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“Retos ambientales: Panorama industrial”

Dr. Pedro Medellín Milán

Universidad Autónoma de San Luis Potosí

Dr. Mahmoud M. El-Halwagi

Texas A&M University

Monserrat Chairez Llamas Ingeniería Química

(Tercera Parte)

Process Integration for Environmental Control in Engineering curricula (PIECE)

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Consideremos una refinería típica con una capacidad promedio de 100,000 bbl/day como la presentada en la figura de la siguiente diapositiva.

En este proceso la fuente principal de contaminantes como fenol, amoniaco y sulfuro es la unidad de cracking catalítico. No obstante lo anterior, considerables cantidades de estos componentes, y altos niveles de BOD y COD se encuentran también en el agua aceitosaproveniente de los fraccionadores en las unidades de destilación.

PROBLEMA

5 300Aceite

1 400NH3-N

2 600Sulfuro

800Fenoles

3 800 Sólidos suspendidos

38 000COD

12 000BOD5

16 683 600Agua

CARGAS Y CANTIDAD DE DESECHOS (lbs/day)

PARAMETRO

El agua de desecho producida en las secciones de proceso antes mencionadas son llevadas a una unidad de tratamiento primario (separador API), y la corriente resultante presenta las características siguientes:

Table 3.1: Composición de la corriente de desecho acuosa

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Des

tilac

ión

atm

osfé

rica

Destilaciónal vacío

Coking

Cracking catalítico

Hydrocracking

Producción de Hidrógeno A

min

e

Desulfurización

Treating

Desulfurización Catalytic Reforming

AlquilaciónGas plant

Amine plant

Ble

ndin

g

Treating

Gasoline

Jet Fuel

Kerosene

Heating oil

Gas

Naphtha

Lubricating oil

Grease

Wax

Coke

Industrial Fuel

Asphalt

NaphthaGas

Fuel Gas

ButanoGasolina

Naphtha

LPG y gases ligeros

NaphthaGas

NH3H2S

H2

NH3

H2S

H2S

CO2

Destilados mediosNH3H2S

Gas OilsNH3, H2S

NH3H2S

CO2H2

H2

HCNH2S

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El efluente primario es entonces llevado a tratamiento secundario, donde los niveles de BOD5, COD, aceite y sólidos suspendidos son disminuidos y pueden ser despreciados para este problema. Generalmente, los compuestos de azufre son difíciles de remover, por lo tanto no lidiaremos con su tratamiento y solo consideraremos la composición del afluente secundario como se muestra en la tabla 3.2:

0.000047933.33Fenol

0.000083958.33NH3-N

0.9998682695 150Agua

Fracción MasaFlujo (lb/h)Compuesto

Tabla 3.2 Composición del efluente secundario

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La refinería tiene que cumplir con los límites establecidos por el Codigo Federal de Regulaciones (40 CFR 419.22) indicados abajo:

BOD5

TSS

COD

Aceite y grasa

Compuestos fenólicos

Amoniaco como N

Sulfuro

Cromo total

Cromo hexavalente

pH

28.2

19.5

210.0

8.4

0.21

18.8

0.18

0.43

0.035

(\2\)

15.6

12.6

109

4.5

0.10

8.5

0.082

0.25

0.016

(\2\)

Máximo para 1 díaPromedio de valores

máximos diarios que no deben excederse para 30

días consecutivos

Contaminante o propiedad

contaminante(kilogramos por 1,000 m3 de alimentación)

Tabla 3.3. Límites establecidos por el Código Federal de Regulaciones para una refinería con unidad de cracking catalítico

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Con el objetivo de alcanzar los requerimientos del CFR, el efluente secundario será llevado a tratamiento terciario y las opciones consideradas son:

Disminuir el contenido de fenol y amoniaco por Steam Stripping

Remover el fenol presente usando Ósmosis Inversa

Para el último caso, supondremos que no existe amoniaco presente en la corriente, así que el único contaminante a remover será el fenol:

1695 183.33TOTAL

0.000047933.33Fenol

0.9999521695 150Agua

Fracción MásicaFlujo (lb/h)Compuesto

Tabla 3.4 Composición del efluente secundario para el caso de Tratamiento por Osmosis Inversa

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PREGUNTAS:¿Es el nivel de separación logrado con cada uno de estos métodos

terciarios de tratamiento suficientemente bueno para satisfacer los límites impuestos por el CFR?

¿La concentración buscada podría ser alcanzada al modificar algunas condiciones de operación? Si es así, ¿como afectarían estas modificaciones los costos?

De acuerdo a la separación final alcanzada y al análisis de costos, ¿cual es la tecnología más apropiada para este caso?

¿Qué método recomendarías como tratamiento secundario tomando en cuenta que los niveles de BOD5, COD, y las cantidades de sólidos suspendidos y aceite deben ser lo suficientemente bajas para cumplir con las regulaciones dictadas por el CFR?

¿Alguno de los métodos terciarios propuestos es conveniente para la remoción adicional de BOD, COD, sólidos suspendidos o aceite?

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Para los cálculos de Ósmosis Inversa, los siguientes datos son requeridos:

Longitud de fibra, l: 0.750 mLongitud de sello de fibra, ls: 0.075 mRadio externo de fibra, ro: 42 x 10-6 mRadio interno de fibra, ri: 21 x 10-6 mÁrea de la membrana, Sm: 180 m2

INFORMACIÓN GEOMÉTRICA

DATOS ADICIONALES

Velocidad de flujo máxima por módulo: 0.460 kg/s

Velocidad de flujo mínima por módulo: 0.210 kg/s

Presión máxima de alimentación: 25.58 x 105

Caída de presión por módulo: 0.405 x 105

Permeabilidad del agua pura, A: 1.20 x 10-10

Parámetro de transporte del soluto: 2.43 x 10-4

Mahmoud M. El-Halwagi, Synthesis of Reverse-Osmosis Networks for Waste Reduction, AIChE Journal, August 1992

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Desechos IndustrialesLas características de las aguas de desecho industriales, su composición, flujo y volumen difieren considerablemente entre industrias dependiendo del proceso específico llevado a cabo.

Como se vio en la sección 2.3, el agua de desecho de la industria de refinación del petróleo y petroquímica contiene compuestos químicos muy peligrosos como hidrocarburos, fenoles, sulfuro de hidrógeno, ácido sulfúrico, etc.

Por tanto, el impacto ambiental de estas aguas depende, además de sus características colectivas como BOD (biochemical oxygen demand) , COD (chemical oxygen demand) y sólidos suspendidos (suspended solids, SS), del contenido específico de compuestos orgánicos e inorgánicos. Estas sustancias dictarán el método más apropiado de tratamiento.

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El programa de la EPA para el control de desechos está basado en la siguiente jerarquía:

Prevención Reuso

Reciclaje Recuperación de energía

TratamientoContención Disposición

El tratamiento de aguas de desecho puede tomar lugar a diferentes puntos del proceso.

Opciones para controlar el desecho de aguas industriales

El agua de desecho puede ser:

• Pretratada para su descarga en las fuentes municipales de tratamiento.

• Tratada completamente en la planta y reusada o descargada directamente a las aguas de recepción.

• Tratada en el punto de generación.

