diseño de planta de tratamiento de agua de osmosis inversa para la

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
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
3
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.
4
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 INTERNACIONAL
20
3.2 PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA A NIVEL NACIONAL
21
3.3 PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA DIFERENTES DEL PROCESO
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-permeables
28
4.6.4 Características de la osmosis inversa
29
4.6.5 Aplicaciones Osmosis inversa
29
5
4.7 PROCESO DE PRE-TRATAMIENTO QUE ANTECEDE EL PROCESO 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 COLOMBIA
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
6
10.3 NECESIDADES CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES.
43
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 suavizador
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
7
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 inversa
79
14.10 PROTOTIPO 3D PLANTA PRE-TRATAMIENTO DE AGUA
79
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
8
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
PRECIOS
DEL PROCESO
Y
SUS RESPECTIVOS
96
17. RESULTADOS OBTENIDOS
97
18. CONCLUSIONES
101
BIBLIOGRAFIA
103
ANEXOS
105
9
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Lista de las necesidades del cliente con su importancia
38
Cuadro 2. Lista de necesidad, requerimiento y métricas
39
Cuadro 3. Principales alternativas de diseño
53
Cuadro 4. Método estructurado de matriz de selección
54
Cuadro 5. Selección detallada de conceptos
57
Cuadro 6. Arquitectura del producto
58
Cuadro 7. Funcionalidad y relación de elementos físicos
61
Cuadro 8. Especificaciones para el desarrollo del diseño
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 activado
69
Cuadro 14. Principales medidas del tanque de suavizador
70
Cuadro 15. Datos obtenidos del suavizador
72
Cuadro 16. Principales medidas del tanque de salmuera
73
Cuadro 17. Conversión de GPM a LPD para Pre tratamiento
75
Cuadro 18. Conversión de GPM a LPD general de la planta
75
Cuadro 19. Datos obtenidos del análisis las tuberías
76
Cuadro 20. Concepto seleccionado
97
Cuadro 21. Partes involucradas en la planta
98
10
Cuadro 22. Especificaciones de diseño
99
Cuadro 23. Medidas obtenidas
99
11
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 requerimientos
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 necesidades
46
Figura 14. Porcentaje que diferentes empresas le dan 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 conceptos
56
Figura 19. Arquitectura electrónica
59
Figura 20. Arquitectura Mecánica
60
Figura 21. Proceso químico de pre-tratamiento de agua
61
12
Figura 22. Interacción entre módulos de elementos físicos
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
70
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 osmosis inversa
79
Figura 36. Prototipo 3D planta del proceso de pre-tratamiento
80
Figura 37. Esquemático proceso Osmosis inversa
81
Figura 38. Primer prototipo 3D proceso osmosis inversa
81
Figura 39. Segundo prototipo 3D proceso osmosis inversa
82
Figura 40. Prototipo 3D Membrana semipermeable
82
Figura 41. Prototipo 3D carcaza de las membranas semipermeables
83
Figura 42. Prototipo 3D Planta de osmosis inversa
84
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
13
Figura 46.Prototipo a escala vista isométrica
87
Figura 47. Diagrama de flujo del funcionamiento automático
89
Figura 48. Diagrama de flujo del funcionamiento manual
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 tiempos
93
14
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Manual de usuario
105
Anexo B. Características físicas del agua potable
117
Anexo C. Concentración de elementos permitidos en el 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 equipo Osmosis inversa 122
Anexo G. Partes implicadas en el proceso con sus respectivos 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
15
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.
16
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.
17
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?
18
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.
19
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 INTERNACIONAL
- 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.
20
- 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 PROCESO 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.
21
- 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.
22
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
23
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:
24
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.
25
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-delas-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:
26
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.
27
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-permeables. 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”.
28
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 PROCESO DE
OSMOSIS INVERSA
Figura 6. Pre-tratamiento de osmosis inversa
29
Dónde:
o
o
o
o
o
(1). Tanque de almacenamiento de Agua.
(2). Filtro de arena.
(3). Filtro de carbón activado.
(4). Salmuera.
(5). Suavizador.
4.8 FILTROS DE PRE – TRATAMIENTO DE OSMOSIS INVERSA
Generalmente el proceso de osmosis inversa va acompañado de un pretratamiento 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
30
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
31
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
económicamente.
para municipalidades,
cuando
esta
se justifique
4.9 NORMAS OFICIALES PARA LA CALIDAD DE AGUA EN COLOMBIA
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.
