una gran cantidad de empresas dedicadas al desarrollo de plantas para el tratamiento de agua de osmosis inversa. Para poder realizar el Benchmarking, se tuvo en cuenta las principales empresas dedicadas al desarrollo de plantas de osmosis inversa, con la mejor tecnología utilizada actualmente, y que preferiblemente desarrollen plantas semi o completamente automatizadas, con el fin de lograr comparar las principales fortalezas y debilidades, para de esta forma poder entrar en el mercado nacional con innovación y tecnología actual. Las principales plantas de osmosis inversa que se analizaron para el desarrollo de Benchmarking fueron: - IHM (Colombia). Empresa líder en Colombia y en el Grupo Andino en la fabricación de Motobombas y equipos de Presión, comercializamos motores, plantas de tratamiento de agua, plantas eléctricas y compresores de las más prestigiosas marcas del mundo. - AMPAC USA 1000 GPD. AMPAC-USA es una de las mejores empresas en Estados Unidos, en relación al desarrollo de plantas para tratamiento de agua, incluyendo plantas de osmosis inversa, y la AMPAC USA 1000 GPD es una de las plantas de osmosis inversa más vendidas por su automatización y capacidad de almacenamiento y producción de agua tratada. - UNITEK (Argentina). Compañía que desde 1993 desarrolla proyectos de ingeniería y produce sistemas de alta tecnología para el re-uso y tratamiento de aguas. Diseña, fabrica y comercializa equipos con una concepción tecnológica de última generación que permite optimizar las características físicas, químicas o microbiológicas del agua. - LENNTECH (Holanda). Proporciona todo tipo de soluciones a problemas de tratamiento de aguas, desde aplicaciones domésticas hasta proyectos llave en mano de plantas industriales de 5000m3/día. En la siguiente figura (Figura 14). Se puede observar el total acumulado, de cada una de las plantas analizadas en el benchmarking, con respecto a la importancia de las necesidades, y se puede ver fácilmente, que AMPAC USA, es una competencia relevante a tener en cuenta para las características a desarrollar en el proyecto, ya que es la que mejor suple las necesidades de los usuarios, por lo cual este modelo de planta puede ser fuente de inspiración para el diseño de la planta final a desarrollar.
48
Figura 14. Porcentaje que las diferentes empresas l e dan a las necesidades
Figura 15. Benchmarking de los requerimientos
Por medio de la comparación del benchmarking de los requerimientos, se puede deducir, que la automatización, el material de los tanques y los modos de operación de la planta, son requerimientos vitales para el desarrollo de las plantas de osmosis inversa. Las plantas de osmosis inversa completamente automatizadas y con HMI no son un factor común en todas las plantas, lo que genera una gran ventaja a la hora de mostrar el producto a desarrollar.
49
12. GENERACION DE CONCEPTOS
12.1 DESCOMPOSICION FUNCIONAL
A través de las Figuras 16 y 17 se pretende dividir el proceso en funciones y sub funciones más simples, con el fin de lograr describir específicamente cual es la responsabilidad de cada elemento del producto para implementar la función principal.
Figura 16. Caja negra del sistema
La Figura 16 nos muestra la caja negra del sistema, en donde podemos ver una simplificación de lo que se desea hacer con la planta de osmosis inversa, en donde se trabajaran principalmente con energía eléctrica para alimentación de las plantas, tratamiento de agua por medio del proceso químico interno de cada etapa de filtración de las plantas y control del proceso por medio de señales internas o externas al proceso. 12.2 SUBFUNCIONES La figura 16 es un esquema muy general del proceso de la planta de osmosis inversa, la cual no brinda la suficiente información para profundizar y descomponer el proceso en sub-funciones y sub-conceptos, que permitan entender de manera más detallada el sistema como tal. Por lo cual se realiza el siguiente gráfico, con el fin de descomponer el sistema en sub-funciones más detalladas, en otras palabras, mostrar el interior de la caja
50
negra, para entender como manipula el sistema las entradas y concibe las salidas deseadas.
Figura 17. Descomposición funcional del sistema
La línea bordeada significa la materia a utilizar para el proceso, en este caso agua a tratar, la línea punteada son la señales que recibe la planta para controlar el proceso de la planta y toda su instrumentación, y la línea delgada, es la energía que el proceso necesita para el desarrollo total de la planta y su funcionamiento.
12.3 CONCEPTOS GENERADOS
- Almacenar o aceptar Energía Externa
• Combustión aire/combustible • Aire comprimido(Neumática) • Energía eléctrica tomada desde una pared • Energía eléctrica tomada desde una batería • Energía eléctrica inalámbrica (wiretricity) • Celdas solares
51
• Energía eólica • Energía hidráulica • Calentamiento de vapor
- Convertir energía a señales de control
• Controlador Lógico Programable (PLC) • Micro – Controladores Familia AT89, PIC. • PC Industrial
- Determinar tiempos de cada etapa
• Relés conectados a diagramas eléctricos • Contadores internos de PC • Contadores Internos de PLC • Contadores Internos de Micro – Controlador
- Servo actuadores para flujo de agua de los tanques
• Válvulas solenoides • Válvulas motorizadas • Válvulas de bola • Válvulas de apriete • Válvulas de mariposa
- Extracción de agua
• Motobombas Eléctricas
- Almacenar agua de entrada y de salida
• Tanques cilíndricos • Tanques Cuadrados
- Sensor nivel
• Sensores de flotador • Sensores resistivos de pulsador • Señores ultrasonido • Sensores por electrodos
52
- Sensor flujo rechazado y aceptado
Fluxómetros de pistón • Fluxómetro de paleta • Fluxómetro de elevación
- Sensor TDS
• TDS Digital
- Mostrar Variables al usuario
• Data Panel • PC • LCD
53
12.3.1 Alternativas de diseño
Cuadro 3. Principales alternativas de diseño
Conc.
Control proceso
Valvulasimpulsion de
aguaAlmacenam/ de
aguasensar nivel sensar flujo sensar TDS
Interfaz frafica
APLC motorizadas
motobomba electrica
Tanques cilindricos electrodosflujometro de
elevacion TDS Digital data - panel
BMicro-
Procesadorsolenoide
motobomba electrica
tanques cuadrados flotadorflujometro de
piston TDS Digital LCD
CPC -Industrial
valvula de bola
bomba manual taques cuadrados ultra - sonidoflujometro de
paleta TDS Digital PC
D PLC motorizadasmotobomba
electricatanque cilindricos resistivo
flujometro de paleta
TDS Digital data - panel
EMicro-
Procesadorsolenoide
motobomba electrica
Tanques cilindricos resistivoflujometro de
elevacion TDS Digital LCD
F PC -Industrial motorizadasmotobomba
electricatanque cuadrados flotador
flujometro de piston
TDS Digital PC
G PLCvalvula de
bolabomba manual Tanques cilindricos flotador
flujometro de piston
TDS Digital data - panel
HMicro-
Procesadorvalvula de
bolabomba manual tanques cuadrados ultra - sonido
flujometro de paleta
TDS Digital LCD
I PC -Industrial soleniode bomba manual Tanques cilindricos resistivoflujometro de
elevacion TDS Digital PC
J PLCvalvula de
aprietemotobomba
electricatanques cuadrados ultra - sonido
flujometro de paleta
TDS Digital data - panel
54
Es importante aclarar que se presentan todo una serie de opciones para suplir las sub funciones individuales de las plantas, con el fin de analizar cual opción es la más adecuada para el desarrollo de cada función, pero esto no quiere decir que se vaya a tener en cuenta todas las opciones generadas, ya que se presentan opciones que no son viables para el desarrollo del concepto. En el cuadro 3 se presenta diferentes tipos de conceptos generados, siendo estos los más factibles para el desarrollo del diseño, y desarrollados a partir de la combinación de las diferentes sub funciones formadas anteriormente. Se podrían presentar muchas más combinaciones para la formación de conceptos, pero por medio de un análisis de viabilidad, se determinaron no viables a causa de las condiciones tecnológicas, de seguridad, confiabilidad, costos y experiencias pasadas. Se debe tener en cuenta que, la energía externa será implementada por la red eléctrica, y el transporte del agua de una etapa a otra se hará por medio de tuberías, esto se hace porque son restricciones de la empresa que se deben considerar a la hora de desarrollar el diseño.
12.4 SELECCIÓN DE CONCEPTOS Para poder desarrollar la selección de conceptos, se optó por tamizar y evaluar los conceptos a través de un método estructurado de matriz de selección, con el fin de lograr generar un análisis del o los posibles conceptos viables a la hora del diseño del producto final. Se tomara como referencia las plantas de osmosis inversa desarrolladas actualmente por la empresa Ignacio Gómez IHM S.A, ya que es una empresa nacional con bastante experiencia y prestigio, y con plantas dotadas de una muy buena tecnología.
Cuadro 4. Método estructurado de matriz de selecció n
VARIANTES DE CONCEPTOS
REF. A B C D E F G H I J
“Que el proceso se realice solo, sin intervención diaria de operarios”
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
“Que haya un medio gráfico en el cual pueda observar y entender el proceso normal”
+ 0 - 0 + - - 0 0 - 0
“Que pueda controlar el proceso en cualquier momento, a través de un medio grafico”
+ 0 - + + + - - - + 0
55
“que exista instrumentación necesaria para controlar caudal y presión del agua tratada”
+ + + + + + + + + + 0
“Que el material de los tanques sea adecuado y resistente para el proceso”
0 - - 0 0 - 0 - 0 - 0
“Que el material de las tuberías de agua sea adecuado y resistente para el proceso”
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
“Que sea fácil de usar” + + 0 + + 0 + 0 0 - 0
“Que sea fácil de mantener” - - - + - - 0 + 0 - 0
“Que pueda observar por algún medio gráfico las presiones y caudales que interviene en el proceso de osmosis inversa”
+ + + + + + + + + + 0
“Que se pueda usar de modo manual o automático”
+ + + 0 0 + - - - + 0
“Que el proceso cumpla con las normas de seguridad industrial”
0 - - 0 0 - 0 - 0 - 0
“Que tenga instrumentación, para el control de nivel en los tanques de agua de entrada (sin tratamiento) y de agua de salida (agua tratada)”
+ + + + + + + + + + 0
“Que tenga un buen sistema de desagüe para la salida de agua del lavado de los tanques ”
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
“Que exista un manual de instrucciones del funcionamiento de la plantas y del proceso de osmosis inversa ”
+ + + + + + + + + + 0
“Que sea amigable con el medio ambiente”
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
“Que tenga un diseño atractivo y estético”
+ 0 0 - + + 0 - + - 0
POSITIVOS 9 6 5 7 8 7 5 5 5 6
IGUALES 6 7 6 8 7 5 8 6 9 4
NEGATIVOS 1 3 5 1 1 4 3 5 2 6
TOTAL 8 3 0 6 7 3 2 0 3 0
Cuadro 4 (continuación)
56
12.5 ANALISIS DE LOS RESULTADOS Por medio de la comparación de las diferentes variantes de concepto con respecto a las necesidades latentes en las plantas de osmosis inversa, se desarrolla una comparación de los conceptos en la Figura 18, con el fin de analizar más fácilmente las opciones de conceptos que más convienen para el diseño final.
Figura 18. Comparación de la evaluación de concepto s
A través del Figura 18, se puede observar fácilmente que los conceptos A y E, son las opciones más favorables para el proyecto de diseño de las plantas de osmosis inversa, por su completa automatización, su instrumentación a utilizar, sus medio de control, su formas de visualización de variables y por su armonía con respecto al medio ambiente y al usuario en general. Es necesario tener en cuenta que los dos conceptos, son muy similares a la hora de hablar de diseño físico e instrumentación requerida, pero tiene una variante con respecto a la forma de controlar el sistema. El concepto A usa un PLC y un Data panel, mientras que el concepto E, usa un Micro Controlador y un LCD, por lo tanto es importante estudiar más a fondo las dos opciones generadas, y ver cuál es el mejor diseño para la empresa, con respecto a su implementación, satisfacción de necesidades y costos generados.
57
12.6 SELECCIÓN DETALLADA DE CONCEPTOS Teniendo en cuenta las especificaciones del producto, las premisas y restricciones previamente estudiadas y las principales necesidades del cliente con respecto al diseño de las plantas de osmosis inversa, se podrá deducir cual es el mejor concepto, entre los dos más relevantes, para dicho diseño. A continuación se expondrá los ítems más importantes a tener en cuenta a la hora de la comparación entre conceptos. • Eficiencia • Costos • Control de tiempos • Mantenimiento • Dimensionado
Cuadro 5. Selección detallada de conceptos
El peso de cada especificación esta dado de 1 a 3, siendo 3 el más importante y 1 el menos importante.