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Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desecho

Remoción biológica de nitrógeno

Bioaugmentation

Lodos Activados

Aereación extendida

Procesos anaeróbicos

Rotating biological contactors

Sequencing batch reactores y filtros por

goteo

Adsorción con carbón

Destilación

Filtración

Stripping con vapor

Oil and grease skimming

Separación agua/aceite

Sedimentación

Tecnología de membranas

Oxidación Química

Precipitación Química

Coagulación

Dissolved air flotation

Oxidación Electroquímica

Floculación

Hidrólisis

Neutralización

Extracción con solvente

Intercambio iónico

QUÍMICO FÍSICO BIOLÓGICO

INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS

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Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desecho

Remoción biológica de nitrógeno

Bioaugmentation

Lodos Activados

Aereación Extendida

Procesos anaeróbicos

Rotating biological contactors

Sequencing batch reactores y filtros por

goteo

Adsorción con carbón

Destilación

Filtración

Sttripping con vapor

Oil and grease skimming

Separación agua/aceite

Sedimentación

Tecnología de membranas

Oxidación Química

Precipitación Química

Coagulación

Dissolved air flotation

Oxidación Electroquímica

Floculación

Hidrólisis

Neutralización

Extracción con solvente

Intercambio iónico

QUÍMICO FÍSICO BIOLÓGICO

INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS

Procesos Físico/químicos si agentes químicos

tales como agentes coagulantes son

agregados.

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Tratamiento Convencional

Tratamiento de alta calidad

Proceso de tratamiento de aguas de

desecho

Es una combinación de procesos

químicos, físicos y biológicos.

TRATAMIENTO PREELIMINAR

TRATAMIENTO PRIMARIO

TRATAMIENTO SECUNDARIO

TRATAMIENTO AVANZADO

A descarga o a reuso/reciclaje

Corriente de alimentación de

agua de desecho

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Remoción de gravilla, escombros y cantidades excesivas de aceites y

grasas.

Planta de pretratamiento de agua de desecho







desecho



Corriente de alimentación de agua de

desecho

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Remueve cerca del 50 a 70% de SS, 25 a 50% de BOD5 y 65% de

aceite y grasa.

Clarificador


desecho




desecho

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La remoción alcanzada es de hasta 85-95% de BOD y SS y 65%

de COD.


desecho



Corriente de alimentación de

agua de desecho

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Remoción de :•Sólidos orgánicos y suspendidos adicionales.•Nitrogenous Oxygen Demand (NOD)•Nutrientes•Materiales Tóxicos

Separación por membranas

También llamado

“Tratamiento Terciario”


desecho




desecho

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Objetivo: Separar sustancias que pueden causar problemas al equipo de purificación de la planta. Sólidos inorgánicos pesados como arena, grava, metal o vidrio son removidos. El escombro colectado es usualmente enviado a un relleno sanitario.

Procesos usados: Principalmente sedimentación y filtración.

Equipo usado: Bar screens, comminutors y grit chambers. Generalmente el agua de desecho entra primero a una bar screen para remover sólidos de gran tamaño y entonces pasa a una grit chamber.

Grit Chamber


Objetivo: Remoción de sólidos orgánicos e inorgánicos, aceites y grasas. También son removidos algunos compuestos orgánicos de fósforo y nitrógeno, así como metales pesados asociados con sólidos. Constituyentes coloidales y disueltos no son afectados.

Procesos usados: Sedimentación, flotación y separación agua/aceite.

Equipo usado: Clarificadores y tanques sedimentadores para remover sólidos suspendidos y separadores API para separación agua/aceite.Clarificador en Main Wastewater

Treatment Plant en Oakland

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Sistemas de película suspendida: Los microorganismos son suspendidos en el agua de desecho y, una vez que han absorbido nutrientes, se reproducen y sedimentan como lodo. Una porción de lodo es llevada nuevamente junto con el agua de desecho de entrada funcionando como microorganismos “semilla”, mientras que la otra parte es enviada a tratamiento de lodos. Ejemplos de tales sistemas son aereaciónextendida, activated sludge, sequential batch reactor systems y oxidation ditch.

Procesos usados: Tres enfoques son usados para lograr el tratamiento secundarioSistemas de película fija: Los microorganismos crecen en sustratos

(rocas, plástico, arena) sobre los cuales el agua de desecho es extendida. La película de microorganismos continua creciendo y se haciéndose gruesa mientras los nutrientes son absorbidos. Algunos ejemplos son rotating biological contactors (RBC), trickling filters y filtros de arena.


Objetivo: Descomposición de materia orgánica disuelta usando biologically active sludge. Consiste en el tratamiento biológico del efluente proveniente de tratamiento primario para remover los sólidos residuales orgánicos, suspendidos, coloidales y disueltos.

Sistemas de Lagunas: Son estanques poco profundos diseñados para contener el agua de desecho por varios meses mientras es tratada usando una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. Algunos equipos de aeración pueden ser adicionados para elevar la eficiencia del sistema. Los tipos mas comunes de lagunas son:

Lagunas anaeróbicasLagunas naturalmente aeróbicasLagunas aereadas

Tratamiento con RBChttp://www.oleau.fr/

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Definición: Cualquier proceso aplicado después de tratamiento secundario diseñado para producir un efluente de mayor calidad para proteger las aguas receptoras o para proveer agua reusable para su posterior reciclaje industrial y/o doméstico. Esta tecnología incluye todas las unidades de operación no comúnmente encontradas en los tratamientos típicos.

Clasificación de los procesos de tratamiento avanzados:


TRATAMIENTO TERCIARIO

COMBINADO BIOLOGICAL-PHYSICAL-CHEMICAL

TREATMENT

TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO

De acuerdo al tipo de proceso

utilizado

“Proceso de tratamiento en el cual

las unidades de operación son añadidas al

tratamiento secundario convencional.”

“Proceso de tratamiento en el cual procesos biológicos y

fisicoquímicos son entremezclados para conseguir el efluente

deseado.”

Combinación de tratamientos biológicos y

fisicoquímicos.

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PROCESO FISICOQUÍMICO

PROCESO BIOLÓGICO

Otra manera de clasificar los métodos avanzados de tratamiento es diferenciándolos de acuerdo a su objetivo final. Algunos ejemplos se presentan a continuación.


REMOCIÓN

DE

N I TRÒGENO

Stripping alcalino con aire

Intercambio iónico: El agua de desecho es pasada a través de una cama porosa de resina orgánica donde intercambiadores de iones catiónicos y aniónicos reaccionan con cationes y aniones respectivamente para la remoción o recuperación.

Breakpoint chlorination

Consta de dos fases:Nitrificación o primera fase: Ocurre en ambiente aeróbico y un tanque similar al usado en lodos activados es usado para oxidar la amoniaco a nitrato.Segunda fase: Ocurre en un ambiente anóxico (sin oxígeno libre, i.e., O2) donde los nitratos son denitrificados a nitrógeno molecular por medio de diferentes géneros de bacteria usando los nitratos como compuesto oxidante en lugar de oxígeno.

www.mech-chem.com/ about/wyman.html

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PROCESO QUÍMICO

PROCESO BIOLÓGICO


REMOCIÓN

DE

FÓSFORO

Por precipitación química usando iones metálicos multivalentes como sales de hierro o compuestos de aluminio tales como cloruro férrico o alum (sulfato de aluminio).