32
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).
33
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.
34
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.
35
7. PLANTEAMIENTO DE LA MISION
7.1 DESCRIPCION DEL PRODUCTO
Sistema automatizado de planta de osmosis inversa, incluyendo las etapas de pretratamiento 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.
36
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.
37
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
#
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Necesidades
“Que el proceso se realice solo, sin intervención diaria de operarios”
“Que haya un medio gráfico en el cual pueda observar y entender el
proceso”
“Que pueda controlar el proceso en cualquier momento, a través de
un medio grafico”
“que exista instrumentación necesaria para visualizar el caudal y los
sólidos disueltos del agua tratada”.
“que exista instrumentación para el control del nivel de los tanque,
para que no se desperdicie agua en el proceso”
“Que el material de los tanques sea adecuado y resistente para el
proceso”
“Que el material de las tuberías de agua sea adecuado y resistente
para el proceso”
“Que sea fácil de usar”
“Que sea fácil de mantener”
“Que se pueda usar de modo manual o automático”
“Que el proceso cumpla con las normas de seguridad industrial”
“Correcta instrumentación de tuberías, electroválvulas y
motobombas para el buen funcionamiento del proceso”
“Un buen sistema de desagüe para la salida del agua sucia”.
“Que exista un manual de instrucciones del funcionamiento de la
plantas y del proceso de osmosis inversa ”
“Que sea amigable con el medio ambiente”
“Diseño atractivo y estético”
“Que me genere un flujo del agua tratada de 13 GPM”
“Que trabaje con la red eléctrica de la ciudad”
imp.
5
4
5
4
4
4
3
3
2
4
3
3
2
2
3
1
5
3
La importancia dada a cada necesidad es del 1 al 5, siendo el 5 el valor máximo
de importancia y 1 el mínimo.
38
9. METRICAS Y SUS UNIDADES
Cuadro 2. Lista de necesidad, requerimiento y métricas
Necesidades
“Que el proceso se realice
solo, sin intervención diaria
de operarios”
Requerimientos
Proceso totalmente
automatizado.
“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.
“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.
“que exista instrumentación
necesaria para visualizar el
caudal y los sólidos
disueltos del agua tratada”.
“que exista instrumentación
para el control del nivel de
los tanque, para que no se
desperdicie agua en el
proceso”
Instrumentación - caudal
y solidos disueltos
(TDS).
Métrica
% del
proceso
automátic
o
Numero
de data
panel a
implement
ar
Numero
de data
panel a
implement
ar
Numero
de
sensores
Instrumentación
sensores de Nivel.
Numero
de
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
“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
Interfaz amigable con el
usuario
Arquitectura modular
Que sea
estético
Numero
partes
Sistema que permita el
uso de modo manual o
automático
Modos de
uso
“Que sea fácil de usar”
“Que sea fácil de mantener”
“Que se pueda usar de
modo manual o automático”
39
imp.
Unidad
0
100
%
1
5
Data
panel
1
5
Data
panel
#
sensores
#
Sensores
lista
mate
riales
(tanq
ues)
lista
mate
riales
(tube
ría)
Tipo de
Material
Tipo de
Material
Subj.
E-B-R-M
#
partes
2
Modos
de uso
Cuadro 2 (Continuación)
“Que el proceso cumpla con
las normas de seguridad
industrial”
“Correcta instrumentación
de tuberías, electroválvulas
y motobombas para el buen
funcionamiento del
proceso”
Un buen sistema de
desagüe para la salida del
agua sucia”.
“Que exista un manual de
instrucciones del
funcionamiento de la
plantas y del proceso de
osmosis inversa ”
“Que sea amigable con el
medio ambiente”
“Diseño atractivo y estético”
“Que me genere un flujo del
agua tratada de 13 GPM”
“Que trabaje con la red
eléctrica de la ciudad”
Cumplimiento de normas
de seguridad industrial
Instrumentación
adecuada, según las
especificaciones el
proceso.
Diseño de ubicación de
las tuberías óptimo para
el desagüe.
Manual de
funcionamiento de la
planta.