Especificaciones Concepto A Concepto E Eficiencia 3 2
Costos 2 3 Control 3 3
mantenimiento 3 1 dimensionado 2 3
total 13 12
Teniendo en cuenta una de las principales premisas y restricciones de diseño, en cuanto a sistemas robustos que se desempeñen bien en áreas industriales, el concepto B no se factible a tener en cuenta, ya que los sistemas con micro-controladores, no son sistemas aptos para trabajar en ambientes industriales pesados. El concepto A, es un concepto bien fundamentado a la hora de hablar de instrumentación, control, automatización y eficiencia, es importante aclarar que los costos con respecto al concepto B son más elevados, pero tiene un sistema de control robusto, que permite el fácil mantenimiento y el correcto funcionamiento en áreas industriales, y esto conlleva a que la inversión sea fácilmente recuperable.
58
13. TIPO DE ARQUITECTURA
En el cuadro 6 se presentan los principales elementos físicos que conforman las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa, con sus respectivos elementos funcionales, los cuales se deducen del concepto A generado y seleccionado en la etapa de generación de conceptos. De igual manera Por términos de economía, simplicidad, reutilización y actualización, se cree conveniente la implementación de una arquitectura modular, que permita obtener los componentes sin mayor problema y que de la facilidad de mantenimiento y recambio de piezas, por parte del usuario. 13.1 ARQUITECTURA DEL PRODUCTO
Cuadro 6. Arquitectura del producto
ARQUITECTURA DEL PRODUCTO
DIS
EÑ
O D
E P
LAN
TA
DE
TR
AT
AM
IEN
TO
DE
AG
UA
DE
O
SM
OS
IS IN
VE
RS
A P
AR
A E
MP
RE
SA
DO
BE
R O
SM
OS
TE
CH
D
E C
OLO
MB
IA L
TD
A.
ALIMENTACION ELECTRICA
RED ELECTRICA 110Vac - (60Hz)
CONTROL Y VISUALIZACION DE
VARIABLES
PLC DATA PANEL
SENSORES NIVEL TDS
CAUDAL
ALMACENAMIENTO Y PRODUCCION
TANQUES
ARENA CARBON
SUAVIZADOR SALMUERA
AGUA TRATADA AGUA SIN TRATAR
TUBERIAS COLECTORES
SISTEMA DE FITLTROS
LECHOS ARENA
CARBON ACTIVADO RESINA
SISTEMA DE OSMOSIS INVERSA
TANQUES
MEMBRANA SEMIPERMEABLE
SERVOACTUADOR MOTOBOMBAS
ELECTRO-VALVULAS OTROS VALVULAS E INTERRUPTORES
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13.2 ARQUITECTURA ELECTRONICA Por medio de la arquitectura electrónica del concepto seleccionado, se puede observar de forma detallada las funciones que tiene cada uno de los componentes electrónicos en la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa, y se puede visualizar la arquitectura electrónica, fundamentalmente en tres etapas. La etapa de control por medio del PLC, la etapa de la visualización de variables por medio del data Panel y la etapa de instrumentación que permite el desarrollo del proceso y define la información a controlar. Figura 19. Arquitectura electrónica
13.3 ARQUITECTURA MECANICA De igual manera como existe una arquitectura de control y automatización electrónica, existe una arquitectura mecánica, que tiene vital importancia en el proceso de tratamiento de agua, ya que en ella se tienen en cuenta factores tales como la mecánica de fluidos, la resistencia de los materiales de los tanques, la
60
capacidad de almacenamiento de cada tanque y el respaldo ingenieril de que la planta física general cumpla con el proceso de manera correcta. En la arquitectura mecánica, se observa los principales factores que determinan la producción de agua tratada y el medio físico necesario para el cumplimiento de dicha meta.
Figura 20. Arquitectura Mecánica
13.4 PROCESO QUIMICO Las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa, generalmente trabajan con unas etapas de filtración que anteceden al proceso de osmosis inversa como tal, esto se realiza con el fin de garantizar los mejores resultados con lo concerniente a la purificación del agua. Para poder diseñar y automatizar una planta de tratamiento de agua de osmosis inversa con todas sus etapas de filtración, se debe tener en cuenta el factor físico-químico, el cual nos permite entender detalladamente el proceso de tratamiento del agua. Las herramientas tecnológicas, ya sea electrónicas o mecánicas, están al servicio del proceso químico que afecta al agua, por lo tanto el diseño de la planta de
61
tratamiento de agua de osmosis inversa, nace de la comprensión total de dicho proceso. Figura 21. Proceso químico de pre-tratamiento de ag ua
13.5 FUNCIONALIDAD DE CADA ELEMENTO FISICO
Cuadro 7. Funcionalidad y relación de elementos fís icos
ELEMENTO FISICO ELEMENTO FUNCIONAL Red eléctrica 110 Vac , 60Hz. Provee la energía eléctrica del sistema
PLC Elemento encargado de procesar y controlar el ciclo de tratamiento de la planta
Data panel Medio físico que permite la visualización e interacción con las variables de la planta
Electro - Válvulas Permiten el paso controlado del agua a tratar a través de unos estímulos eléctricos en determinado tiempo
Motobombas Generan presión en el proceso para el constante fluido del agua
Sensores Suministran información externa del proceso Tanques de almacenamiento y tratamiento
Almacenan, procesan y protegen el agua, para el correcto funcionamiento del tratamiento
Tuberías Medio físico encargado de transportar el agua de una etapa de tratamiento a la otra o hacia el exterior
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13.6 INTERACCION ENTRE MODULOS A través de las figuras N° 19, 20 y 21 se desea dar una idea clara del funcionamiento de cada una de los elementos físicos, con sus respectivas funciones, y por medio de la Figura 22 se pretende explicar más generalizadamente cada uno de las interacciones de los elementos para el desarrollo del proceso total de tratamiento de agua por osmosis inversa.
Figura 22. Interacción entre módulos de elementos f ísicos
Es posible observar en la figura 22, como en la interacción entre módulos es de vital importancia para el completo desarrollo del proceso de tratamiento de agua. La parte de control, constituida por el PLC, los sensores y la interfaz gráfica, brindan los tiempos y las acciones necesarias a las electroválvulas para desarrollar el proceso de cada etapa de tratamiento correctamente; La parte de servo actuadores, constituida por las electroválvulas y motobombas, son la implementación instrumental que permite el traspaso físico del agua a tratar de una etapa de tratamiento a otra según el controlador; Y por último esta la implementación física y del procesos como tal, constituida por los tanques, las tuberías, la red eléctrica y la membrana semipermeable, conjunto que permite manejar e implementar las variable y el proceso total.
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14. PROTOTIPADO
El proceso del prototipado, es una etapa muy importante en el proyecto, ya que se busca dar a conocer la apariencia final del producto, además de su nivel de funcionalidad, esteticidad y practicidad.
Figura 23. Diferentes prototipos a desarrollar
En la figura 23 se puede ver 3 prototipos a desarrollar, un prototipo físico-parcial con el cual se desea brindar una aproximación visual del producto, con el fin de comunicar una posible apariencia física final y poder integrar los diferentes subsistemas desarrollados; y un prototipo parcial-analítico con el que se desea mostrar el nivel de funcionalidad de la planta en términos de programación y automatización, y un prototipo físico completo, con el cual se desea tomar como piloto de prueba del PLC y del HMI, con el fin de verificar el correcto funcionamiento del control y la automatización de la planta. 14.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO A través del software informático Solid Edge y sus herramientas de diseño CAD-CAE se implementa un prototipo físico parcial en 3D de cada uno de los tanques que conforman toda la planta de osmosis inversa, los cuales son: Tanques de almacenamiento del agua, tanque de pre filtro de arena, tanque de pre filtro de carbón, tanque suavizador con su respectivo depósito de salmuera y la planta de osmosis inversa.
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Es importante aclarar que las medidas de las plantas de osmosis inversa, se desarrollan según el pedido de la producción deseado del cliente, por lo tanto las medidas y materiales de cada tanque son variables. A continuación se procede a analizar la forma como se deduce las medidas de los tanques, por medio de ecuaciones matemáticas, consideraciones de diseño y especificaciones del cliente. 14.1.1 Especificaciones para el diseño de la planta .
Cuadro 8. Especificaciones para el desarrollo del d iseño
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
ESPECIFICACION VALOR UNIDAD
CAUDAL PRETRATAMIENTO (Q) 20 GPM Galones por minuto DUREZA AGUA CRUDA 60 PPM Partes por millón RATA VELOCIDAD FILTRO DE ARENA 3 - 5 GPM/FT^2 Galones por minuto/pie cuadrado RATA VELOCIDAD FILTRO DE CARBON
8 GPM/FT^2 Galones por minuto/pie cuadrado
VELOCIDAD DE FLUIDO EN LA TUBERIA PVC
3,28 Ft/Seg Pies/segundo
VELOCIDAD DE FLUIDO TUBERIA ACERO
7 Ft/Seg - 10 Ft/Seg. Pies/segundo
ALTURA CONSTANTE DE LECHOS 3 Ft Pies
TIEMPO DE REGENERACION RESINA 7 Días
MATERIAL TUBERIAS PVC
FUENTE DEL AGUA ACUEDUCTO
En el cuadro 8 se puede ver una serie de especificaciones muy relevantes para el desarrollo del diseño del prototipo 3D, con las cuales se permite hacer un estudio de ingeniería detallado. Es importante tener en cuenta que el caudal, el material de las tuberías y la fuente de agua son especificaciones dadas por el cliente, además la dureza y el tiempo de regeneración de la resina son valores comunes en los tipos de agua de acueducto, y por ultimo las ratas de velocidades de los filtros, la velocidad constante de la tubería PVC y la altura del lecho son consideraciones de la empresa con las cuales las plantas han trabajado correctamente. Se debe considerar a la hora del diseño, que los tanques deben ser como mínimo 50% más altos que la altura del lecho. Con el fin de dar espacio a los medios de distribución del agua de entrada (colectores). En el siguiente cuadro se desea mostrar una pequeña lista de los materiales más usados a la hora del desarrollo de las plantas de tratamiento de agua.
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Cuadro 9. Materiales más usados para los tanques de la planta
MATERIAL COSTOS RENDIMIENTO DIMENSIONADO PVC bajo Bajas presiones Dimensionadle ACERO AL CARBON Medio Altas presiones Dimensionadle ACERO INOXIDABLE Alto Altas presiones Dimensionadle FIBRA DE VIDRIO medio Medias presiones estándar
Nota: es importante tener en cuenta que los tanques de fibra de vidrio, tienen medidas estándar, lo cual no permite un diseño personalizado según los datos obtenidos a través del estudio de dimensiones, y los tanques de PVC no son viables a la hora de hablar de altas presiones, por lo tanto se tendrá en cuenta a la hora del diseño de manufactura solamente la cotización de los precios de acero inoxidable y acero al carbón.
14.1.2 Ecuaciones matemáticas a tener en cuenta. A la hora del diseño de la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa, se hace necesario tener un conocimiento mínimo de algunas herramientas matemáticas básicas, para comprender la obtención de las medidas reales de los tanques, ya sea su diámetro, volumen, volumen de los lechos, alturas, entre otros. • Caudal:
Dónde: A: área (ft2). Q: Caudal (galones por minuto (gpm)). Vf: Velocidad final (gpm/ft2).
• Área:
Dónde: A: área (ft2). D: Diámetro (ft).
66
• Volumen de un cono partido:
Figura 24. Volumen de un cono
• Conversión de medidas:
1 ft = 12” 1” = 2.5 cm. 1gpm = 4 Lpm (Litro por minuto).
14.1.3 Calculo de cantidad de salmuera por suavizad or. La función de la salmuera es la regeneración de la resina del suavizador, ya que dicha resina al entrar en contacto con el agua a tratar, desarrolla un intercambio iónico de moléculas de sodio por moléculas de calcio y magnesio, hasta que las moléculas de sodio se hayan agotado. Es ahí donde entra en función la salmuera, ya que ella introduce nuevamente moléculas de sodio, a través de cloruro de sodio (sal) con agua. A partir de este concepto, se puede deducir fácilmente que la cantidad de la salmuera depende directamente del volumen de la resina que se vaya a utilizar en el proceso de suavización, y teniendo en cuenta que el porcentaje de disolución de la sal es a un 30%, se puede obtener la cantidad de agua mínima para la regeneración de la resina con salmuera.