La remoción de fósforo se logra al promover que los PAO’s(phosphorus accumulating organisms) crezcan y consuman el fósforo usando un tanque anaeróbico localizado frente a un tanque de aereación de activated sludge.

Tratamiento con Alum en Squibb Lake, Lawrenceville, NJ

http://www.alliedbiological.com/treatment1.html

Reactor anaeróbico

Reactor aeróbico

Clarificador

Efluente secundario

Efluente limpio de P

Desecho de activated sludge con bacteria rica

en P.

Ya que estos métodos convierten el fósforo disuelto en forma de partículas, es común usar filtros de arena como

etapa final.

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Estanques de pulido.Se emplea para obtener remoción adicional de sólidos suspendidos. El tratamiento puede ser aeróbico o facultativo (combinación de actividad biológica aeróbica y anaeróbica).

Filtración. Usada para la eliminación adicional de sólidos suspendidos y BOD (Demanda bioquímica de oxígeno). Estos procesos incluyen filtros de arena, pantanos construidos (artificiales) y filtración por membranas.

Microstraining. Método usado para la remoción adicional de sólidos suspendidos y BODasociado. El proceso envuelve el paso del efluente a través de un tambor rotativo horizontal con una tela filtrante fija como a pantalla porosa.


OTROS

MÉTODOS

DE

TRATAMIENTO

Adsorción con carbón activado. Se aplica como tratamiento avanzado para la remoción de compuestos orgánicos no biodegradables o como tratamiento secundario al reemplazar al tratamiento biológico convencional. Algunas moléculas como metanol, ácido fórmico y azúcares no son removidas por este método.

Post-aereación. Método usando para mantener un nivel determinado de oxígeno disuelto. Esto es logrado por aeración mecánica, aereación difusa o aeración en cascada.

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CONTAMINANTE TRATAMIENTO PRIMARIO


TRATAMIENTO TERCIARIO

Ph Neutralización

Sólidos suspendidos Screening Sedimentación

Coagulación/SedimentaciónFiltración

BOD Sedimentación Coagulación/Sedimentación

Activated Sludge Trickling Filter

Carbón Activado Adsorción

Ósmosis Inversa COD Sedimentación

Coagulación/SedimentaciónActivated Sludge Trickling Filter


Ósmosis Inversa Oxidación con CL2 o

O3 Aceite Separador de aceite Flotación

Cianuro Decomposición con O3 Activated Sludge

Electrodiálisis

Cromo Reducción & Sedimentación

Intercambio iónico Electrodiálisis

Hierro Filtración de Hidróxido Intercambio iónico Electrodiálisis

Metales pesados Filtración de Hidróxido o sulfuro

Intercambio iónico Electrodiálisis

Cloro Neutralización con álcali o Tiosulfato


Sulfuro Activated sludge

Oxidación química Ósmosis Inversa

Olor Activated sludge Oxidación química

Activated Carbon Adsorción

Color Coagulación/Sedimentación Carbón Activado

Los ejemplos mas comunes usados en el tratamiento de agua de desecho se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 3.5: Métodos de tratamiento de aguas de desecho. http://nett21.gec.jp/CCT_DATA/WATER/INTRODUCTION/html/Water-001.html

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Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería

de petróleo

Efluente

SeparadorAPI

Tanques deAlimentación

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin

Clarificador

Activated Sludge Process

Este efluente es entonces tratado en una central conocida como tratamiento de “fin de tubería" ya que normalmente es implementado como última etapa del proceso, antes de que

Es común en la mayoría de las refinerías colectar todas las aguas de desecho y combinarlas en una corriente única.

la corriente sea dispuesta o

repartida. El tratamiento de fin de tubería incluye

sistemas biológicos y

químicos.

Adaptado de “An Integrated Expert System for Operating a Petroleum Refinery. Activated Sludge Process”Weibo Yuan, Michael K. Stenstrom , Naci H. Ozgur, David Okrent

Reciclaje de lodos

Recipiente de

Aereación

Alimentación

Lodos a desecho

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Efluente

API Separator

Tanques de Alimentación

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin

Recipiente de

AereaciónClarificador

Alimentación

Reciclaje de lodos

Lodos a desecho



de petróleoEl separador del Instituto Americano del

Petróleo, (API) es un gran tanque rectangular que opera bajo el principio de la ley de Strokes, la cual define la velocidad de ascenso de una partícula de aceite basado en su densidad y

tamaño.

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API Separator


Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de


Alimentación


de petróleo

Efluente

El separador del Instituto Americano del Petróleo, (API). Está diseñado para proveer suficiente tiempo de retención dinámico para

permitir al aceite emulsificado libre aglomerarse y elevarse a la superficie. Los sólidos se

sedimentan en el fondo del separador o son llevados a través del mismo con el agua,

dependiendo de su velocidad de sedimentación y su densidad.

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Efluente

API Separator


Dissolved Air

Flotation

Equalization basin

Clarificador


Relativamente ineficiente

Requiere gran cantidad de espacio

Acepta una gran variedad y proporciones

de aceite y sólidos, incluyendo aceite viscoso,

pegajoso o ceroso.

Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de

Aereación

Alimentación


de petróleo

http://www.monroeenvironmental.com/api_clarifiers.htm

Separador API

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Separador

API

Equalization basin

Clarifier


Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de

Aereación

La unidad de Dissolved AirFlotation (DAF) consta de 2

secciones. Primero, en la cámara de floculación, el influente es mezclado con

demulsificadores cuagulantesque causan la aglomeración de pequeñas gotas de aceite

y sólidos.

Entonces, el desecho aceitoso fluye a la sección de flotación, en la

cual las burbujas de aire ascendentes se

adhieren a estas partículas causando

también su elevación.

Alimentación Tanques deAlimentación


de petróleo

Efluente

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Separador

API

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


Finalmente, la escoria es removida en la superficie por

un skimmer y el lodo asentado en el fondo

es desplazado por gravedad o bombeo.

http://www.hydroflotech.com/site_map.htm

Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de




de petróleo

Efluente

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API Separator

FeedTanks

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de

Aereación

Equalization BasinSon tanques o estanques alineados. De acuerdo

al Departamento de Ambiente y Recursos Naturales de Dakota del Sur, las equalizationbasins tienen dos objetivos:

www.baycodws.org/_about/process.html

Clarificador

Alimentación


de petróleo

Efluente

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API Separator

FeedTanks

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin

Raw Feed


Lodos a desecho

Recipiente de

Aereación

Reciclaje de lodos

Clarificador


de petróleo

“El objetivo secundario es disminuir la fuerza de los

constituyentes del agua de desecho al mezclar el agua

de desecho en la equalization basin para

mantener un grado fiable de control operacional.

Genesee County ARTP Equalization Basin

Efluente

El objetivo primario es disminuir las variaciones causadas por la entrada e infiltración y las variaciones de flujo, para alcanzar un caudal casi constante en el proceso de tratamiento corriente abajo.

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SeparadorAPI

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de



El proceso de Activated Sludge Process es uno de los procesos de tratamiento secundario mas comunes. Este proceso usa bacterias Saprophytic para remover sólidos

suspendidos y BOD disuleto.