Cumplimiento de las
normas ambientales en
Colombia
Fachada llamativa y
estética
Flujo de permeado de 13
GPM
Funcionamiento con red
electica publica
40
Lista
norm
as
normas
#
Instrume
ntos
(tuberías,
válvulas y
bombas)
#
Partes
tuberías
1
manuales
Numero
normas
Lista
norm
as.
normas
Que sea
estético
Subj.
E-B-R-M
Flujo
13
GPM
Voltaje
110
Voltios
Normas
seguridad
Numero
de
instrument
os en el
proceso
N de
partes
tubería
N de
manuales
10. Q.F.D
10.1
NECESIDADES VS. REQUERIMIENTOS.
Figura 7. Necesidades Vs. Requerimientos
41
10.2
RELACION DE LOS REQUERIMIENTOS.
Figura 8. Relaciones de los diferentes requerimientos
42
10.3
NECESIDADES CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES.
Figura 9. Benchmarking de las necesidades
1.2
6.0
10.9
3.0
1.2
4.8
8.7
/////////////////////
///////////////////
NECESIDAD 3
NECESIDAD 4
NECESIDAD 5
NECESIDAD 6
NECESIDAD 7
NECESIDAD 8
NECESIDAD 9
NECESIDAD 10
2.0
2.0
3.0
3.0
2.0
2.0
1.0
3.0
1.0
1.0
3.0
2.0
2.0
2.0
1.0
3.0
3.0
1.0
3.0
3.0
2.0
1.0
1.0
3.0
2.0
1.0
3.0
2.0
2.0
1.0
1.0
3.0
2.0
1.0
3.0
2.0
2.0
1.0
1.0
3.0
3.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
3.0
3.0
1.2
1.0
0.8
0.8
1.0
1.0
1.4
1.0
6.0
4.0
3.2
2.4
3.0
2.0
4.2
4.0
10.9
7.3
5.8
4.4
5.5
3.6
7.6
7.3
/////////////////////
////////////////
///////////////
////////////
//////////////
//////
///////////////
///////////////
NECESIDAD 11
NECESIDAD 12
NECESIDAD 13
NECESIDAD 14
NECESIDAD 15
NECESIDAD 16
NECESIDAD 17
NECESIDAD 18
3.0
1.0
2.0
2.0
2.0
2.0
3.0
3.0
3.0
1.0
1.0
2.0
2.0
2.0
3.0
3.0
3.0
2.0
2.0
2.0
2.0
3.0
3.0
3.0
3.0
1.0
2.0
3.0
2.0
2.0
3.0
3.0
3.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
3.0
3.0
3.0
3.0
2.0
2.0
2.0
3.0
3.0
3.0
1.0
1.4
1.0
1.0
1.0
1.2
0.8
0.8
3.0
4.2
2.0
2.0
3.0
1.2
3.0
3.0
5.5
7.6
3.6
3.6
5.5
2.2
3.6
3.6
////////////
///////////////
//////
//////
///////////
////
///////
///////
AMPAC
43
PORCENTAJE
DE
IMPORTANCIA
(Max 10.9
–
min 2.2 )
PORCENTAJE
3.0
1.0
FACTOR DE
MEJORA
3.0
1.0
PRODUCTO
FUTURO
3.0
2.0
LENNTECH
3.0
1.0
UNITEK
3.0
2.0
IHM
2.0
NECESIDAD 2
ACTUAL
PRODUCTO
IMPORTANCIA
GENERAL
ANALISIS DE
COMPETENCIA
NECESIDAD 1
REQUERIMIENTOS CON RESPECTO A LOS COMPETIDORES.
10.4
Figura 10. Benchmarking de los requerimientos
REQUERIMIENTO 3
REQUERIMIENTO 4
REQUERIMIENTO 5
REQUERIMIENTO 6
REQUERIMIENTO 7
REQUERIMIENTO 8
REQUERIMIENTO 9
REQUERIMIENTO 10
REQUERIMIENTO 11
REQUERIMIENTO 12
REQUERIMIENTO 13
REQUERIMIENTO 14
REQUERIMIENTO 15
REQUERIMIENTO 16
REQUERIMIENTO 17
REQUERIMIENTO 18
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
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
///////////////////
/////////
//////////////////////
/////////////////
/////
//////
///////////
/////////
///////////////////
///////////
/////////////////
//////////
//////
///////
///////////////
///////////
/////////
/////////
2
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
1
1
1
1
3
3
3
3
3
3
2
3
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
3
2
1
1
1
1
1
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
1
1
2
2
2
2
1
2
2
2
2
1
2
3
2
2
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
3
2
2
3
2
3
2
REQUERIMIENTO 2
8.5
2
3
3
3
3
292.7
ACTUAL PRODUCTO
IMH
AMPAC
UNITEK
LENNTECH
REQUERIMIENTO 1
PORCENTAJE DE IMPORTANCIA
(MAX 11.6
MIN 3.2)
IMPORTANCIA DEL ‘COMO’
PORCENTAJE IMPORTANCIA DEL
‘COMO’
44
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
45
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 necesidades
46
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.