14.1.4 Análisis de motobombas. Para la selección de las motobombas, y su correcto funcionamiento en la planta, se debe tener en cuenta algunos factores importantes, los cuales son:
- Tipo de fluido: Agua de acueducto - Temperatura de trabajo: 20°C - 30°C - Caudal: 20 GPM - Diámetro de la tubería: 11/2 (calculada)
67
14.2 DISEÑO TANQUE DE ARENA.
Cuadro 10. Principales medidas del tanque de arena
Características principales Medida Simbología
Flujo (pedido del cliente) 20 gpm (80 Lpm) Q Velocidad (x la empresa) 5 gpm/ft2 Vf Altura del lecho (según flujo) 1,7 ft (20”) h Área del tanque Calcular A Diámetro del tanque Calcular D Volumen del lecho Calcular Vl Altura del tanque Calcular H
• Área:
• Diámetro:
• Volumen del lecho:
• Altura del tanque:
Para los tanques de arena es necesario como mínimo un lecho de 16” para el correcto funcionamiento del filtro, por lo tanto se requiere que el lecho sea de 20” de altura (un poco mayor a lo mínimo por precaución). Si la altura del lecho de arena es de 20”, la altura del tanque de arena será igual a:
68
14.2.1 Datos obtenidos.
Cuadro 11. Datos obtenidos del filtro de arena
Variable Cantidad
Área del tanque Diámetro Volumen del lecho Altura del tanque
14.2.2 Prototipo 3D.
Figura 25. Prototipo 3D filtro de arena
69
14.3 DISEÑO TANQUE DE CARBON ACTIVADO
Cuadro 12. Principales medidas del tanque de carbón activado
Características Principales Medidas Simbología Flujo (pedido del cliente) 20 gpm (80 Lpm) Q Velocidad (Empresa) 8 gpm/ft2 Vf Altura del lecho (según flujo) 3 ft (36”) h Área del tanque Calcular A Diámetro del tanque Calcular D Volumen del lecho Calcular Vl Altura del tanque Calcular H
• Área:
• Diámetro:
• Volumen del lecho:
• Altura del tanque:
14.3.1 Datos obtenidos.
Cuadro 13. Datos obtenidos del filtro de carbón act ivado
Variable Cantidad
Área del tanque Diámetro Volumen del lecho Altura del tanque
70
14.3.2 Prototipo 3D.
Figura 26. Prototipo 3D filtro de carbón activado
14.4 DISEÑO TANQUE DE SUAVIZADOR Cuadro 14 . Principales medidas del tanque de suavizador
Características Principales Medidas Simbología Flujo (pedido del cliente) 20 gpm (80 Lpm) Q Dureza 60 ppm D Velocidad (constante) 9 gpm/ft2 Vf Altura del lecho (según flujo) 3 ft (36”) h Área del tanque Calcular A Diámetro del tanque Calcular D Volumen del lecho Calcular Vl Altura del tanque Calcular H
Para el desarrollo de las medidas correctas del tanque del suavizador, se deben considerar algunas de las especificaciones del tipo de agua cruda a tratar. Caudal (Q): 20 GPM. Dureza: 60 ppm (típica de agua de acueducto).
71
Días transcurridos en operación normal: 7 días. Cada 8 días se hará un retro lavado y regeneración de la salmuera. 7días * 24 horas = 168 horas * 60 min = 10080 min
Tener en cuenta que existe una constante que relaciona la dureza con los granos de la resina del suavizador.
El volumen de la resina es igual a:
La constante de la resina se encuentra en las hojas de información de las resinas para suavizadores, siendo la más común 30 Kgrano/pie3 Por lo tanto:
La altura más aconsejable de la resina es de 3 pies de altura, por lo tanto podemos encontrar el área necesaria, con dicha altura, para abracar el volumen encontrado anteriormente.
72
Altura del tanque:
14.4.1 Datos obtenidos.
Cuadro 15. Datos obtenidos del suavizador
Variable Cantidad Área del tanque Diámetro Volumen de resina Altura del tanque
14.4.2 Prototipo 3D.
Figura 27. Prototipo 3D suavizador
73
14.5 DISEÑO TANQUE DE SALMUERA
El diseño del tanque de salmuera depende directamente de la cantidad de resina que se va a usar en el proceso de regeneración, por medio de la siguiente relación:
- Cloruro de sodio (sal) = 5 - 15 lb/ft3 de resina - Saturación del cloruro de sodio (sal) = 30% Se tiene que el volumen de resina correcto en la planta es de 23,58 ft3 y la operación que relaciona el volumen de resina con la cantidad de sal, por lo tanto se deduce que:
Volumen resina: 23,58 ft3 Rata de relación: 10 lb/ft3
(23, 58 ft3)(10 lb/ft3) = 235, 8 lb = 107 Kg = 107000 g
Por medio de la relación porcentaje Peso/Peso (%P/P), podemos obtener la cantidad mínima de agua necesaria para para la disolución de cloruro de sodio.
Teóricamente se sabe que 1 gramo de agua (peso) es equivalente a 1 mililitro de agua (volumen), por lo tanto:
356700 gr == 356700 ml == 356.7 Litros de agua.
Es recomendable que no se trabaje con el mínimo de agua requerido para la disolución del cloruro de sodio sino que se trabaja con un margen de tolerancia que permite una mejor disolución del cloruro de sodio, se escoge por lo tanto un volumen de agua un poco mayor, aproximadamente 500 Litros de agua
14.5.1 Datos obtenidos.
Cuadro 16. Principales medidas del tanque de salmue ra
Características Principales Medidas Volumen de salmuera 500 Lts. (30512 pulg3) Radio superior 22” Radio inferior 18” altura 24,2”
74
14.5.2 Prototipo 3D.
Figura 28. Prototipo 3D tanque salmuera
Tener en cuenta que el volumen necesario del tanque de la salmuera para la regeneracion del suavizador de las condiciones encontradas debe ser de 500 lts para su funcionamiento optimo. 14.6 DISEÑO TANQUES DE ALMACENAMIENTO
Para el diseño de los tanques de almacenamiento de agua cruda y de agua tratada, se debe tener en cuenta que:
La fuente de agua cruda a tratar es del acueducto de la ciudad de Cali, lo cual no generaría la necesidad de un tanque de almacenamiento de agua cruda al inicio del proceso, pero por razones de seguridad para la empresa usuaria de la planta de osmosis inversa, se debe tener en cuenta la posibilidad de que se presenten problemas ajenos a esta, como podría ser la suspensión del agua en el acueducto, lo cual haría factible el almacenamiento de agua al inicio del proceso.
20 galones por minuto es el caudal de la fuente de entrada de agua a la planta de osmosis inversa, la cual produce agua de 8 gpm máximo, lo cual significa:
Caudal Agua entrada: 20 gpm. Caudal agua rechazo: 12 gpm. Caudal agua permeada: 8 gpm.
75
14.6.1 Datos obtenidos
Cuadro 17. Conversión de GPM a LPD para Pre tratami ento
Producción galones por minuto
Producción litros por minuto
Producción litro por hora
Producción litro por día
20 gpm 80 Lpm 4800 Lph 115200 Lpd
Cuadro 18. Conversión de GPM a LPD general de la pl anta
Producción galones por minuto
Producción litros por minuto
Producción litro por hora
Producción litro por día
8 gpm 32 Lpm 1920 Lph 46080 Lpd
14.6.2 Prototipo 3D
Figura 29. Prototipo 3D tanque almacenamiento
14.7 DISEÑO TUBERIAS DE LA PLANTA En el cálculo del diámetro de las tuberías se tiene en cuenta la necesidad de mantener una presión constante dentro de cada tanque del pre-filtrado del proceso de osmosis inversa, además se debe tener en cuenta que el proceso normal de filtración del agua se da por medio de un flujo laminar con presión constante, y a través de unos colectores que tiene la función de distribuir el agua ecuánimemente por toda el área dentro de los tanques, y en las etapas de retro lavado, los tanques necesitan un flujo turbulento, que permita agitar y eliminar las sustancias removidas del agua en proceso normal, lo cual demanda un flujo mayor y por ende un diámetro mayor al del proceso normal. Teóricamente se tiene que:
- 1 ft3 = 7,48 galones - Velocidad tubos (PVC) = 3,28 ft/seg = 169.8ft/min
76
Por lo tanto:
”
14.7.1 Datos obtenidos.
Cuadro 19. Datos obtenidos del análisis las tubería s
Variable Cantidad
Área tubería Diámetro tubería ”
Velocidad tubo PVC 3,28 ft/seg
14.7.2 Prototipo 3D
Figura 30. Prototipo 3D Tuberías
77
14.8 DISEÑO DE COLECTORES
Los Colectores, son instrumentos ubicados a la entrada y salida de los tanques de pre-tratamiento de agua del sistema de osmosis inversa, los cuales permiten la distribución uniforme del agua de entrada y de salida, con el fin de aprovechar al máximo los lechos de cada etapa de filtrado y hacer que el agua a tratar y los lechos de tratamiento de cada etapa trabajen a su máxima capacidad. Los colectores están entre los instrumentos más importantes en el proceso de tratamiento de agua, ya que permiten el riego uniforme del agua a tratar, controlan parte de la presión ejercida dentro de los tanques y permiten aprovechar al máximo los lechos de cada etapa. Entre los colectores usados en la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA. Están los llamados “espina de pescado”, los cuales trabajan muy bien en este tipo de plantas. 14.8.1 Prototipo 3D
Figura 31. Prototipo 3D Colectores
14.9 PROTOTIPO 3D INSTRUMENTACION
14.9.1 Válvulas. el papel que cumplen las válvulas en los procesos de tratamiento de agua de osmosis inversa es determinante para la obtención del agua específica deseada, el mantenimiento de los filtros y control diario del proceso total.
Las válvulas son dispositivos mecánicos o electromecánicos con los cuales se puede iniciar, detener o regular la circulación de líquidos, en este caso agua, mediante una pieza móvil que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
78
14.9.1.1 Prototipo 3D Válvulas electrónicas. Para el correcto funcionamiento del proceso de la planta de osmosis inversa, y por medio de la selección de conceptos, se escogió electroválvulas motorizadas, con el fin de lograr evitar al máximo caídas de presión bastantes altas y obtener el mejor rendimiento posible.
Figura 32. Prototipo 3D Electro-válvulas
14.9.1.2 Prototipo 3D válvula manual. el principal papel que cumple la incorporación en el sistema de una válvula manual en el proceso, es poder obtener en cualquier momento por parte del operario de la planta, una muestra aleatoria que permita comprobar las características internas del agua y verificar que la planta esté trabajando correctamente.
Figura 33. Prototipo 3D Válvula manual
14.9.2 Motobomba. las bombas son instrumentos indispensables a la hora del desarrollo de plantas que manejan fluidos a través de tuberías, ya que estas tienen con fin impulsar líquidos a través de tuberías, mover flujos volumétricos deseados y al mismo tiempo desarrollar la carga dinámica total.
14.9.2.1 Prototipo 3D motobomba pre-tratamiento. la motobomba de pre-tratamiento, es la encargada de impulsar el agua a través de todo el sistema de pre-tratamiento de agua superando cualquier obstáculo físico.
79
Figura 34. Prototipo 3D Motobomba del proceso
14.9.2.2 Prototipo 3D bomba de alta para osmosis in versa. esta bomba es la encargada de generar una presión mayor a la presión osmótica, con el fin de obligar al agua a pasar por en medio de las membranas semi-permeables y lograr una correcta purificación del agua.
Figura 35. Prototipo 3D Motobomba de alta de osmosi s inversa
14.10 PROTOTIPO 3D PLANTA PRE-TRATAMIENTO DE AGUA
Generalmente el proceso de osmosis inversa va acompañado de un pre-tratamiento que tiene como objetivo filtrar el solvente antes de entrar al proceso de osmosis inversa como tal, esto se hace con el fin de obtener los mejores resultados y garantizar el óptimo funcionamiento de las membranas semi permeables y su larga vida útil. El proceso de pre-tratamiento que antecede al proceso de osmosis inversa consta � (1) Tanque de almacenamiento del agua cruda de acueducto. � (1) Tanque Filtro de arena. � (1) Tanque filtro carbón activado
80
� (1) Tanque almacenamiento de la salmuera para regeneración del suavizador. � (1) Tanque del Suavizador.