De acuerdo al Manual de Prácticas # 9 de ActivatedSludge (Water Environment Association, 1987), el proceso

de activated sludge consta de cinco equipos esenciales interrelacionados:


de petróleo

Efluente

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SeparadorAPI

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


1. Un tanque de aeración en el cual aire u oxígeno es introducido al sistema para crear un ambiente aeróbico. Existen cuando menos siete modificaciones en forma y número de tanques para producir variaciones en el patrón de flujo.

Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de




de petróleo

Efluente

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SeparadorAPI

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


2. Una fuente de aereación, que puede ser de oxígeno puro, aire comprimido o por aereación mecánica.

Fotografía de un difusor usado para suministrar el aire necesitado por los microorganismos.

Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de




de petróleo

Efluente

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SeparadorAPI

FeedTanks

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


3. Clarificadores. Los sólidos provenientes del proceso de Activated sludge son separados del agua de desecho por floculación y sedimentación gravitacional. Entonces los lodos espesos resultantes (RAS) se dirigen a los fondos, mientras que en la porción superior del clarificador se forma una mezcla de agua de desecho con bajos niveles de sólidos de activated-sludge en suspensión.

Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de


Alimentación


de petróleo

Efluente

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Separador API

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


4. Los RAS de los clarificadores secundarios es bombeado de regreso al tanque de aereación, para asegurar el recubrimiento de los microorganismos.

Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de




de petróleo

Efluente

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SeparadorAPI

Dissolved Air

Flotation

Equalization basin


5. Finalmente, los lodos de activated sludge conteniendo superpoblación de microorganismos deben ser removidos o desechados del sistema.

Lodos a desecho

Reciclaje de lodos

Recipiente de




de petróleo

Efluente

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Técnicas de separación de MembranasLas técnicas de separación de membranas (Membrane separation, MS) han experimentado gran crecimiento en los años recientes y son ampliamente aplicadas en la industria en nuestros días ya que están orientadas a cumplir con las siguientes necesidades:

• Demanda de productos de mayor calidad. • Presiones regulatorias en aumento.• El elevado interés en preservar los recursos

naturales.• Sustentabilidad ambiental y económica.

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De entre sus muchas fortalezas, algunas de las razones para el incremento en la aplicación de los procesos de separación de membranas son:

• Ahorro de energía apreciable: bajo consumo de energía porque estos sistemas operan a temperatura cercana a la ambiente.

• Tecnología limpia con facilidad operacional.• Diseño compacto y modular (usando menos espacio que los

voluminosos equipos y métodos tradicionales). • Producen productos de alta calidad debido a la gran selectividad de

las membranas.• Permite la recuperación de subproductos vendibles de las

corrientes de desecho, lo que incrementa su rentabilidad.• Gran flexibilidad en el diseño de sistemas. • Fácil incorporación a plantas industriales ya existentes.

APLICACIÓN

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Técnicas de separación de membranas• El objetivo básico de los procesos de separación de membranas es la permeación selectiva de una o más

especies a través de la membrana, logrando así la separación.

• De acuerdo a la IUPAC, una membrana es una “estructura que tiene dimensiones laterales mucho más grandes que su grosor, a través de la cual puede ocurrir transferencia de masa bajo una variedad de fuerzas impulsoras”.

• Ya que las membranas no permiten el flujo de líquido, el transporte a través de las mismas es por: Sorción: Se refiere a la adsorción o a la absorción de las partículas en la membrana. Difusión: El movimiento de partículas desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración. Para que ocurra difusión, la membrana debe ser permeable a las moléculas.

• La permeabilidad describe la velocidad de transporte de las partículas a través de la membrana.

Representación esquemática de una unidad de separación de membrana.

Alimentación

bomba

Retenido

Membrana

Permeado

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subproducto

Producto Final

residuosFeed stream 1

Feed stream 2

Sección Up-stream process

Sección In-course process

Sección Down-stream process

PROCESO

Preparación del fluido

Regeneración del fluido, producción.

Purificación, producción recuperación, revalorización del efluente.

Subproducto a venta

“Las técnicas de separación de membranas pueden ser aplicadas en diferentes secciones

del proceso”.

• Los procesos de separación de membranas pueden diferir uno de otro en el tipo y configuración de la membrana, el mecanismo de transporte para varios componentes de las soluciones y, la naturaleza de la fuerza impulsora del proceso.

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Definiciones ComunesAntes de continuar con la separación por membranas e introducir la técnica de ósmosis Inversa (Reverse Osmosis, RO), la comprensión de las siguientes definiciones es necesaria.

a) Retenido: Corriente retenida en el lado de alta presión de la membrana.

b) Permeado: Corriente retenida en el lado de baja presión de la membrana.

c) Flujo Osmótico (Osmotic Flow ,OF): La creciente diferencia de potencial químico debida a la diferencia en concentraciones de los solutos en las soluciones, resulta en la permeación del portador (usualmente agua), a través de la membrana. Este proceso ocurre del lado de alto potencial químico (baja concentración), al lado de bajo potencial (alta concentración).

d) Presión osmótica (Π): La presión necesaria para detener el proceso de ósmosis. Es la presión hidrostática que debe ser aplicada al lado de alta concentración de soluto de una membrana ideal semipermeable rígida con el objetivo de detener el transporte de solvente a través de la membrana.

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f) Membrane packing density: Define el área efectiva de la membrana instalada por volumen de módulo y es el principal indicador para el grado de pretratamiento necesario para los diferentes módulos con la finalidad de lograr la operación segura y libre de problemas del sistema.

Donde C es la concentración molar del soluto, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta.

CRT=π

En el caso de soluciones diluidas, la presión osmótica puede predecirse con la ecuación de Van’t Hoff:

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MembranasLa separación máxima alcanzada en los procesos de membranas depende de la permeabilidad de la membrana por los componentes de la solución alimentada. Una membrana permeable permite el paso de todas las sustancias disueltas en el solvente.Una Membrana semipermeable es capaz de transportar diferentes especies moleculares a diferentes velocidades bajo condiciones idénticas. La membrana semipermeable ideal en los procesos de membranas es aquella que es permeable solo al solvente, pero impermeable a todos los solutos. Los procesos de separación de membranas dependen fuertemente de la naturaleza química de los materiales con que las membranas están fabricadas y de la estructura física de las mismas. Las siguientes son algunas características deseables en las membranas:

Buena permeabilidadAlta selectividadEstabilidad mecánicaEstabilidad térmicaHabilidad para soportar grandes diferencias de presión a

través de la membrana

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CLASIFICACIÓN DE MEMBRANAS

ORIGEN

MATERIAL

MORFOLOGÍA/ ESTRUCTURA

MEMBRANA

Sintético Biológico

SólidoLíquido

Orgánico Inorgánico

No-poroso Poroso

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ORIGEN

MATERIAL


MEMBRANA


SólidoLíquido


No-poroso Poroso

Discriminación de acuerdo al tamaño de partícula o

molécula. El mecanismo en el que se basa la

separación es tamizado o filtración. Un gradiente en presión hidráulica actúa como fuerza impulsora.

Discriminación de acuerdo a las afinidades

químicas entre los componentes y los materiales de la

membrana.