47
Figura 14. Porcentaje que las diferentes empresas le 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.
48
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
49
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
50
•
•
•
Energía eólica
Energía hidráulica
Calentamiento de vapor
-
•
•
•
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
•
•
•
•
Convertir energía a señales de control
Sensor nivel
Sensores de flotador
Sensores resistivos de pulsador
Señores ultrasonido
Sensores por electrodos
51
•
•
Fluxómetros de pistón
Fluxómetro de paleta
Fluxómetro de elevación
-
•
Sensor TDS
TDS Digital
•
•
•
Sensor flujo rechazado y aceptado
Mostrar Variables al usuario
Data Panel
PC
LCD
52
12.3.1 Alternativas de diseño
Cuadro 3. Principales alternativas de diseño
Co
nc.
Control
proceso
Valvulas
impulsion de
agua
Almacenam/ de
agua
sensar nivel
sensar flujo
sensar TDS
Interfaz
frafica
PLC
motorizadas
motobomba
electrica
Tanques cilindricos
electrodos
flujometro de
elevacion
TDS Digital
data - panel
MicroProcesador
solenoide
motobomba
electrica
tanques cuadrados
flotador
flujometro de
piston
TDS Digital
LCD
PC -Industrial
valvula de
bola
bomba manual
taques cuadrados
ultra - sonido
flujometro de
paleta
TDS Digital
PC
PLC
motorizadas
TDS Digital
data - panel
MicroProcesador
solenoide
TDS Digital
LCD
PC -Industrial
motorizadas
TDS Digital
PC
TDS Digital
data - panel
TDS Digital
LCD
TDS Digital
PC
TDS Digital
data - panel
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
motobomba
electrica
motobomba
electrica
motobomba
electrica
tanque cilindricos
resistivo
Tanques cilindricos
resistivo
tanque cuadrados
flotador
bomba manual
Tanques cilindricos
flotador
bomba manual
tanques cuadrados
ultra - sonido
MicroProcesador
valvula de
bola
valvula de
bola
PC -Industrial
soleniode
bomba manual
Tanques cilindricos
resistivo
PLC
valvula de
apriete
motobomba
electrica
tanques cuadrados
ultra - sonido
PLC
53
flujometro de
paleta
flujometro de
elevacion
flujometro de
piston
flujometro de
piston
flujometro de
paleta
flujometro de
elevacion
flujometro de
paleta
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 selección
VARIANTES DE CONCEPTOS
A B C D E F G H
“Que el proceso se realice solo, sin 0
intervención diaria de operarios”
“Que haya un medio gráfico en el cual
pueda observar y entender el proceso +
normal”
“Que pueda controlar el proceso en
cualquier momento, a través de un +
medio grafico”
54
I
J REF.
0
0
0
0 0
0
0
0 0
0
-
0
+
-
-
0
0
-
0
-
+
+ +
-
-
-
+
0
0
0
Cuadro 4 (continuación)
“que exista instrumentación necesaria
para controlar caudal y presión del +
agua tratada”
“Que el material de los tanques sea
adecuado y resistente para el 0
proceso”
“Que el material de las tuberías de
agua sea adecuado y resistente para 0
el proceso”
+
“Que sea fácil de usar”
“Que sea fácil de mantener”
“Que pueda observar por algún medio
gráfico las presiones y caudales que
interviene en el proceso de osmosis
inversa”
“Que se pueda usar de modo manual
o automático”
“Que el proceso cumpla con las
normas de seguridad industrial”
“Que tenga instrumentación, para el
control de nivel en los tanques de
agua de entrada (sin tratamiento) y de
agua de salida (agua tratada)”
“Que tenga un buen sistema de
desagüe para la salida de agua del
lavado de los tanques ”
“Que
exista
un
manual
de
instrucciones del funcionamiento de la
plantas y del proceso de osmosis
inversa ”
“Que sea amigable con el medio
ambiente”
“Que tenga un diseño atractivo y
estético”
POSITIVOS
+
+
+
+ +
+
+ + +
-
-
0
0
-
0
-
0
0
0
0
0 0
0
0
0 0
+
0
+
+ 0
+
0
0
-
0
-
-
-
+
-
-
0
+ 0
-
0
+
+
+
+
+ +
+
+ + +
-
0
0
0
0
+
+
+
0
0 +
-
-
-
+
0
0
-
-
0
0
-
0
-
0
-
0
+
+
+
+
+ +
+
+ + +
0
0
0
0
0
0 0
0
0
0 0
+
+
+
+
+ +
+
+ + +
0
0
0
0
0
0
0 0
0
0
0 0
0
+
0
0
-
+ +
0
-
+
0
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
55
-
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 conceptos
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.