Figura 36. Prototipo 3D planta del proceso de pre-t ratamiento
14.11 DISEÑO PLANTA OSMOSIS INVERSA El proceso de osmosis inversa se trata de un proceso con membranas, en el cual se aplica una presión mayor a la presión osmótica, esta presión es ejercida en el compartimiento que contiene la más alta concentración de solidos disueltos y obliga al agua a pasar por membranas semipermeables en dirección contraria al del proceso natural de osmosis, dejando las impurezas detrás. Esta planta de osmosis inversa tiene un funcionamiento en serie, esto quiere decir que el rechazo de las primeras dos carcazas, cada una con 3 membranas semipermeables, se conecta a la entrada de las dos siguiente carcazas, y el rechazo de estas se manda al desagüe, mientras que el permeado de cada una de las carcasas se recoge en un tanque de almacenamiento final. Es importante aclarar que el número de membranas semipermeables y el tipo de bomba de alta a utilizar, dependen directamente del tipo de agua a tratar y del caudal deseado, en este caso es agua de acueducto con su respectivo pre
81
tratamiento y un caudal de entrada de 20 galones por minuto, además existe un pequeño filtro al final del proceso de pre-tratamiento y al comienzo de la osmosis inversa, el cual es un filtro de microfilmación para mejores resultados. El esquema de trabajo de la planta de osmosis inversa es:
Figura 37. Esquemático proceso Osmosis inversa
Dónde:
o (1) Fuente de agua de alimentación (20 GPM) o (2) Bomba de alta (presión generada supera presión osmótica) o (3) Membranas semipermeables o (4) Fuljo de Permeado (agua ultra pura) o (5) Flujo de Rechazo (agua saturada) o (6) Retroalimentación para mayor permeado.
Figura 38. Primer prototipo 3D proceso osmosis inve rsa
82
Figura 39. Segundo prototipo 3D proceso osmosis inv ersa
14.11.1 Membranas semipermeables.
Figura 40. Prototipo 3D Membrana semipermeable
83
14.11.2 Carcaza.
Figura 41. Prototipo 3D carcaza de las membranas se mipermeables
14.12 PROTOTIPO 3D PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA TOTAL.
Hasta el momento se han diseñado y mostrado los diferentes módulos que conforman la planta de osmosis inversa, todo esto con el fin de evidenciar la metodología de arquitectura modular que se ha llevado a cabo para el diseño del prototipado 3D. A continuación se acoplan los diferentes módulos y se logra concebir la planta final de tratamiento de agua de osmosis inversa, en un modelo tridimensional desarrollado por computadora, el cual nos facilita tener una idea clara de la apariencia física final de la planta, mientras que la arquitectura modular nos permite garantizar un fácil mantenimiento y remplazo de las piezas que conforman el sistema.
84
Figura 42. Prototipo 3D Planta de osmosis inversa
85
14.13 PROTOTIPO A ESCALA.
Se estudiaron los principales planos desarrollados en el proceso de diseño y prototipado, anteriormente realizados, y a partir de dicho estudio, se decidió realizar un prototipo a escala, en donde se puedan incorporar la instrumentación de control de todas las válvulas, en este caso por medio de un controlador lógico programable (PLC), con el fin de desarrollar una prueba piloto que compruebe el buen funcionamiento de la planta con respecto al control y a la interfaz gráfica HMI. Figura 43. Prototipo a escala PLC
86
Figura 44.Prototipo a escala en funcionamiento
Figura 45.Prototipo a escala como piloto de prueba
87
Figura 46.Prototipo a escala vista isométrica
14.13.1 Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos fueron muy favorables, partiendo del hecho de que por medio de este prototipo físico a escala, se logró determinar el buen funcionamiento del control de las válvulas realizado por parte del PLC, y confirmar que la interfaz gráfica desarrollada responde correctamente a los diferentes comandos automáticos y manuales. A partir de dicho prototipo utilizado como piloto de pruebas, se puede inferir: - El control automático realizado por el controlador lógico programable (PLC)
funciona correctamente, lo que garantiza que el programa está bien desarrollado.
- Se pudo simular y poner en práctica situaciones de emergencia tales como corte de energía eléctrica y parada de emergencia para verificar que el sistema responde correctamente ante dichas situaciones, y que tiene una recuperación adecuada después de cada emergencia.
- Se puso en práctica todos los comandos de la interfaz gráfica HMI, garantizando el óptimo funcionamiento entre la interfaz gráfica y la planta.
88
15. DISEÑO PLC
Para el desarrollo de la programación del PLC, se deben tener conocimiento previos de cómo es la instalación e implementación de la planta de osmosis inversa, así mismo se debe tener claro el comportamiento de las diferentes variables al pasar el tiempo, tales como, las bombas, las válvulas motorizadas y los diferentes sensores a implementar. Se desea mostrar de una forma gráfica y sencilla algunos diagramas de flujo que permitan entender de una forma cómoda y simple el funcionamiento real de la mayoría de las plantas de osmosis inversa, teniendo en cuenta que lo único que varía de acuerdo al tipo y al flujo de agua a tratar, son las medidas de los filtros, las cantidades de los lechos y lo referente a la programación del PLC son las variaciones de los tiempo de cada retro lavado, por lo demás la programación es similar para cualquier proceso de osmosis inversa.
En la figura 47 se muestra el diagrama de flujo del proceso en funcionamiento normal, completamente automatizado y en la figura 48 se muestra el funcionamiento manual que puede realizar el operario en cualquier momento del proceso.
En la figura 49 se muestra el funcionamiento de los sensores a implementar, los cuales nos dan una idea real de la cantidad de caudal al final del proceso, tanto de permeado como de rechazo, y los sólidos disueltos en el agua ultra pura, con el fin de ver si la planta está operando correctamente.
En las demás figuras se muestra el funcionamiento de la planta en todas sus etapas del proceso automático y también se muestra la data panel y la interfaz gráfica a implementar.
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15.1 OPERACIÓN AUTOMATICA
Figura 47. Diagrama de flujo del funcionamiento aut omático
OPERACIÓN NORMAL
¿Martes? ¿Jueves? ¿Sábado?
10:00 AM? 10:00 AM? 10:00 AM? 10:00 AM?
RETROLAVADO FILTRO ARENA
RETROLAVADO FILTRO CARBON
RETROLAVADO SUAVIZADOR
SUCCION SALMUERA
LAVADO LENTO
LAVADO RAPIDO
VARIACION MANUAL DE TIEMPOS
Domingo?
90
15.2 OPERACIÓN MANUAL
Figura 48. Diagrama de flujo del funcionamiento man ual
CICLO AUTOMATICO
¿Retro-lavar
filtro arena?
¿Retro-lavar
filtro carbón?
¿Retro-lavar
suavizador?
¿Regenerar?
¿Parada
emergencia?
¿Desactivar Bombas?
¿Activar Bombas?
RETRO LAVADO FILTRO ARENA
¿Continuar?
RETRO LAVADO FILTRO CARBON
RETRO LAVADO SUAVIZADOR
LAVADO LENTO
RETROLAVADO
SUCCION
LAVADO RAPIDO
¿Modificar tiempos retro lavados?
91
15.3 FUNCIONAMIENTO SENSORES.
Figura 49. Diagrama de flujo para visualización de los sensores
SENSOR DE CAUDAL
PERMEADO
SENSOR DE CAUDAL
RECHAZO
SENSOR DE TDS (solidos
disueltos)
SENSOR DE NIVEL
ANALOGO
ANALOGO
ANALOGO
DIGITAL
Sensor de flujo de disco de
1(1/2)” hasta 40 GP,
voltaje de operación 0-10
Vdc.
Sensor de flujo de disco de
1(1/2)” hasta 40 GP,
voltaje de operación 0-10
Minichem TDS Sensor,
Rango K=0.1 (0 100 PPM),
voltaje operación de
0 – 10 Vdc
SENSOR TANQUE
AGUA CRUDA
SENSOR TANQUE
AGUA PURA
BOMBA
PROCESO
BOMBA
OSMOSIS
0 0 0 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 1 0 0
PLC VISUALIZACION
DATA PANEL
92
15.4 PROCESO PRE-TRATAMIENTO
El proceso general de pre-tratamiento de agua constas de los filtros de arena, seguido por filtros de carbón activado y por último el suavizador, para poder ver más detalladamente el proceso, con sus determinados tiempos , ver el anexo A.
15.5 INTERFAZ GRAFICA (DATA PANEL)
En la siguiente figura se muestra la interfaz gráfica con la cual está configurada la data panel, en la cual se puede observar: � La Distribución de la planta en el espacio, esto quiere decir, los diferentes
filtros que conforman el pre-tratamiento de agua (arena, carbón, suavizador) antes de ingresar al sistema de osmosis inversa.
� Las diferentes variables del proceso, estas son las válvulas motorizadas, las
motobombas, el caudal de permeado y rechazo y los sólidos disueltos (TDS) e incluso la hora actual.
� El funcionamiento en operación manual, para la activación o desactivación de
la bomba del proceso, para el desarrollo de los retro lavados, para la parada de emergencia y continuación con el proceso y para la regeneración total del sistema.
El desarrollo de la interfaz gráfica se realizó por medio del software Top server, y ProTool y se efectuó teniendo en cuenta la marca y modelo del PLC a implementar.
Figura 50. Interfaz gráfica general del Data panel siemens
93
Figura 51. Interfaz gráfica con variación de tiempo s
94
16. DISEÑO PARA MANUFACTURA
La finalidad del desarrollo del diseño para manufactura es enfatizar en los aspectos de manufactura a través de todo el proceso de desarrollo, con el fin de conseguir los costos más favorables de producción sin sacrificar la calidad final del producto. Los principales métodos implementados para la obtención adecuada del diseño para manufactura se basan principalmente en la experiencia que tiene la empresa con los diferentes proveedores en el marcado nacional e internacional y por medio de la herramienta CAD/CAE que nos permite visualizar y comprender los componentes que conforman la planta de osmosis inversa total.
Es importante aclarar que la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA. Maneja sus propios proveedores y sus propios costos en algunos componentes de la construcción de las plantas de osmosis inversa, lo cual se convierte en una restricción positiva a la hora de cotizar algunos componentes, ya que nos garantiza confiabilidad en el producto gracias a la experiencia del desarrollo de las anteriores plantas realizadas por la empresa, y porqué los costos son favorables para su implementación.
16.1 SELECCIÓN DE COMPONENTES. Para el desarrollo de la selección de las diferentes referencias o tipos de componentes a implementar, es necesario hacer un estudio del ambiente de trabajo y las características deseadas de cada componente. 16.1.1 Válvulas Motorizadas. Para la selección de las válvulas motorizadas se debe tener en cuenta las siguientes características: - Tipo de Válvula: Válvula eléctrica de bola. - Tipo de fluido: Agua - Temperatura de trabajo: 20°C – 30°C - Caudal: 20 GPM - Diámetro: 11/2 ” - Voltaje Estándar: 110VAC
16.1.2 Bomba Centrifuga. Para la selección de la bomba centrifuga, la encargada de generar la presión al caudal deseado, se debe tener en cuenta las siguientes características: - Tipo de Bomba: Bomba Centrifuga. - Tipo de fluido: Agua
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- Temperatura de trabajo: 20°C – 30°C - Caudal: 20 GPM - Diámetro: 11/2 ” - Altura manométrica Total: - calcular – 16.1.2.1 Calculo de la altura manométrica total. La altura manométrica, es definida como la altura, presión diferencial o resistencia que tiene que vencer la bomba para obtener el funcionamiento deseado del sistema. Para entender el cálculo de la determinación de la altura manométrica, ver Anexo D. 16.1.2.2 Calculo de las pérdidas de carga (Pc). Para entender el cálculo de las pérdidas de carga en el proceso de la planta de tratamiento de agua, ver Anexo E. 16.1.3 Tanques de almacenamiento. Los tanques de almacenamiento tienen que ser idóneos para controlar altas presiones, medianas temperaturas y que tengan una larga vida útil, superando factores tales como la oxidación. Existen diferentes materiales usados para el desarrollo de las plantas de osmosis inversa, en el cuadro 9 se puede ver los diferentes materiales. 16.1.4 Lechos filtrantes. El volumen de los lechos filtrantes está estipulado en el proceso de diseño de los tanques, y el tipo y calidad de los lechos y resinas viene dada por la empresa. 16.1.5 Tuberías. El material de las tuberías es de PVC, como una restricción dada por el cliente, y los diámetros se encontraron a usar se calcularon en el proceso de diseño de las tuberías. Dentro de las tuberías, también están los colectores que distribuyen el agua dentro y fuera de los tanques.
16.1.6 Control y automatización. El desarrollo de la automatización se hace por medio de PLC siemens y todo el proceso de la interfaz gráfica con software familiares a siemens.
16.1.7 Sensores. Los sensores a utilizar, son sensores de presión, caudal y TDS ó solidos disueltos, los cuales se investigan el mercado para ver los que mejor se acolan al desarrollo de la planta. No se tiene una marca en común.
16.1.8 Planta de osmosis inversa. La unidad de tratamiento por osmosis inversa, es referencia DOBER QUALIPURE 9600, para trabajar con una fuente de agua de 20 GPM procedente del pre-tratamiento por los filtros y para generar un caudal de agua permeada de 6,7 GPM. Para ver las características y especificaciones del equipo, ver Anexo F.