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ORIGEN

MATERIAL


MEMBRANA


SólidoLíquido


No-poroso Poroso

El transporte de masa a través de estas membranas es descrito por el “modelo de solución-difusión” como sigue:

•Sorción de un componente fuera de la mezcla de alimentación y solución en el material de la membrana. •Transporte a través de la membrana a lo largo de un gradiente de potencial.•Desorción al otro lado de la membrana.

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SIMÉTRICA(HOMOGÉNEA)

Construida de un solo material, por esta razón la membrana es uniforme en densidad y estructura de poro a través de la sección transversal.

ASIMÉTRICA

Pueden ser homogéneas o heterogéneas y son caracterizadas por un cambio de densidad en el material de la membrana a través de la sección transversal de la misma.

COMPOSITE(HETEROGÉNEA)

Constituidas por diferentes (heterogénea) materiales, las membranas tienen una delgada pero densa capa que sirve como barrera filtrante. Pero, a diferencia de las skinned membranes, está hecha de diferente material que la subestructura porosa sobre la cual estásoportado.

Skinned type: consiste de una densa capa usada como barrera filtrante primaria y, una gruesa y más porosa subestructura que sirve como soporte.

Graded density type: La estructura porosa decrece gradualmente en densidad desde el lado de alimentación hasta el lado del filtrado de la membrana.

De acuerdo a la estructura

física (“trans-wall symmetry”)

Esta cualidad describe el nivel de uniformidad a través de la sección

transversal de la membrana.

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RENDIMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LAS MEMBRANAS

El rendimiento de una membrana depende de:

Las características de la membrana

La solución de alimentación a ser tratada

Las condiciones de operación

Los siguientes son algunos parámetros usados para medir el rendimiento de las membranas:

Factor de Recuperación

100covRe ∗=Feed

permeate

QQ

ery

Donde Qpermeate y QFeed son la velocidad de flujo del permeado y de la alimentación, respectivamente.

Mide la cantidad de la alimentación que es recuperada como

permeado.

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Retención o rechazo

100)(∗

−=

Feed

PermeateFeed

CCCR

Donde CFeed es la concentración de una especie particular en la alimentación y Cpermeate es la concentración de la misma especie en la corriente purificada.

Transmisión Porcentaje de soluto que no es retenido por la

membrana.

Medida de la fracción de soluto que es retenida por

la membrana.

100∗=Feed

permeate

CC

T RT −=100or

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Factor de Concentración

Feed

tentate

CCCF Re=

Altos valores de CF’s son deseables pero están limitados porque se traducen en presiones osmóticas altas (RO, NF) o formación de torta (MF, UF), lo cual lleva a un incremento en costos.

Factor de Descontaminación

Permeate

Feed

CCDF =

Útil para evaluar el rendimiento de procesos

de tratamiento de desechos.

Medida del grado de incremento en la

concentración de un componente.

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El rendimiento de las membranas puede verse afectada por los siguientes fenómenos:

Compresión de Membrana (Membrane compaction): Es la disminución de la permeabilidad de la membrana causada por la compresión de la estructura de la membrana bajo la presión transmembrana.Concentración polarización: Es caracterizada por la acumulación de especies retenidas en la superficie de la membrana. Como consecuencia, la superficie de la membrana es sujeta a una concentración de alimentación que es mayor que la concentración del grueso de la corriente alimentada lo cual lleva al desarrollo de presiones osmóticas elevadas en ósmosis inversa y nanofiltración. El grosor de esta capa puede ser controlado parcialmente modificando la velocidad y turbulencia del líquido bombeado durante la operación de flujo cruzado (cross-flow).

Aunque este fenómeno es reversible, el fouling que causa

puede no serlo.

Es perjudicial porque:

Es perjudicial porque:

Disminuye el flujo y la retención e incrementa el potencial de fouling por crecimiento bacterial o reacciones químicas como laprecipitación.

Provoca estancamiento y la formación irreversible de bound cake enmicrofiltración.

En ultrafiltración, causa elevación de la presión osmótica y posible formación de gel.

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Fouling: Es la deposición de partículas submicrométricas (menores a 1 μm) en la superficie de la membrana y/o sus poros. Esto ocurre cuando los sólidos rechazados no son transportados nuevamente al bulk de la corriente desde de la superficie de la membrana.En general, existen cuatro tipos principales de fouling:

Comparación de membrana limpia y con fouling.

Generalmente, los diferentes tipos de

fouling ocurren simultáneamente.

Sólidos disueltos

Sólidos suspendidos

Orgánicos No-biológicos

Organismos biológicos

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Fuerzas impulsoras para el Transporte• En general, cuatro diferentes fuerzas impulsoras son posibles en el

transporte a través de membranas:

• Cada una de las fuerzas impulsoras tiene una influencia en los otros flujos, adicional a su efecto primario. Por ejemplo, un gradiente de presión puede causar un flujo de corriente, llamado the streaming current, además del flujo de solvente.

Flujo de energía térmica Temperatura

Flujo de corriente eléctricaPotencial Eléctrico

Flujo de solutoConcentración

Flujo de solventePresión

EFECTO PRIMARIOFUERZA IMPULSORA

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De acuerdo a las fuerzas impulsoras para el transporte, los procesos de membranas pueden clasificarse como sigue:

Gradiente de Presión (P):Ósmosis Inversa

Ultrafiltración

Microfiltración

Nanofiltración

Permeación de vapor

Permeación de Gas

Pervaporación

Gradiente de Potencial Eléctrico (E):Electrodiálisis

Electrólisis de membrana

Electrosorción

Electrofiltración

Intercambio iónico electroquímico

Gradiente de Concentración (C):Diálisis

Extracción por membrana

Membrana líquida soportada (SLM)

Emulsion liquid membrane (ELM)

Non-dispersive solvent extraction with hollow fiber contactors.

Gradiente de Temperatura (T):Destilación con membranas

Thermo-osmosis

Procesos con fuerzas impulsoras combinadas:Electro-osmofiltración (P + E)

Concentración Electro-osmótica (E + C)

Separación de gases (P + C)

Piezodiálisis (P + C)

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Ejemplos de aplicaciones y procesos de separación competentes con su respectivo proceso de separación de membrana.

DestilaciónPurificación y desalinización de aguaDestilación con membranas

Absorción,Adsorción,

Condensación

Recuperación de hidrógeno de corrientes gaseosas procesadas, deshidratación y

separación de airePermeación de gas

DestilaciónDeshidratación de etanol y solventes orgánicosPervaporación

Cristalización,PrecipitaciónSeparación de electrolitos de no-electrolitosElectrodiálisis

Osmosis InversaPurificación de sangre (riñón artificial)Diálisis

Destilación, Evaporación,

Diálisis

Desalinización de agua de mar y agua salobre, proceso de purificación de aguaÓsmosis Inversa

Destilación, Evaporación

Separación de colorantes y azúcares, ablandamiento de agua.Nanofiltración

CentrifugaciónSeparación de proteínas y virus, concentración de emulsiones “aceite en agua” (oil-in-water

emulsions).Ultrafiltración

Sedimentación,Centrifugación

Separación de células y bacterias de las solucionesMicrofiltración

Procesos AlternativosAplicacionesProceso

Tabla 3.6: Procesos de Separación y sus aplicaciones.Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th edition, pages 22-37 to 22-69.