56
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
Eficiencia
Costos
Control
mantenimiento
dimensionado
total
Concepto A
3
2
3
3
2
13
Concepto E
2
3
3
1
3
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 microcontroladores, 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.
57
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
DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE
OSMOSIS INVERSA PARA EMPRESA DOBER OSMOSTECH
DE COLOMBIA LTDA.
ARQUITECTURA DEL PRODUCTO
ALIMENTACION
ELECTRICA
CONTROL Y
VISUALIZACION DE
VARIABLES
ALMACENAMIENTO Y
PRODUCCION
RED ELECTRICA
110Vac - (60Hz)
PLC
DATA PANEL
SENSORES
TANQUES
NIVEL
TDS
CAUDAL
ARENA
CARBON
SUAVIZADOR
SALMUERA
AGUA TRATADA
AGUA SIN TRATAR
TUBERIAS
COLECTORES
SISTEMA DE
FITLTROS
LECHOS
SISTEMA DE
OSMOSIS INVERSA
ARENA
CARBON ACTIVADO
RESINA
TANQUES
MEMBRANA SEMIPERMEABLE
MOTOBOMBAS
ELECTRO-VALVULAS
VALVULAS E INTERRUPTORES
SERVOACTUADOR
OTROS
58
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
59
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 físicoquímico, 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
60
tratamiento de agua de osmosis inversa, nace de la comprensión total de dicho
proceso.
Figura 21. Proceso químico de pre-tratamiento de agua
13.5
FUNCIONALIDAD DE CADA ELEMENTO FISICO
Cuadro 7. Funcionalidad y relación de elementos físicos
ELEMENTO FISICO
Red eléctrica 110 Vac , 60Hz.
PLC
Data panel
Electro - Válvulas
Motobombas
Sensores
Tanques de almacenamiento
y tratamiento
Tuberías
ELEMENTO FUNCIONAL
Provee la energía eléctrica del sistema
Elemento encargado de procesar y controlar el ciclo de
tratamiento de la planta
Medio físico que permite la visualización e interacción con
las variables de la planta
Permiten el paso controlado del agua a tratar a través de
unos estímulos eléctricos en determinado tiempo
Generan presión en el proceso para el constante fluido del
agua
Suministran información externa del proceso
Almacenan, procesan y protegen el agua, para el correcto
funcionamiento del tratamiento
Medio físico encargado de transportar el agua de una
etapa de tratamiento a la otra o hacia el exterior
61
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 físicos
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.
62
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 CADCAE 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.
63
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 diseño
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
ESPECIFICACION
VALOR
UNIDAD
CAUDAL PRETRATAMIENTO (Q)
DUREZA AGUA CRUDA
RATA VELOCIDAD FILTRO DE ARENA
RATA VELOCIDAD FILTRO DE
CARBON
VELOCIDAD DE FLUIDO EN LA
TUBERIA PVC
VELOCIDAD DE FLUIDO TUBERIA
ACERO
ALTURA CONSTANTE DE LECHOS
TIEMPO DE REGENERACION RESINA
MATERIAL TUBERIAS
20 GPM
60 PPM
3 - 5 GPM/FT^2
Galones por minuto
Partes por millón
Galones por minuto/pie cuadrado
8 GPM/FT^2
Galones por minuto/pie cuadrado
3,28 Ft/Seg
Pies/segundo
FUENTE DEL AGUA
7 Ft/Seg - 10
Ft/Seg.