96
16.2 PARTES IMPLICADAS DEL PROCESO Y SUS RESPECTIVO S PRECIOS
Para ver los respectivos cuadros con las diferentes partes que conforman la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa, con sus respectivos precios, remitirse al Anexo G. El proceso de diseño para manufactura, es uno de los procesos más importantes y a la vez complejos en el desarrollo del proyecto, primero que todo porque se debe tener en cuenta el mercado nacional e internacional en donde convergen la oferta y la demanda, para obtener un precio accesible al cliente y rentable para la empresa, pero al mismo tiempo, se debe tener en cuenta factores tales como la calidad del producto y el prestigio de la empresa, los cuales garantizan el perfecto funcionamiento de la planta diseñada, lo cual es de vital importancia para la satisfacción de los clientes. Es importante tener en cuenta que muchas de las cotizaciones realizadas en el proceso de diseño de manufactura, se realizaron con proveedores directos de la empresa DOBER OSMOTECH, lo que garantiza buenos precios y alta calidad del producto, esto, debido a las buenas experiencias que la empresa ha desarrollado con dichos proveedores. A demás otros productos y partes, se desarrollan directamente en la empresa. Con lo que respecta a la parte electrónica y de control, ya sea toda la instrumentación de PLC y la instrumentación de sensores, las cotizaciones se llevaron a cabo en empresas nacionales vía internet. Se tomó como material para los tanques, el acero inoxidable, por su buen desempeño con el agua y con las altas presiones y se tomaron resinas importadas, porque garantizan las más altas filtraciones en el proceso de tratamiento de agua. El precio obtenido era el esperado, ya que lo primordial en la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa, era la calidad y la automatización, factores relevantes y presentes en el proceso de investigación de las necesidades y requerimiento de la planta.
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17. RESULTADOS OBTENIDOS
- Se obtuvo un diseño de las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa completamente automatizado, incluyendo en todo momento las etapas de pre-tratamiento del agua, que son necesarias para el correcto funcionamiento de la planta.
- La planta de osmosis inversa consta de los siguientes procesos, que al ser
acoplados, generan los mejores resultados con lo referente al nivel de la calidad de agua tratada.
� Almacenamiento de agua cruda � Filtro de arena � Filtro de carbón activado � Filtro suavizador con salmuera como regenerante � Filtro de micro partículas � Membranas semipermeables (osmosis inversa) � Almacenamiento de agua tratada. - Existen diferentes mercado para el uso de las plantas de tratamiento de agua,
pero el mercado primario para este proyecto fueron las industrias que manejan el agua en sus procesos industriales, tales como calderas o sistemas de vapor, industrias licoreras y farmacéuticas.
- Las principales necesidades del proyecto son la automatización y visualización
del proceso general de la planta total de osmosis inversa. - Con respecto a la competencia nacional e internacional, se dedujo que la forma
de automatización y el material a usar en los tanques son de relevante importancia a la hora de competir en el mercado.
- Con respecto a las alternativas de diseño, se realizó un estudio detallado de
conceptos generados y se selección un concepto que consta de:
Cuadro 20. Concepto seleccionado
PARTES TIPO Control del proceso PLC Válvulas MOTORIZADAS Impulsión de agua MOTOBOMBA ELECTRICA Almacenamiento de agua TANQUES CILINDRICOS Sensor de nivel ELECTRODOS Sensor de flujo FLUJOMETRO Sensor de presión MANOMETRO ELECTRONICO Interfaz grafica DATA PANEL - HMI
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Este concepto es el utilizado para el desarrollo de las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa.
- La planta de osmosis inversa finalizada consta de:
Cuadro 21. Partes involucradas en la planta
DIS
EÑ
O D
E P
LAN
TA
DE
TR
AT
AM
IEN
TO
DE
AG
UA
DE
OS
MO
SIS
IN
VE
RS
A P
AR
A
EM
PR
ES
A D
OB
ER
OS
MO
ST
EC
H D
E C
OLO
MB
IA L
TD
A.
ALIMENTACION ELECTRICA RED ELECTRICA 110Vac - (60Hz)
CONTROL Y VISUALIZACION DE VARIABLES
PLC SIEMENS S7-200 DATA PANEL PANEL TACTIL OP 270
SENSORES NIVEL CN5R TDS MiniChem TDS K1.0 CAUDAL FS-200 SERIE
ALM
AC
EN
AM
IEN
TO
Y
PR
OD
UC
CIO
N
TANQUES
ARENA ACERO INOX. CARBON ACERO INOX. SUAVIZADOR ACERO INOX. SALMUERA PLASTICO
AGUA TRATADA PLASTICO
AGUA SIN TRATAR PLASTICO
TUBERIAS PVC
COLECTORES PVC
SISTEMA DE FITLTROS LECHOS
ARENA ARENA DE CUARZO DOBER
CARBON ACTIVADO SYBRON IMPORTADO
RESINA CATIONICA SYBRON IMPORTADO
SISTEMA DE OSMOSIS INVERSA
TANQUES DOBER OSMOTECH
MEMBRANA SEMIPERMEABLE DOBER OSMOTECH
SERVOACTUADOR (S)
MOTOBOMBAS AQUOR AQM 100
ELECTRO-VALVULAS MOTORIZADAS HONEYWELL
OTROS VALVULAS E INTERRUPTORES PVC
- Para el proceso de prototipado se tuvieron en cuenta ciertas especificaciones
puntuales del proyecto, las cuales son:
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Cuadro 22. Especificaciones de diseño
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
ESPECIFICACION VALOR UNIDAD
CAUDAL PRETRATAMIENTO (Q) 20 GPM Galones por minuto
DUREZA AGUA CRUDA 60 PPM Partes por millón
RATA VELOCIDAD FILTRO DE ARENA 3 - 5 GPM/FT^2 Galones por minuto/pie cuadrado
RATA VELOCIDAD FILTRO DE CARBON 8 GPM/FT^2 Galones por minuto/pie cuadrado
VELOCIDAD DE FLUIDO EN LA TUBERIA PVC 3,28 Ft/Seg Pies/segundo
VELOCIDAD DE FLUIDO TUBERIA ACERO 7 Ft/Seg - 10 Ft/Seg. Pies/segundo
ALTURA CONSTANTE DE LECHOS 3 Ft Pies
TIEMPO DE REGENERACION RESINA 7 Días
MATERIAL TUBERIAS PVC
FUENTE DEL AGUA ACUEDUCTO
De acuerdo a las especificaciones anteriores, se realizó un estudio de diseño para los encontrar las medidas exactas de los diferentes tanques de filtrado de agua, que anteceden al proceso como tal de osmosis inversa, y se llegó al siguiente resultado:
Cuadro 23. Medidas obtenidas
FILTRO ALTURA TANQUE
DIAMETRO ALTURA LECHO MATERIAL
FILTRO DE ARENA 36” 27” 20” ACERO INOX. FILTRO DE CARBON ACTIVADO 72” 22” 36” ACERO INOX.
FILTRO SUAVIZADOR 72” 38” 36” ACERO INOX. SALMUERA 24.2” 22” - PLASTICO
TANQUES ALMACENAMIENTO 25” 41” - PLASTICO
TUBERIAS - ” - PVC
- Con lo que respecta a la automatización y control del proceso, se debe tener en
cuenta que el funcionamiento de la planta depende directamente de temporizadores y fechadores en tiempo real, por lo cual la planta trabaja de la siguiente manera.
AUTOMATICAMENTE: Todos los días en operación normal, y los días martes, jueves y sábados realiza el retro lavado de los filtros de arena y carbón, y los días domingos realiza la regeneración del suavizador. MANUALMENTE: El operario encargado de la planta puede en cualquier momento del día manipular los comando de parada de emergencia, retro lavados de filtros,
100
regeneración (cada uno con su respectivas modificaciones de tiempos) y encendido o apagado de las bombas del proceso. SENSORES: En todo tiempo los sensores están informando de forma análoga sobre el estado del caudal del agua permeada y de rechazo; además de de los sólidos disueltos en el agua permeada (TDS), y los sensores de nivel, a manera de pulsos, controlan el encendido y apagado de las bombas en el proceso.
101
18. CONCLUSIONES
- En la etapa de investigación realizada, se obtuvieron datos importantes con lo que respecta al desarrollo tecnológico de las plantas de osmosis inversa en el mundo, así como el funcionamiento y las aplicaciones que dichas plantas tienen en el mercado, ya sea nivel industrial o doméstico. Entre las aplicaciones más relevantes, se encontraron, el tratamiento de aguas para sistemas con alimentación de calderas o sistemas a vapor, el cual es el mercado primario en el proyecto; industrias farmacéuticas y alimenticias, desalinización de agua de mar, agua ultra pura para laboratorios y muchas otras más, siendo estas últimas aplicaciones mercados secundarios y complementarios del proyecto.
- Se realizó un estudio detallado de las principales necesidades y requerimientos que tienen las plantas de osmosis inversa en la empresa DOBER OSMOTECH de Colombia LTDA. Y se logró inferir que la automatización y visualización total del proceso general, son las más importantes necesidades a tener en cuenta a la hora de desarrollar este proyecto, no solo para el desarrollo de las plantas dentro de la empresa, sino también a nivel de competencia con las demás empresa a nivel nacional e internacional.
- A la hora del desarrollo de las diferentes alternativas de diseño, factores tales como la robustez de los equipos de control, la visualización grafica en tiempo real del proceso y la instrumentación adecuada, fueron determinantes para la selección de un concepto apropiado.
- Por medio de especificaciones tales como la dureza del agua a tratar, la fuente
de agua cruda y la cantidad de caudal deseado y a través de herramientas matemáticas, se llegó a concluir las medidas exactas de cada uno de los tanques que conforman el pre-tratamiento de agua, filtrado que antecede al proceso de osmosis inversa como tal y que es de vital importancia para la obtención de los mejores resultados del agua.
- Una de las herramientas más efectivas que permiten una aproximación al
producto o sistema, es el prototipado, ya sea físico parcial por medio de un modelado 3D por computadora, o parcial analítico por medio de simulaciones de control para el funcionamiento del sistema. Por medio de estos tipos de prototipos desarrollados en el proyecto, se logró entender el funcionamiento y requerimientos de la planta, comunicar y demostrar una apariencia física muy próxima de la realidad al cliente, y combinar los subsistemas que conforman el sistema total, ya sean módulos o subsistemas de control, para entender su interacción en la realidad.
102
- Una de los requerimientos que surgió en el proceso del estudio de las
necesidades del sistema, fue la facilidad de mantenimiento, lo cual se logró satisfacer por medio del desarrollo de una arquitectura modular, para el diseño e implementación de la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa, esto demostró que la planta puede estar conformada por módulos o subsistemas que al acoplarse formen el sistema completo, y que al mismo tiempo presenten facilidad a la hora del mantenimiento y reposición de sus partes.
- Por su robustez industrial y por la facilidad de manejo con fechadores y
temporizadores, los controladores PLC fueron el sistema de automatización más confiable y adecuado para la automatización del proceso de las plantas de tratamiento de agua de osmosis inversa, de igual manera los data panel de las misma gama de los PLC, son el medio más práctico para la interacción grafica entre el usuario u operario y el proceso.
- El precio obtenido en el proceso de diseño para manufactura era el esperado,
ya que lo primordial en la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa, era la calidad y la automatización, factores relevantes y presentes en el proceso de investigación de las necesidades y requerimiento de la planta.
- Uno de los principales factores a tener en cuenta en el desarrollo del proyecto,
fue ver la calidad del producto con respecto al costo de los componentes, teniendo en cuenta que la empresa DOBER OSMOTECH siempre se ha caracterizado por el diseño y la implementación de plantas de tratamiento de agua con la mejor calidad posible.
- Teniendo en cuenta la metodología estructurada para el desarrollo de proyectos
de diseños mecatrónico, se logró obtener un excelente resultado en el desarrollo del diseño de la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa para la empresa DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA.
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BIBLIOGRAFIA
Calculo altura manométrica: Calculo de la altura manométrica [en línea]. Bilbao (España): Bombas zeda, 2007. [Consultado el 16 de Enero, 2011]. Disponible en internet: http://www.bombaszeda.com/_upload/Departamento/1/Es_4Manometrica.pdf
Desmineralización IRA [en línea]. Zarautz (España): Lamik S.A. [Consultado el 25 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.lamik.com/desmineralizacion_ira.php
GARCIA OLMOS, Carlos Francisco. Aplicación de la osmosis inversa y la nanofiltración en el acondicionamiento de aguas para calderas. Tesis de Doctoral. Oviedo: Universidad de Oviedo. Departamento de ingeniería química y tecnología del medio ambiente, 2002. 294 p.