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Procesos de Membranas conducidos por Presión

Los procesos conducidos por presión son tecnologías maduras con un gran número de aplicaciones exitosas en el tratamiento de corrientes acuosas y de desecho industriales.Su gran flexibilidad para la configuración de los procesos puede optimizar su rendimiento.Son apropiados para la integración de sistemas con etapas de tratamiento convencionales.

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200 – 30010 - 35< 0.5 nmRO

40 – 200 psig (90 típicamente)

20 – 1500.0005 to 0.005 mm

NF

10 – 10030 – 3000.005 to 0.1 mm

UF

15 - 60100 – 10000.1 to 2 mmMF

PRESIÓN (psi)

FLUJO(L/m2 h)

TAMAÑO DE PORO

PROCESO

La siguiente tabla muestra los procesos más usados de membranas conducidos por presión (Pressure Driven, PD) y los valores típicos de operación de los mismos:

Procesos PD basados

primariamente en el tamaño de la especie

a separar.

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Pressure Driven Membrane Processes

Features of Pressure-Driven Membrane Systems for Environmental Applications. REF

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Los Procesos PD de membranas son especialmente útiles cuando un amplio rango de contaminantes posibles variando en el espectro de remoción entero deben ser removidos. Por ejemplo, la separación de macro partículas de especies iónicas.

Tamaño de Poro de Membrana

(μm)

Presión(bar)

Ósmosis Inversa(RO)

Ultrafiltración (UF)

Nanofiltración (NF)

Microfiltración (MF)

30-60

20-40

1-10

< 1

10-4-10-3

10-3-10-2

10-2-10-1

10-1-10 1

Sólidos suspendidos BacteriasVirusIones MultivalentesIones MonovalentesAgua

Retenido(concentrado)

Permeado(filtrado)

FEED

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FR FR

FR

FR

SP

S P

P

P P

F

M M

M

M

M

Existen varios tipos de flujos usados en separaciones por membrana. Los siguientes son algunos de ellos:

(a) co-current flow (paralelo)

(d) Flujo cruzado (e) Dead-end flow

(b) Flujo completamente mezclado

(a) Flujo a contra corriente

M = MembranaF = AlimentaciónP = PermeadoR = RetenidoS = Corriente de barrido

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En los procesos conducidos por presión la separación se logra ya sea por flujo tipo dead-end o flujo cruzado:

Flujo tipo Dead-end: El flujo de alimentación es perpendicular a la membrana y la única salida para el fluido es a través de la membrana. En esta configuración el flujo bombardea la superficie de la membrana. No es un modo muy recomendado porque las partículas acumuladas en la superficie de la membrana pueden causar caídas de presión significativas debido al taponamiento o contaminación de la misma.

Flujo cruzado: En este modo la corriente de alimentación fluye paralela a la membrana y el fluido corriente abajo se mueve lejos de la misma en la dirección normal a la superficie de la membrana. Esta configuración reduce la acumulación de material en las membranas barriéndolo lejos de la superficie.

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Tipos de ÓsmosisExisten dos tipos de procesos

osmóticos como se muestra en la figura:

• Ósmosis Directa (DO): Usa baja presión. El solvente pasa a través de la membrana debido a la diferencia de concentración de soluto en los dos lados. El equilibrio se alcanza cuando suficiente agua se ha transportado para igualar la concentración de soluto en los dos lados de la membrana.

• Ósmosis inversa (RO): Usa alta presión, mayor que la OP. así, el portador es permeadopreferentemente, mientras que el retenido contiene el soluto rechazado (contaminante). Entonces, la membrana divide el agua de los contaminantes. El objetivo principal es purificar agua y no diluir los contaminantes.

EQUILIBRIO

π

Presión osmótica

El flujo de solvente se detiene.

Solvente puro

Solución

Membrana

ÓSMOSISEl solvente atraviesa la membrana hacia el lado de la solución.

De el lado de baja concentración de soluto hacia el de

alta concentración.

ΔP > π

ÓSMOSIS INVERSA

El flujo es revertidocuando la ΔP aplicada

es mayor que π.

De alta concentración de

soluto a baja concentración.

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Permeado

Alimentación

Retenido

En Ósmosis Inversa una bomba es usada para elevar la presión y la alimentación es distribuida entre un número, n, de módulos. El retenido es colectado para su posterior tratamiento, disposición o venta. El permeado es recuperado y constituye la corriente limpia.

La Ósmosis Inversa puede ser usada en una legión de aplicaciones. Algunas de ellas son: desalinización de agua de mar, tratamiento de suero de queso, soluciones de acabado de metales, efluentes de plantas de blanqueado y teñido y agua de desecho de las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Ósmosis Inversa

ultrafiltración

evaporación

Ósmosis inversa

evaporación

Efluente de la planta de blanqueado

Azúcares5%(w/v) Agua

para reuso

Azúcares 20%(w/v)

azúcares60%(w/v)

Lignosulfonados30% (w/v)

Lignosulfonados60% (w/v)

Ósmosis Inversa para agua de desecho proveniente de la industria del papel.

ÓSMOSIS INVERSA

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MEMBRANAS Y MÓDULOS PARA ÓSMOSIS INVERSA

HOLLOW FIBER

FLAT SHEET

TUBULAR

De acuerdo a su forma geométrica,

las membranas

pueden clasificarse

en:

Hollow Fiber module

Spiral wound module

Plate and Frame module

Tubular module

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www.mtrinc.com/ Pages/FAQ/faqs.html

Spiral-Wound Module: Consiste en dos membranas semipermeables colocadas espalda con espalda y separadas por una tela que funciona como portador de permeado y que está diseñada para minimizar la caída de presión del mismo. Tres bordes de la membrana están sellados con adhesivo, mientras que el cuarto está pegado a un tubo central perforado. Cuando el paquete es enrollado, las capas de membrana son separadas por una malla que no solo promueve la turbulencia y mejora la transferencia de masa, sino que también reduce la concentración polarización. El elemento de spiral-wound está inserto dentro de un recipiente presurizado o cubierta. Así, la solución de alimentación presurizada fluye axialmente dentro de solo una cara del cilindro. El permeado pasa a través de la membrana y bajo el portador de permeado y dentro del tubo central perforado, de donde es colectado y removido. El retenido fluye hacia afuera por el otro lado del spiralmodule.

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Plate and Frame Module:Consiste en membranas circulares selladas por ambos lados a un plato rígido (construido de plástico, fibra de vidrio porosa o papel poroso reforzado), el cual actúa como soporte mecánico y como portador de permeado. Estas unidades están colocadas en un recipiente presurizado para su uso. Cada plato en el recipiente se encuentra a baja presión, asíque el permeado pasa a través de la membrana y es colectado en el medio poroso.

Módulo Tubular: Cada membrana es sostenida en un tubo poroso. En la práctica, la corriente alimentada circula a través de tubos en serie o paralelo. La solución permeada pasa a través de la membrana, a través del tubo y cae finalmente dentro de unreceptáculo para su futura remoción.