3 Ft
7
PVC
Pies/segundo
Pies
Días
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.
64
Cuadro 9. Materiales más usados para los tanques de la planta
MATERIAL
PVC
ACERO AL CARBON
ACERO INOXIDABLE
FIBRA DE VIDRIO
COSTOS
bajo
Medio
Alto
medio
RENDIMIENTO
Bajas presiones
Altas presiones
Altas presiones
Medias presiones
DIMENSIONADO
Dimensionadle
Dimensionadle
Dimensionadle
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).
65
• 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 suavizador. 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)
66
14.2
DISEÑO TANQUE DE ARENA.
Cuadro 10. Principales medidas del tanque de arena
Características principales
Flujo (pedido del cliente)
Velocidad (x la empresa)
Altura del lecho (según flujo)
Área del tanque
Diámetro del tanque
Volumen del lecho
Altura del tanque
Medida
20 gpm (80 Lpm)
5 gpm/ft2
1,7 ft (20”)
Calcular
Calcular
Calcular
Calcular
Simbología
Q
Vf
h
A
D
Vl
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:
67
14.2.1 Datos obtenidos.
Cuadro 11. Datos obtenidos del filtro de arena
Variable
Área del tanque
Diámetro
Volumen del lecho
Altura del tanque
Cantidad
14.2.2 Prototipo 3D.
Figura 25. Prototipo 3D filtro de arena
68
14.3
DISEÑO TANQUE DE CARBON ACTIVADO
Cuadro 12. Principales medidas del tanque de carbón activado
Características Principales
Flujo (pedido del cliente)
Velocidad (Empresa)
Altura del lecho (según flujo)
Área del tanque
Diámetro del tanque
Volumen del lecho
Altura del tanque
Medidas
20 gpm (80 Lpm)
8 gpm/ft2
3 ft (36”)
Calcular
Calcular
Calcular
Calcular
Simbología
Q
Vf
h
A
D
Vl
H
• Área:
• Diámetro:
• Volumen del lecho:
• Altura del tanque:
14.3.1 Datos obtenidos.
Cuadro 13. Datos obtenidos del filtro de carbón activado
Variable
Área del tanque
Diámetro
Volumen del lecho
Altura del tanque
Cantidad
69
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
Flujo (pedido del cliente)
Dureza
Velocidad (constante)
Altura del lecho (según flujo)
Área del tanque
Diámetro del tanque
Volumen del lecho
Altura del tanque
Medidas
20 gpm (80 Lpm)
60 ppm
9 gpm/ft2
3 ft (36”)
Calcular
Calcular
Calcular
Calcular
Simbología
Q
D
Vf
h
A
D
Vl
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).
70
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.
71
Altura del tanque:
14.4.1 Datos obtenidos.
Cuadro 15. Datos obtenidos del suavizador
Variable
Área del tanque
Diámetro
Volumen de resina
Altura del tanque
Cantidad
14.4.2 Prototipo 3D.
Figura 27. Prototipo 3D suavizador
72
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 salmuera
Características Principales
Volumen de salmuera
Radio superior
Radio inferior
altura
Medidas
500 Lts. (30512 pulg3)
22”
18”
24,2”
73
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.
74
14.6.1 Datos obtenidos
Cuadro 17. Conversión de GPM a LPD para Pre tratamiento
Producción galones
por minuto
20 gpm
Producción litros
por minuto
80 Lpm
Producción litro
por hora
4800 Lph
Producción litro
por día
115200 Lpd
Cuadro 18. Conversión de GPM a LPD general de la planta
Producción galones
por minuto
8 gpm
Producción litros
por minuto
32 Lpm
Producción litro
por hora
1920 Lph
Producción litro
por día
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
75
=
169.8ft/min
Por lo tanto:
”
14.7.1 Datos obtenidos.
Cuadro 19. Datos obtenidos del análisis las tuberías
Variable
Área tubería
Diámetro tubería
Cantidad
Velocidad tubo PVC
3,28 ft/seg
”
14.7.2 Prototipo 3D
Figura 30. Prototipo 3D Tuberías
76
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.
77
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 pretratamiento, es la encargada de impulsar el agua a través de todo el sistema de
pre-tratamiento de agua superando cualquier obstáculo físico.