GUERRERO LAGARRETA, Manuel. El agua. 1 ed. México D.F: Fondo de cultura económica, 1991. 92p.
Industrial reverse osmosis system [en línea]. Northridge (Estados Unidos): Ampac usa, 2000. [Consultado el 10 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.ampac1.com/heavy.htm
Industrial Reverse osmosis system [en línea]. Santa Ana (Estados unidos): Pure Aqua, 2011. [Consultado el 10 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.pure-aqua.com/reverse-osmosis-systems.html KUCERA, Jane. Reverse Osmosis. Industrial applications and processes. 1 ed. New Jersey: WILEY, 2010. 383 p.
NORMA TECNICA COLOMBIANA. Normas oficiales para la calidad de agua en Colombia. NTC 813. 2 ed. Bogotá D.C.: Instituto Colombiano de Normas técnicas y certificación, ICONTEC, 1994. 13 p.
Osmosis inversa [en línea].Bogotá (Colombia): Ignacio Gómez IHM S.A, 2006. [Consultado el 24 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.igihm.com/ambiental.php?item=2&prod=37
Osmosis inversa y destilador de agua [en línea].Valencia (España): acquamatter. [Consultado el 25 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.acquamatter.com/
Planta depuradoras [en línea]. Islas canarias (España): Aerogeneradores Canarios S.A. [Consultado el 25 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.acsaeolica.com/es/productos_depuradoras.htm
104
Planta para el tratamiento de agua por osmosis inversa [en línea].Santiago de Cali (Colombia): Dober Osmotech de Colombia Ltda., 1995. [Consultado el 24 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://doberostec.blogspot.com/
Productos osmosis inversa [en línea]. Mar de plata (Argentina):UNITEK. [Consultado el 19 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.unitek.com.ar/productos-osmosis-inversa.php Reverse Osmosis plants [en línea].Rotterdam (Holanda): Lenntech water treatment & purification holding B.V, 1998-2009. [Consultado el 22 de Septiembre, 2010]. Disponible en internet: http://www.lenntech.com/systems/reverse-osmosis/ro/rosmosis.htm
ROMERA, J. Pedro. Automatización: problemas resueltos con autómatas programables. 1 ed. [s.l.]: Paraninfo S.A, 1994. 309p.
RUBENS, Ramalho. Tratamiento de aguas residuales. 1 ed. Barcelona: Reverte S.A, 1996. 697 p.
SIEMENS. Manual del sistema de automatización S7-200. 8 ed. [s.l.]: [s.n.], 2005. 558 p.
Todo CBC. Difusión y Osmosis [en línea]. Buenos Aires (Argentina): PabloPc, 2009. [Consultado el 6 de Octubre, 2010]. Disponible en internet: http://www.resueltoscbc.com.ar/teoricos/biofisica/pdf/T2-6.pdf
TREYBAL, Robert. Operaciones de transferencia de masa. 2 ed. Buenos aires: McGraw-Hill, 1999. 822 p.
ULRICH, Karl. Product Design and Development. 4 ed. [s.l.]: McGraw Hill, 2004. 366p.
105
ANEXOS
Anexo A. Manual de usuario
DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA. Santiago de Cali 2011. Apreciado Usuario: A continuación presentamos el manual de operación de la planta de tratamiento de agua de osmosis inversa para obtener agua ultra pura proveniente de acueducto. La planta está en capacidad de operar las 24 horas, con un caudal de 20 galones/minuto o 75.7 litros por minuto y tiene un tanque de almacenamiento para mejorar su rendimiento en términos de capacidad. El manual ha sido redactado en lenguaje sencillo para facilitar su total comprensión y entendimiento, sin embargo se requiere que quién lo lea, tenga los conocimientos básicos de tratamiento de agua, de electricidad y de flujo de agua. El manejo y operación de la planta es sencillo y con una semana de experiencia en el encendido y operación de la misma, creará una rutina en el operador para el manejo y cuidado. Cualquier información adicional que requieran, estaremos pendientes de contestarla a la mayor brevedad posible.
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MANUAL DE OPERACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA DE DOBER OSMOTECH 1. DESCRIPCIÓN GENERAL:
La planta de tratamiento de agua está compuesta por los siguientes equipos: 1.1. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AGUA DEL ACUEDUCTO. El sistema de alimentación de agua de acueducto a la planta consiste en una válvula motorizada que controla el llenado de agua cruda en un tanque principal, el cual a su vez controla el nivel del agua por medio de un sensor nivel alto - nivel bajo, al estar en nivel bajo la válvula permite el paso del agua de acueducto que llena nuevamente el tanque, y al estar en nivel alto la válvula restringe el paso del agua de la fuente y la planta trabaja en operación normal. El agua del tanque de almacenamiento de agua cruda se lleva hasta la planta de tratamiento por medio de una motobomba, marca AQUOR, Modelos AQM 100 con motor eléctrico de 1.5 Kw.
1.2 PROCESO DE LA PLANTA, EN SIMPLES PASOS La motobomba pasa el agua del tanque de agua cruda hacia el filtro de arena, colocado con el propósito de retener todos los sólidos filtrables. Del filtro de arena el agua pasa al filtro de carbón activado para que se retenga en dicho filtro la materia orgánica, olores y sabores por adsorción sobre el lecho filtrante de carbón activado. Del filtro de carbón pasará por el suavizador desalcalinizador, en el cual se balanceará la dureza y la alcalinidad, después de estas reacciones, se continúa hacia el sistema de osmosis inversa en donde se producirá un caudal de rechazo, y caudal de permeado, siendo este último el que se almacenara en el tanque de almacenamiento de agua final.
2. DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS:
2.1. TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA CRUDA Está construido en plástico y el propósito de dicho tanque es almacenar el agua cruda o sin tratamiento proveniente del acueducto.
2.2. FILTRO DE ARENA A PRESION Tanque calculado para una presión de trabajo de 60 psi. Y un flujo de 20 gpm a una tasa de 5 gpm/ft2 de área transversal al flujo, recubierta su superficie en contacto con agua, con pintura epóxica anticorrosiva grado alimenticio, colectores calculados para pérdidas de presión uniformes, con el fin de retener todos los sólidos filtrables cuyo diámetro efectivo sea superior a 20 micrones, los inferiores son imperceptibles para el ojo humano; equipado con sus válvulas de operación motorizadas con diámetro de 1 ½” pulgadas. Lecho filtrante en arena de cuarzo puro (SiO2), y lecho soporte en grava del mismo material. Posee una purga de aire en la tapa superior para su evacuación y debe ser abierta una sola vez cada semana de operación, después del ciclo de regeneración del suavizador.
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2.3. FILTRO DE CARBON ACTIVADO A PRESION Tanque calculado para una presión de trabajo de 60 psi. Y un flujo de 20 gpm a una tasa de 8 gpm/ft2 de área transversal al flujo, recubierta su superficie en contacto con agua, con pintura epóxica anticorrosiva grado alimenticio, colectores calculados para pérdidas de presión uniformes, con el fin de retener materia orgánica, olores y sabores; equipado con sus válvulas de operación motorizadas con diámetro de 1 ½” pulgadas, lecho filtrante consistente en 25 pies cúbicos de carbón activado marca Sybron Chemicals USA Inc. Ref. P-50. Posee una purga de aire en la tapa superior para su evacuación y debe ser abierta una sola vez cada semana de operación, después del ciclo de regeneración del suavizador.
2.4. SUAVIZADOR DESALCALINIZADOR Tanque calculado para una presión de trabajo de 60 psi. Y un flujo de 20 gpm a una tasa de 9 gpm/ft2 de área transversal al flujo, recubierta su superficie en contacto con agua, con pintura epóxica anticorrosiva grado alimenticio, colectores calculados para pérdidas de presión uniformes, con el fin de retener la dureza presente en el agua pre-tratada por los filtros de arena y carbón activado; equipado con sus válvulas de operación motorizadas con diámetro de 1 ½” pulgadas, lecho de intercambio iónico consistente en 25 pies cúbicos de resina fuertemente catiónica marca Sybron Chemicals USA Inc. Ref. C-249. Tanque para preparación de la solución de salmuera y si se requiere ácido adicional en polietileno de alta densidad y con capacidad de 500 litros, para regeneración de la resina del suavizador. El suavizador desalcalinizador posee una purga de aire en la tapa superior para su evacuación y debe ser abierta una sola vez cada semana de operación, después del ciclo de regeneración del suavizador.
2.5. SISTEMA DE OSMOSIS INVERSA - Carcazas porta-membranas en fibra de vidrio para 400 psi o acero inoxidable 304. -Membranas Thin Film, enrolladas con retención del 99.5% en base a TDS. -Manómetros para control de presión llenos de líquido. -Medidores de flujo para permeado y concentrado marca Blue White USA o King USA. -Marco soporte en acero inoxidable 304 o acero con pintura horneada, de acuerdo al medio ambiente que rodeará el equipo. -Bomba de acero inoxidable centrífuga, marca Groundfoss. -Válvula de cierre automático de entrada por baja presión. -Válvula de reciclaje. -Pre filtro de sedimentos de 1.0 micrón. Ameteck USA, polisulfona Big Blue para cartuchos de 4.5" x 20" pulgadas y tamaño de poro 1.0 micrón. -Monitor de sólidos disueltos totales, digital. -Dosificadores de químicos instalados. - Control de operaciones de flujo normal, lavado rápido, stand by y apagado marca Moeller, GE Fanuc o a elección del cliente por marcas de costos similares. -Válvula de muestreo para controlar la calidad del agua filtrada por el equipo en PVC o acero inoxidable 316 de 1/4" de pulgada de diámetro.
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ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO: Producción de agua permeada: 6.7 GPM. Presión de trabajo al tercer año: 189 PSI. Diámetro de entrada: 1” pulgada. Número de elementos de 4” x 40”: 6 Diámetro de los elementos: 4” pulgadas. Recuperación de diseño sin reciclaje: 55 % Motor monofásico de 3.0 HP., 110/220 V., 60Hz. Dimensiones aproximadas: Longitud: 0.71 mts. Ancho: 0.51 mts. Altura: 1.27 mts. Peso aproximado: 53 kilos.
2.6. SISTEMA DE AUTOMATIZACION El sistema de automatización consta de un PLC siemens S7-200 con su respectivo cable interface de comunicación y un Panel táctil OP-270, el cual controla los tiempo y las diferentes operaciones de la planta, ya sea operación normal, retro lavados, succión de salmuera, lavados lentos o rápidos, y todo esto con la combinación de entrada y salidas de los diferentes componentes de la planta, ya sea válvulas, motobombas o sensores.
3. MANUAL DE OPERACIÓN DEL FILTRO DE ARENA 3.1. OPERACIÓN NORMAL (posición del operador: de frente al filtro): El filtro posee tres válvulas de operación, en operación normal la válvula No. 1, estará abierta (verde), la válvula No. 2 estará cerrada (rojo), la válvula No. 3, de desagüe estará cerrada (rojo).
3.2. OPERACIÓN DE RETROLAVADO:
En operación de retro lavado: la válvula No. 1, deberá cerrarse (rojo), la válvula No.2 deberá abrirse (verde) y la válvula No. 3 deberá abrirse (verde); la válvula No.4 del filtro de carbón deberá cerrarse (verde); el tiempo de retro lavado se ha programado en 15 minutos. Transcurridos los 15 minutos el filtro vuelve a operación normal.
3.3. OPERACIÓN MANUAL: En el caso en que no abran o cierren las válvulas motorizadas automáticas por falta de energía eléctrica en el motor o por falla del motor, se pueden operar en forma manual, quitando el motor de la válvula que se desee operar, removiendo los tornillos de fijación; se coloca y se asegura, con cuidado para evitar que se caiga bruscamente y con la manija de color naranja que se suministra se procede a colocar la válvula en la posición deseada; siguiendo este procedimiento y la descripción de los ciclos de operación se logra ejecutarlas en forma manual. También se tiene la posibilidad de iniciar el ciclo de retro lavado manualmente desde la pantalla del PLC (Data Panel- ver programación Data Panel)
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4. MANUAL DE OPERACIÓN DEL FILTRO DE CARBON ACTIVADO
4.1. OPERACIÓN NORMAL : El filtro en operación normal opera con la válvula No. 4 abierta (verde), la válvula No. 5 cerrada (rojo), la válvula No. 6 de desagüe cerrada (rojo).