Módulo Tubular

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Hollow Fiber Module (HFRO):Consiste en una carcaza o coraza que alberga un gran número de fibras huecas. Las fibras de membrana están agrupadas en un haz, espaciadas ligeramente alrededor de un tubo central distribuidor de la alimentación. Un extremo de la fibra está sellado y el otro se encuentra abierto a la atmósfera. Este haz es insertado en un contenedor presurizado para su uso. Durante la operación, la alimentación presurizada es introducida a través del tubo distribuidor, el cual pasa alrededor del lado externo de las fibras hacia el perímetro de la coraza. El permeado penetra a través de la pared de la fibra hacia el lado hueco y es removido por el extremo abierto de la misma.

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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MÓDULOS DE MEMBRANAS

SPIRAL-WOUND

HOLLOW FIBER

TUBULAR

PLATE AND FRAME

• Bajo costo de manufactura.• Relativamente fácil de limpiar por

métodos hidráulicos y químicos.• Tiene un amplio rango de aplicaciones• Alta packing density.

• Costo de manufactura relativamente bajo.

• Compacto.• Alta packing density.• Modestos requerimientos de energía.

• Puede ser operado en aguas extremadamente turbias.

• Relativamente fácil de limpiar por métodos mecánicos o hidráulicos.

• Puede procesar gran cantidad de sólidos suspendidos alimentados con pretratamiento mínimo.

• Superficie de membrana moderada.• Equipo bien desarrollado.

• No puede ser usado en aguas de alimentación extremadamente túrbidas sin pasar por un pretratamiento extensivo.

• Susceptible a taponamiento por partículas.

• Extremadamente susceptible a foulingdebido al espaciamiento tan pequeño entre las fibras.

• Difícil de limpiar.• Requiere pretratamiento extensivo.• Limitado rango de aplicaciones.

• Costo capital alto.• Relativamente alto volumen requerido

por unidad de área de membrana.

• Costosa operación a gran escala.• Susceptible a taponamiento por partículas

en los puntos de estancamiento.• Potencialmente difícil de limpiar.

VENTAJAS DESVENTAJAS

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Cálculos para RO• Al modelar una unidad de RO, debemos considerar los siguientes

aspectos: * Transporte de Membrana: Describe el fenómeno que se

lleva a cabo en la superficie de la membrana (permeación de agua, etc.).

* Modelo Hidrodinámico: Describe el transporte macroscópico, el momento y la energía de las especies.

El modelo de 2 dimensiones (Two-D model), explicado por el Dr. El-Halwagi es usado para el cálculo de RO en esta sección. El método captura los flujos radial y axial en el modelo HFRO.

• El objetivo de los cálculos en RO es conocer lo siguiente: a) Flujo de soluto, Nsolute

b) Velocidad de flujo del permeado, y c) Flujo de agua, Nwater

d) Concentración de permeado

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2Rf

L

2RS

LS

Anillo aislante

alimentación Permeado

Rechazado

Esquema de un módulo HFRO

• Adoptado de “Pollution Prevention Through Process Integration Systematic Design Tools,” by Dr.El-Halwagi, fig 11.3, page 266.

Tubo alimentador 2ri

2roFibra hueca

típica

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Mezcla Agua/Fenol• Como sabemos, para una mezcla líquido-líquido, RO es una buena

elección. El rango de presión de la alimentación es de 10 a 70 atm con una membrana porosa a no-porosa

• Las ecuaciones usadas para los cálculos son las siguientes:

1) Balance de materia global:

donde qF ,qR ,qP son velocidades de flujo volumétrico de la por módulo de alimentación, permeado y retenido respectivamente.

2) La velocidad de flujo volumétrico por módulo es dada por:

nQq F

F =

RPF qqq +=

Donde ‘QF’ es la velocidad de flujo volumétrico total de la alimentación y ‘n’ es el número de módulos.

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3) Balance de materia del soluto:

donde, CF, CP y CR son las concentraciones de soluto en la alimentación, el permeado y el retenido respectivamente.

4) Flujo de agua:

Donde, ΔP = Diferencia de presión,πF = OP de la alimentación,CF = Concentración de soluto en la alimentaciónCS = Concentración de soluto promedio en el lado de la shel, yA = Permeabilidad del solvente

γπ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−Δ= S

F

Fwater C

CPAN

RRPPFF C q Cq Cq +=

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4a) Y ‘γ ‘ está dada por:

45100133.1161

i

So

rxLLrA ημ

ηγ+

=

θθη tanh

=ii

o

rL

rxrA 2

1

25100133.116

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

μθ

PRF PPPP −

+=Δ

2

2RF

SCCC +

=

Donde,

4b) Del mismo modo, la diferencia de presión a través de la membrana es:

donde PF ,PR ,PP son la presión de la alimentación, el retenido y el permeado.

y

o

4c) La concentración de soluto en la coraza es calculada como sigue:

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5) Flujo de solutoNsolute = parámetro de transporte de soluto * CS

6) Velocidad de flujo del permeado:

donde, Sm es el área superficial del hollow fiber por módulo.

7) Concentración de Permeado:

SM

solute CKDN ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

δ2

watermP NSq =

water

soluteP N

NC =

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• Al combinar estas ecuaciones con la ecuación 4), obtenemos lo siguiente:

RPFFF CqqCq )( −≈

• Si consideramos que la mayoría del soluto está contenido en el retenido, la ecuación 3) puede ser simplificada como sigue:

Así,

Esta última ecuación es una ecuación cuadrática que puede resolverse para CR. Una vez hecho esto podemos calcular las ecuaciones 4) a 7) para obtener la concentración final del permeado. Si esta concentración no satisface la concentración objetivo, nuevos valores para parámetros como n, PF o diferentes configuraciones para el sistema deben ser propuestas.

RF

RFmFFF C

CCPASqCq

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−Δ−= γπ 1

2

022

2 =−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −Δ−+ FFR

FmFR

F

Fm CqCPASqC

CAS γπγπ

Valida para membranas con alto nivel de retención,

cuandoFFPP CqCq <<

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ANÁLISIS DE COSTOSTAC = Costo total Anualizado (Annualized fixed cost) de los módulos +

Costo fijo anualizado de la bomba

Costo fijo anualizado de las bombas ($/año)=

0.0157[flujo por la bomba (kg/s)* diferencia de presión a través de la bomba (N/m2)]0.79

Costo fijo anualizado de los módulos de RO (incluyendo el costo anualizado de instalación, el reemplazo de membranas, mano de obra y mantenimiento)=

Costo de energía eléctrica= 0.06 $/kW hr

La eficiencia mecánica de bombas y turbinas fue considerada como de 65%

añomódulo ⋅$440,1

añomódulo ⋅$140,1

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RESULTADOS DE LOS CÁLCULOS DE HFRO

QF=29.2kg/sCF=47.9 ppm

n max= 63 R

P

R

P

R

P

QP=4.03kg/sCP=35.99 ppm

QF=25.17kg/sCR=55.62 ppmAlimentación



n max= 63


n max= 63

Al efectuar los cálculos de HRFO podemos obtener muchas soluciones diferentes para este problemadependiendo de la configuración de los módulos y el análisis de costos. El siguiente diagrama muestra una solución, donde la composición objetivo no es alcanzada.