4.2. OPERACIÓN DE RETROLAVADO:
En operación de retro lavado: la válvula No. 4 deberá cerrarse (rojo), la válvula No. 5 deberá abrirse (verde) y la válvula No. 6, deberá abrirse (verde), las válvulas No. 7, No. 8 y No. 9 del suavizador desalcalinizador deberán estar cerradas; el tiempo de retro lavado se ha programado en 15 minutos. Transcurridos los 15 minutos el filtro vuelve a operación normal.
4.3. OPERACIÓN MANUAL:
Para operar el filtro en operación normal en forma manual, en el caso en que no abra o cierre las válvulas motorizadas por falta de energía eléctrica o por falla del motor, se pueden operar en forma manual, quitando el motor de las válvulas motorizadas, removiendo los tornillos de fijación; se coloca con cuidado para evitar que se caiga bruscamente, con la manija de color naranja que se suministra se procede a colocar la válvula en la posición deseada; siguiendo este procedimiento y la descripción de los ciclos de operación se logra ejecutarlas en forma manual. También se tiene la posibilidad de iniciar el ciclo de retro lavado manualmente desde la pantalla del PLC (Data Panel- ver programación Data Panel)
5. MANUAL DE OPERACIÓN DEL SUAVIZADOR DESALCALINIZADO R
5.1. OPERACIÓN NORMAL: El suavizador desalcalinizador posee válvulas motorizadas de operación automáticas En operación normal las válvula No.7 y No.8 estarán cerradas (rojo), la válvula No. 9 estará abierta (verde), la válvula No. 10 estará cerrada rojo), la válvula No. 11 estará cerrada (rojo), la válvula No. 12 estará cerrada (rojo) y la válvula No. 13 de paso del agua potable hacia el tanque de almacenamiento, estará abierta (verde). 5.2. OPERACIÓN DE REGENERACION:
5.2.1. PREPARACION DE LA SOLUCION REGENERANTE:
El día jueves de cada semana se debe lavar el tanque de preparación del regenerante, desconectarlo en la línea de suministro al suavizador, al volverlo a conectar se debe ajustar bien la unión universal; colocar en el tanque dos bultos de sal bruta común no
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yodada y abrir la válvula tipo bola que da paso a la solución regenerante; el agua fluirá lentamente para preparar una dilución uniforme de salmuera. El día domingo de cada semana el suavizador desalcalinizador se regenerará automáticamente a las 10.00 a. m. Ejecutando las siguientes operaciones:
5.3. RETROLAVADO:
En operación de retro lavado: las válvulas No. 7, No.8, No.9 deberán cerrarse. Las válvulas No. 10 y No. 11 deberán abrirse (verde). La válvula No. 12 cerrada (rojo) y la válvula No. 13 deberán estar cerrada (rojo). El tiempo de retro lavado se ha programado en 10 minutos, al terminar el retro lavado, las válvulas No. 10 y No. 11 deberán cerrarse (rojo).
5.4. SUCCION DE LA SOLUCION REGENERANTE
El suavizador desalcalinizador inicia la succión de la solución regenerante, la válvula No. 8 de paso del agua potable por el eyector, se abre (rojo), la válvula No. 7 que le da paso a la succión de salmuera se abre (verde). En el tanque de preparación del regenerante se notará el nivel bajando a medida que se succiona hacia la resina. La operación de succión de la solución regenerante está programada en 30 minutos.
5.5. ENJUAGUE LENTO:
Después de efectuada la succión del regenerante, la válvula No. 7 de paso de la solución regenerante se cerrará (rojo) y permitirá el enjuague lento para retirar del suavizador desalcalinizador el exceso de salmuera que hubiese podido quedar en el reactor, este tiempo está programado en 45 minutos.
5.6. ENJUAGUE RÁPIDO:
Después del enjuague lento se ejecuta el enjuague rápido para lo cual: se cierra la válvula No. 8 (rojo), se abre la válvula No. 9 motorizada (verde) y la válvula No. 12 se abre (verde) el agua entra al suavizador, atraviesa el lecho de resina, lo enjuaga y va hacia el desagüe, el tiempo de enjuague rápido está programado en 5 minutos. Transcurridos los cinco minutos; la válvula No. 12 se cierra (rojo) y la válvula No. 13 se abre (verde) quedando toda la planta en operación normal para un nuevo ciclo de operación de una semana.
5.7. OPERACIÓN MANUAL.
También se tiene la posibilidad de iniciar el ciclo de completo (lavado general) manualmente desde la pantalla del PLC (Data Panel- ver programación Data Panel)
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6. PROGRAMACIÓN CAMBIO DE TIEMPOS DATAPANEL (PLC) A continuación se indicara como hacer la modificación de los tiempos de tratamiento en la planta de agua potable. Los tiempos que se pueden modificar son los tiempos de retrolavado de filtros de arena y carbón, así como los tiempos referentes al suavizador como retrolavado y operación de regeneración lo que incluye, tiempo de succión de regenerante, tiempo de lavado lento y tiempo de lavado rápido. Los ciclos de operación de la planta NO se modifican por el tablero DATAPANEL. Los ciclos de lavado para el sistema se encuentran programados así: • Martes - jueves y sábado – 10:00 am . - Retro lavado filtros Arena y Carbón. • Domingo – 10:00 am . - Retro lavado Suavizador
- Succión Regenerante - Lavado Lento Suavizador - Lavado Rápido Suavizador.
6.1 Panel Táctil en posición inicial.
6.2 De la posición inicial, se tiene dominio manual de diferentes variables del proceso, en
donde se tienen la opción de escoger entre las diferentes opciones, como detener proceso, continuar proceso, detener bombas del proceso, cada uno de los diferentes retro-lavados ó regeneración total.
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6.3 Si Selección retro-lavado filtro de arena
Veremos una ventana nueva que aparece en el Panel Táctil, la cual nos permite ingresar el tiempo deseado para la operación de retro lavado del filtro de arena en cualquier momento que desee el cliente.
6.4 Selección retro-lavado filtro de carbón
Veremos una ventana nueva que aparece en el Panel Táctil, la cual nos permite ingresar el tiempo deseado para la operación de retro lavado del filtro de carbón activado en cualquier momento que desee el cliente.
6.5 Si escogemos retro-lavado suavizador
Veremos una ventana nueva que aparece en el Panel Táctil, la cual nos permite ingresar el tiempo deseado para la operación de retro lavado del filtro de suavizador en cualquier momento que desee el cliente.
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6.6 Si escogemos regeneración total
Veremos una ventana nueva que aparece en el Panel Táctil, la cual nos permite ingresar los tiempos deseados, ya sea de retro lavado del suavizador, succión de la salmuera, lavado lento y lavado rápido; para toda la operación de regeneración del suavizador en cualquier momento que desee el cliente.
6.7 Tempos recomendables de operación de retro-lavados de los filtros.
Tiempo de retro-lavado filtro de arena………………………… 15 min. Tiempo de retro-lavado filtro de carbón……………………….. 15 min. Tiempo de retro-lavado suavizador……………………………. 10 min. Tiempo de succión de la salmuera…………………………….. 30 min. Tiempo de lavado lento………………………………………….. 45 min. Tiempo de lavado rápido………………………………………… 05 min.
CUALQUIER SITUACIÓN ANORMAL DEBE INFORMARSE A DOBER OSMOTECH DE COLOMBIA LTDA A LOS TELEFONOS Y MEDIOS DE COMUNICACIÓN QUE SE ESPECIFICAN EN EL ENCABEZAMIENTO DE ESTE MANUAL DE OPERACIONES.
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PROTOTIPO 3D
ETAPAS DE OPERACIÓN DEL PRE-TRATAMIENTO.
1.1 OPERACION NORMAL (Todos los días)
1.2 RETROLAVADO FILTRO DE ARENA (días martes, jueves y sábado s; 10:00 a.m.)
1.3 RETROLAVADO FILTRO DE CARBON (días martes, jueves y sábado s; 10:15 a.m.)
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1.4 RETROLAVADO SUAVIZADOR (días martes; 10:00 a.m.)
1.5 REGENERACION SUAVIZADOR (días martes; 10:10 a.m.)
1.6 LAVADO LENTO (días martes; 10:40 a.m.)
116
1.7 RETROLAVADO RAPIDO (días martes; 11:25 a.m.)
1.8 VUELVE CICLO NORMAL (Todos los días; 11:30 a.m.)
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Anexo B. Características físicas del agua potable
CARACTERISTICAS FISICAS
REQUISITOS VALOR
Color, expresado en unidades de la escala Pt-Co, máx. 15
Olor y sabor Inobjetable
Turbiedad, expresada en unidades nefelometrícas De turbiedad UNT, máx.
2
Sólidos totales, expresados en mg/dm3, máx. 200
Fuente: NORMA TECNICA COLOMBIANA. Normas oficiales para la calidad de agua en Colombia. NTC 813. 2 ed. Bogotá D.C.: Instituto Colombiano de Normas técnicas y certificación, ICONTEC, 1994. 13 p
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Anexo C. Concentración de elementos permitidos en e l agua potable
SUSTANCIAS EXPRESADA COMO. VALOR MAX PERMITIDO (Mg/L)
Arsénico As 0.05 Aluminio Al 0.2 Bario Ba 1.0 Boro B 1.0 Cadmio Cd 0.005 Cianuro CN 0.1 Cinc Zn 5.0 Cloruros Cl 250.0 Cobre Cu 1.0 Cromo Hexavalente Cr+6 0.05 Dureza total CaCO3 150 Fenoles Fenol 0.001 Hierro Total Fe 0.3 Magnesio Mg 36.0 Manganeso Mn 0.1 Mercurio Hg 0.001 Nitratos NO3 45.0 Nitritos NO2 0.001 Plomo Pb 0.001 Plata Ag 0.05 SAB SAB 0.5 Selenio Se 0.001 Sulfatos SO4 250.0 Grasas y aceites No detectable Aldrín 0.001 Clordano 0.003 Carbaril 0.1 DDT 0.05 Diazinón 0.01 Dieldrín 0.001 Endrín 0.0005 Heptacloro 0.03 Lindano 0.005 Metoxicloro 0.1 Metilparatión 0.007 Paratión 0.035 Carbamatos 0.1 Toxafeno 0.005 Clorofenoxi 2,4D 0.1
Fuente: NORMA TECNICA COLOMBIANA. Normas oficiales para la calidad de agua en Colombia. NTC 813. 2 ed. Bogotá D.C.: Instituto Colombiano de Normas técnicas y certificación, ICONTEC, 1994. 13 p
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Anexo D. Calculo de la altura manométrica total.
La altura manométrica está compuesta de:
Dónde:
Hm: Altura manométrica total.
Hg: Altura geométrica. Desnivel existente entre el nivel mínimo de aspiración y el punto más alto de impulsión (metros).
Pc: Perdidas de carga. Resistencia que ofrece al paso del líquido las tuberías, curvas, válvulas, etc. (metros).
10(Pi-Pa/Y): Presión diferencial existente sobre la superficie del líquido en impulsión y aspiración (metros), comúnmente Pi = Pa = presión atmosférica, por lo tanto este valor es igual a cero.
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Anexo E. Calculo de las pérdidas de carga (Pc)
Cuadro. Perdidas de carga equivalente en metros
IMPULSION H 37 curvas de 90° de 38mm de diámetro 1*37= 37m 17 codos de 90° de 38 mm de diámetro 1.5*17= 17m 14 válvulas de retención de 38 mm de D. 7*14= 98 m Longitud tubería impulsión 2.95 m TOTAL TUBERIA RECTA EQUIVALENTE 154.95
Por medio del cuadro anterior, se deduce la equivalencia en metros de las diferentes resistencias producidas por los accesorios que conforman la tubería en general, tales como codos, curvas, longitudes y válvulas, entre otros.
Cuadro. Metros de tubería recta equivalente
Fuente: Transporte de materiales a través de membranas plasmáticas [en línea]. San José (Costa Rica): FisicaZone, 2011. [Consultado el 12 enero, 2011]. Disponible en internet: http://fisicazone.com/transporte-de-materiales-a-traves-de-las-membranas-plasmaticas/ A través de la figura del cálculo de porcentajes en pérdidas en tuberías, se puede deducir el porcentaje de la perdida de carga, teniendo en cuenta el flujo deseado, el diámetro de la tubería y el material de la tubería.
Donde se tiene que: - Caudal = 20 galones por minuto = 6.8 m3/h - Diámetro = 11/2” = 38 mm. - Material = PVC - Hallando el porcentaje de pérdidas de la tubería, podemos hallar la pérdida de
carga total en toda la tubería por medio de:
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Y con el desnivel existente entre el nivel mínimo de aspiración y el punto más alto de impulsión (metros), que es igual:
Hg= 72” 2 mts.
La sumatoria de (Pc + Hg) nos indica la altura manométrica total.
Figura. Calculo del porcentaje de pérdidas en tuber ías.
Fuente: Transporte de materiales a través de membranas plasmáticas [en línea]. San José (Costa Rica): FisicaZone, 2011. [Consultado el 12 enero, 2011]. Disponible en internet: http://fisicazone.com/transporte-de-materiales-a-traves-de-las-membranas-plasmaticas/
De acuerdo a la gráfica anterior, se deduce que el porcentaje aproximado de perdida de carga es 14%, por lo tanto:
Hg = 2 mts. Hs = Altura de seguridad = 4 mts. Hm = Altura manométrica total = Pc + Hg + Hs Hm = 22+2+4 = 28 mts = 91 ft. Lo que quiere decir que se debe seleccionar una bom ba que supere dicha altura manométrica total, con el caudal deseado par a el diseño.
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Anexo F. Características y especificaciones del equ ipo de Osmosis inversa
CARACTERISTICAS ESTANDAR: - Carcazas porta-membranas en fibra de vidrio para 400 psi o acero inoxidable 304. - Membranas Thin Film, enrolladas con retención del 99.5% en base a TDS. La marca a elección del cliente. - Manómetros para control de presión llenos de líquido. - Medidores de flujo para permeado y concentrado marca Blue White USA o King USA. - Marco soporte en acero inoxidable 304 o acero con pintura horneada, de acuerdo al medio ambiente que rodeará el equipo. - Bomba de acero inoxidable centrífuga, marca Groundfoss. - Válvula de cierre automático de entrada por baja presión. - Válvula de reciclaje. - Pre filtro de sedimentos de 1.0 micrón. Ameteck USA, polisulfona Big Blue para cartuchos de 4.5" x 20" pulgadas y tamaño de poro 1.0 micrón. - Monitor de sólidos disueltos totales, digital. - Dosificadores de químicos instalados. - Control de operaciones de flujo normal, lavado rápido, stand by y apagado marca Moeller, GE Fanuc o a elección del cliente por marcas de costos similares. - Válvula de muestreo para controlar la calidad del agua filtrada por el equipo en PVC o acero inoxidable 316 de 1/4" de pulgada de diámetro. ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO: Producción de agua permeada: 6.7 GPM. Presión de trabajo al tercer año: 189 PSI. Diámetro de entrada: 1” pulgada. Número de elementos de 4” x 40”: 6 Diámetro de los elementos: 4” pulgadas. Recuperación de diseño sin reciclaje: 55 % Motor monofásico de 3.0 HP., 110/220 V., 60Hz. Dimensiones aproximadas: Longitud: 0.71 mts. Ancho: 0.51 mts. Altura: 1.27 mts. Peso aproximado: 53 kilos.
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Anexo G. Partes implicadas en el proceso con sus re spectivos precios
Cuadro. Precios de las partes implicadas en el desa rrollo de la planta
DISEÑO DE MANUFACTURA
PARTES MATERIAL REF. DIMENSIONES
SUB-PARTES N°
PRECIO (UNIDAD/$)
CARACTERISTICAS PRECIO TOTAL
($ PESOS) EMPRESA
PLC S7-200 1
siemens S7-200- 6ES7216-2AD23-0XB0 CPU226, 24 VDC, ENTRADAS 24 VDC, SAL 24 VDC, MEM 8KBITE 24DI/16DO, 2xPP
$1,479,300 SIEMENS
Interfaz hombre maquina HMI
Panel táctil Óp. 277
1
OP277 PN/DP 6” Color STN 256 , teclas 24 de función, 36 de sistema, 18 iluminadas Protocolos PPI,MPI,Profi bus, PROFINET, Industrial ETHERNET, conexión hasta 6 PLC’s Siemens y NO Siemens, Funciones adicionales de manejo de datos
$5,784,100 SIEMENS
Cable interfaz USB-PPI
USB/PPI 1
6ES7901-3DB30-0XA0 CABLE INTERFACE USB/PPI PARA COMUNICACIÓN Y PROGRAMACION S7-200/PC
$411,800 SIEMENS
Módulo de entrada Análoga
EM 231 1 MODULO DE 4 ENTRADAS ANALOGAS +/-10VDC, RESOLUCION 12BITS $527,400 SIEMENS
TUBERIAS PVC R21 Diámetro nominal 1 1/2 "
ADAPTADOR HEMBRA
10 $2,565
Poli cloruro de vinilo, polímero termoplástico, usado frecuentemente en plantas de tratamiento de agua por su buen rendimiento a presiones y temperaturas no muy altas y su buena capacidad de fluido
$25,650 DIMADERA ST. LUCIA ADAPTA
DOR MACHO
10 $2,236 $22,360
CODOS 37 $3,664 $135,568 DIMADERA ST. LUCIA CHEQUE
S 0 $7,276 $0
SEMICODOS 0 $3,978 $0 DIMADERA
ST. LUCIA
124
TAPONES SOLDAR
0 $1,975 $0
TAPONES ROSCAR
0 $1,976 $0 DIMADERA ST. LUCIA
TEE 17 $4,380 $74,460
TUBO X 6 METROS
1 $31,020 $31,020 DIMADERA ST. LUCIA
UNIVERSALES
0 $9,625 $0
UNIONES 20 $1,358 $27,160
DIMADERA ST. LUCIA VALVUL
AS 1 $6,000 $6,000
SOLDADURA 0
$0
DIMADERA ST. LUCIA LIMPIAD
OR 0
$0
COLECTORES PVC R21
Diámetro nominal: 1 1/2 " Diámetro del filtro: 27"
Colectores filtro de arena
2 $150,000
Los Colectores, son instrumentos ubicados a la entrada y salida de los tanques de pre-tratamiento de agua del sistema de osmosis inversa, los cuales permiten la distribución uniforme del agua de entrada y de salida, con el fin de aprovechar al máximo los lechos de cada etapa de filtrado y hacer que el agua a tratar, y los lechos de tratamiento de cada etapa trabajen a su máxima capacidad.
$300,000 DOBER
OSMOTECH
Diámetro nominal: 1 1/2 " Diámetro del filtro: 22"
Colectores filtro de carbón
2 $150,000
$300,000
DOBER OSMOTEC
H
Diámetro nominal: 1 1/2 " Diámetro del filtro: 38"
Colectores suavizador
2 $150,000
$300,000
DOBER OSMOTEC
H
TANQUE FILTRO ARENA
ACERO AL CARBON CALIBRE
3/6 27" X 36" 1
Muy efectivos para retener sustancias orgánicas, pues pueden filtrar a través de todo el espesor de arena, acumulando
$1,500,000 AQUASOLAR
125
ACERO INOXIDABLE
1/8 REF 304
27" X 36" 1 grandes cantidades de contaminantes antes de que sea necesaria su limpieza. $3,550,000 AQUASOL
AR
TANQUE FILTRO DE CARBON
ACERO AL CARBON CALIBRE
3/6 22" X 72" 1
El carbón activado es un material natural que con millones de agujeros microscópicos que atrae, captura y rompe moléculas de contaminantes presentes. Se diseña normalmente para remover cloro, sabores y olores y demás químicos orgánicos.
$1,400,000 AQUASOLAR
ACERO INOXIDABLE 1/8 REF
304
22" X 72" 1 $2,850,000 AQUASOLAR
TANQUE SUAVIZADOR
ACERO AL CARBON CALIBRE
3/6 38" X 72" 1
También llamado descalcificadora o ablandador de agua, es un aparato que por medios mecánicos, químicos y/o electrónicos tratan el agua con el fin de quitar dureza en el agua, intercambia principalmente cationes de sodio, por cationes de calcio.
$2,800,000 AQUASOL
AR
ACERO INOXIDABLE 1/8 REF
304
38" X 72" 1 $5,340,000 AQUASOLAR
TANQUE SALMUERA PLASTICO
Empaque plástico
VOLUMEN: 500 Lts. 1
Tanque encargado de la recolección de la salmuera, que tiene como función la regeneración de la resina usada en el suavizador
$121,380 COLEMPAQUES
$104,216 AGOFER
TANQUE ALMACENAMIENTO
PLASTICO Empaque plástico
VOLUMEN: 500 Lts.
1 Tanques de almacenamiento que tiene como función el acumular el agua a tratar o agua cruda, y el agua tratada o agua pura.
$121,380 COLEMPAQUES
$104,216 AGOFER
LECHO DE ARENA
Lecho de arena de cuarzo de 0.4mm
VOLUMEN: 12 ft^3
(1 bulto = 40Kg = 1ft^3) *12
$32,000
La filtración se lleva a cabo haciendo pasar el líquido a tratar, a través de un lecho de arena de graduación especial. El tamaño promedio de los granos de arena y su distribución han sido escogidos para obtener las distancias mínimas entre granos, sin causar pérdidas de altas presiones.
$384,000 DOBER
OSMOTECH
LECHO DE CARBON SYBRON
importado VOLUMEN:
7,5 ft^3
(1 bulto = 14Kg = 1ft^3)*7,5
$242,000
Las propiedades de este medio filtrante hacen que las materias orgánicas y las causantes de olores y sabores, al igual que el cloro residual que se encuentra en el agua, sean absorbidas en las superficies del medio filtrante, eliminándolas así del líquido a tratar.
$1,815,000 DOBER
OSMOTECH
126
RESINA SUAVIZADOR
SYBRON importado
VOLUMEN: 23,5 ft^3
ANIONICA
(1ft^3=20kg)*23,5
$598,000
Esta resina cuyas moléculas insolubles están formadas por un anión polimérico y un catión de sodio, posee gran afinidad por cationes divalentes (tales como calcio y magnesio) que se encuentran en baja concentración en el agua. Al poner en contacto agua conteniendo cationes de calcio y magnesio (dureza) con la resina, esta intercambia sus cationes de sodio por los de calcio y magnesio, es decir, libera al agua de los cationes responsables de la dureza de esta.
$14,053,000
DOBER OSMOTEC
H
CATIONICA
(1ft^3=22kg)*23,5 $253,000 $5,945,500
SAL sal para regeneración
VOLUMEN: 500 Lts.
sal regenerante
2 $35,500
Encargada de regenerar la resina del suavizador, por medio de intercambio iónico que se presenta, es decir regenera la resina con cationes de sodio. $71,000
DOBER OSMOTEC
H
VALVULAS MOTORIZADAS
EATB1150STE
Diámetro nominal 1 1/2 "
13 $1’370,000
Tipo de fluido: Agua Temperatura de trabajo: 20° - 30° C Caudal: 20 GPM Diámetro: 1 1/2" voltaje : 24 Vac o´ 110 Vac
$17,810,000 HAYWARD
VALVULA MANUAL PVC
Diámetro nominal 1 1/2 "
VÁLVULA 2 $6,000 Tipo de fluido: Agua
Temperatura de trabajo : 20° - 30° C Caudal: 20 GPM Diámetro : 1 1/2"
$12,000 DIMADERA ST. LUCIA
MOTOBOMBA PROCESO CPH 10
Diámetro nominal 1 1/2 "
1
Tipo de fluido: Agua Temperatura de trabajo: 20° - 30° C Caudal: 20 GPM HDT: 35 PSI Diámetro: 1 1/2"
$480,000 PEDROLLO
PLANTA DE OSMOSIS INVERSA
1 Caudal de entrada al sistema: 20 GPM, caudal de permeado de 13 gpm. $47,500,000
QUALI-PURE
SENSORES
CN5R
SENSOR DE
NIVEL 2 $96,900
Control de nivel por electrodos, El relé de salida es activado cuando el líquido no moja el electrodo inferior y es desactivado cuando el líquido moja los electrodos inferior y superior.
$193,800 CONTROLES S.A
127
FS-200 SERIE
SENSOR DE
CAUDAL 2 $655,000
Sensor de flujo de Disco, cuerpo de bronce, para usar con agua, aceite y líquidos no corrosivos, con señal eléctrica SDPT, 20 watts, presión máxima 400 PSI, Temperatura -29°C a +149°C, alta capacidad 0.5 a 100 gpm
$1,310,000 VIGNOLA S.A.
MiniChem TDS K1.0. 112205
SENSOR DE TDS 1
Sensor de control de monitoreo de procesos para variables análogas de solidos disueltos.
$93,800 WATERFIL
TERS
OTROS
Posibles repuestos, partes de tubería y cableado para instalaciones eléctricas.
$500.000
TOTAL
$97,231,610
128
Anexo H. Datasheet sensor de Nivel - CN5R.
129
Anexo I. Datasheet sensor de caudal - FS200.
130
131
Anexo J. Datasheet sensor de TDS – MiniChem TDS
.
132
133
Anexo K. Datasheet motobomba – CPH 10.
134
135
Anexo L. Datasheet válvula motorizada - EATB1150STE
136