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R

P


n max= 63QF=25.17kg/sCR=55.62 ppm

R

P

R

P

R

QF=12.08kg/sCR=35.99 ppm

QF=1.7kg/sCR=27.05 ppm

QR=10.38kg/sCR=41.88 ppm

AlimentaciónQF=87.59kg/sCF=47.95ppm P

QP=4.03kg/sCP=35.99 ppm

El siguiente diagrama muestra otra solución a nuestro problema, en esta solución la composición objetivo es más baja pero como en el caso anterior, no se alcanza la composición objetivo.

Se probaron muchas configuraciones y con ninguna de ellas se obtuvieron resultados satisfactorios puesto que la composición del permeado no era la deseada.

RESULTADOS DE LOS CÁLCULOS DE HFRO

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OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES PARA LOS

CÁLCULOS DE RO

La corriente de permeado debe cumplir dos requerimientos:

1) La velocidad de flujo del permeado no debe ser menor que un valor dado:

2) La concentración de los componentes indeseables en el permeado no debe exceder un cierto límite generalmente establecido por las regulaciones ambientales.

minPP QQ ≥

maxPP CC ≤

La velocidad de flujo por módulo se encuentra limitada típicamente por restricciones de los fabricantes:

maxminFFF qqq ≤≤

Las ecuaciones anteriores asumen que la operación de las membranas es independiente del tiempo, esto significa que los efectos de la reducción en la permeabilidad no son considerados.

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PP es típicamente atmosférmica.

Es recomendable mantener una presión de alimentación de baja a moderada para evitar incremento en los costos.

También con la finalidad de reducir el TAC, el número de módulos debe ser mínimo y para que esto suceda, el flujo por módulo debe ser máximo.

En algunos casos es útil recuperar energía del retenido (solo cuando el valor de la energía recuperada es mayor que el costo de recuperarla), para hacerlo es necesario alimentar esta corriente a una turbina. En aquellos casos el costo fijo anualizado de las turbinas debe agregarse al TAC:

Costo fijo anualizado de las turbinas ($/yr)=

0.4182[velocidad de flujo a través de la turbina (kg/s)* diferencia de presión a través de la turbina (N/m2)] 0.47

Feed Reject

Permeate

QFCFPF

QRCRPR

QPCRPP

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El contenido de Amoniaco y fenol es alto y los cianidos, que son aniones de amoniaco, provocan que algunos de los tratamientos biológicos que involucran nitrificación/denitrificación sean poco económicos

2.

2 R. Marr and M. Koucar, Recovery of ammonia from industrial wastewater. Int. Chem. Eng. 33 3 (1993), p. 416

STEAM STRIPPING (STRIPPING CON VAPOR)

¿Por qué Steam Stripping?

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Steam Stripping• Una corriente de agua de desecho es puesta en contacto

con vapor en una torre empacada o de platos. Los efectos combinados del vapor y el calor causan que los contaminantes (fenoles y amoniaco) se transfieran del líquido a la fase vapor. Los contaminantes son removidos con el vapor. El contacto continua hacia abajo de la torre, empobreciendo el agua de desecho en el material orgánico mientras que la fase vapor se vuelve más rica en contaminantes al viajar hacia la parte superior de la torre.

El agua de desecho es alimentada en la parte superior de la torre. El vapor inyectado en el fondo de la torre provee el calor requerido y el flujo de vapor. Como fondos se obtiene agua limpia mientras que las cabezas dejan la parte superior totalmente cargadas de material orgánico. Esta combinación vapor/orgánicos es condensada y procesada después. La principal característica del steam stripping es que una corriente contaminada y el vapor son inyectados en una torre lo que resulta en agua limpia como producto final.

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Aspen RADFRAC• El proceso de steam stripping

culmina para dar una corriente de agua limpia con trazas de amoniaco y fenol (corriente 2). La corriente 4 contiene altos niveles de fenol y amoniaco junto con cerca de 25% de la cantidad de agua total en la corriente 1. En la corriente 3 no se obtienen productos puesto que este condensador tiene una fracción de destilación de cero.

• La característica RADFRAC de Aspen usada para la simulación del proceso de separación es mostrada en la figura de la derecha.

B1

1

2

3

4

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Steam Stripping con Aspen

Especificaciones de operación para steam stripping usando Aspen

RADFRAC

0.25Razón destilado-alimentación (moles)

14.7 psiaPresión

200 °FTemperatura

V-LFases válidas

KettleReboiler

Parcial-V-LCondensador

30Número de etapas

• La simulación en Aspen fue usada para el proceso de steam stripping. La configuración para el montaje esta dada en la tabla 1.1.

• La temperatura usada es de 200oF, cercana al punto de ebullición del agua y la presión es de 14.7 psia, casi la presión atmosférica.

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RESULTADOS

0.117 ppm

0.0001911.17E-074.79E-05FENOL

0.9994730.999999880.99986815AGUA

0.0003361.26E-358.39E-05AMONIACO

Fracción másica

33.2722100.0611199333.3333333FENOL

173736.40521413.554695150AGUA

58.3333306.59E-3558.3333333AMONIACO

Flujo másico lb/hr

-1159.33-3468.6932-4656.0827Entalpía MMBtu/hr

3058.36509285.3488812041.2574Flujo volumétrico cuft/hr

173828.10521413.615695241.667Flujo másico lb/hr

9647.617028942.85138590.468Flujo molar lbmol/hr

000Fracción de vapor

1926.2514.7Presión psi

224.3543242.852757200Temperatura F

4321

CORRIENTE

Resultados de la simulación del steam stripping para agua-fenol-amoniaco

• Usando el setup mostrado en la figura 1.1 y corriendo la simulación en Aspen se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla a la derecha.

• Corriente 1: Alimentación total = 695241.67 lb/hr

• Corriente 2: Agua = 521413.62 lb/hr (Trazas de ammonia y fenol).

• Corriente 3: Condensador a cero, no condensación.

• Corriente 4: Agua = 173828.1 lb/hr

• La corriente 2 contiene principalmente agua y una concentración de fenol de 0.117 ppm, cumpliendo con los límites establecidos por el CFR, mientras que la separación agua-fenol-ammonia en la corriente 4 puede llevarse a cabo posteriormente usando otros procesos de separación.

A&MA&MA&MUniversity

Texas

Conclusiones• La técnica de separación más adecuada de acuerdo al grado de

separación alcanzado y al análisis de costos fue steam stripping. El fenol es un compuesto pobremente retenido por las membranas usadas en ósmosis inversa así que el costo de aplicar esta técnica no es justificado.

• No obstante lo anterior, las técnicas de separación por membranas son una buena opción ya que permiten alcanzar altos niveles de pureza, lo cual puede ser más barato a largo plazo.

• Algunas técnicas de membranas pueden combinarse con métodos convencionales para el tratamiento de efluentes contaminados (procesos híbridos).

• Métodos convencionales de tratamiento como destilación y adsorción y técnicas de membranas no estudiadas en este apartado como son pervaporación o membrane–based solvent extraction pueden ser usados para la remoción de fenol y ammonia. Kujawski y colaboradores estudiaron varias ténicas de separación con este propóstito (Removal of phenol from wastwater by different separation techniques).

M1 Part3 Spa - polymtl.ca · PREGUNTAS: ¿Es el nivel de separación logrado con cada uno de estos...

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