78
Figura 34. Prototipo 3D Motobomba del proceso
14.9.2.2 Prototipo 3D bomba de alta para osmosis inversa. 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 osmosis inversa
14.10 PROTOTIPO 3D PLANTA PRE-TRATAMIENTO DE AGUA
Generalmente el proceso de osmosis inversa va acompañado de un pretratamiento 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
79
(1) Tanque almacenamiento de la salmuera para regeneración del suavizador.
(1) Tanque del Suavizador.
Figura 36. Prototipo 3D planta del proceso de pre-tratamiento
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
80
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
o
o
o
o
o
(1) Fuente de agua de alimentación (20 GPM)
(2) Bomba de alta (presión generada supera presión osmótica)
(3) Membranas semipermeables
(4) Fuljo de Permeado (agua ultra pura)
(5) Flujo de Rechazo (agua saturada)
(6) Retroalimentación para mayor permeado.
Figura 38. Primer prototipo 3D proceso osmosis inversa
81
Figura 39. Segundo prototipo 3D proceso osmosis inversa
14.11.1
Membranas semipermeables.
Figura 40. Prototipo 3D Membrana semipermeable
82
14.11.2
Carcaza.
Figura 41. Prototipo 3D carcaza de las membranas semipermeables
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.
83
Figura 42. Prototipo 3D Planta de osmosis inversa
84
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
85
Figura 44.Prototipo a escala en funcionamiento
Figura 45.Prototipo a escala como piloto de prueba
86
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.
87
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.
88
15.1
OPERACIÓN AUTOMATICA
Figura 47. Diagrama de flujo del funcionamiento automático
OPERACIÓN NORMAL
Domingo?
¿Martes?
¿Jueves?
¿Sábado?
10:00 AM?
10:00 AM?
10:00 AM?
10:00 AM?
RETROLAVADO
SUAVIZADOR
RETROLAVADO
FILTRO ARENA
SUCCION
SALMUERA
LAVADO
LENTO
VARIACION MANUAL
DE TIEMPOS
RETROLAVADO
FILTRO CARBON
LAVADO
RAPIDO
89
15.2
OPERACIÓN MANUAL
Figura 48. Diagrama de flujo del funcionamiento manual
¿Parada
emergencia?
¿Modificar
tiempos retro
lavados?
CICLO AUTOMATICO
¿Continuar?
¿Retro-lavar
filtro arena?
RETRO LAVADO
FILTRO ARENA
¿Retro-lavar
filtro carbón?
RETRO LAVADO
FILTRO CARBON
¿Retro-lavar
suavizador?
RETRO LAVADO
SUAVIZADOR
¿Activar
Bombas?
RETROLAVADO
¿Desactivar
Bombas?
¿Regenerar?
SUCCION
LAVADO RAPIDO
LAVADO LENTO
90
15.3
FUNCIONAMIENTO SENSORES.
Figura 49. Diagrama de flujo para visualización de los sensores
SENSOR DE CAUDAL
PERMEADO
ANALOGO
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
SENSOR DE CAUDAL
RECHAZO
VISUALIZACION
DATA PANEL
PLC
ANALOGO
Minichem TDS Sensor,
Rango K=0.1 (0 100 PPM),
voltaje operación de
0 – 10 Vdc
SENSOR DE TDS (solidos
disueltos)
ANALOGO
DIGITAL
SENSOR DE NIVEL
SENSOR
TANQUE
AGUA CRUDA
SENSOR
TANQUE
AGUA PURA
BOMBA
PROCESO
BOMBA
OSMOSIS
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
91
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
92
Figura 51. Interfaz gráfica con variación de tiempos
93
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
94
-
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.
95
16.2
PARTES IMPLICADAS DEL PROCESO Y SUS RESPECTIVOS 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.
96
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 pretratamiento 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
Control del proceso
Válvulas
Impulsión de agua
Almacenamiento de agua
Sensor de nivel
Sensor de flujo
Sensor de presión
Interfaz grafica
TIPO
PLC
MOTORIZADAS
MOTOBOMBA ELECTRICA
TANQUES CILINDRICOS
ELECTRODOS
FLUJOMETRO
MANOMETRO ELECTRONICO
DATA PANEL - HMI
97
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
-
ALIMENTACION
ELECTRICA
CONTROL Y
VISUALIZACION
DE VARIABLES
ALMACENAMIENTO
Y PRODUCCION
DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE OSMOSIS INVERSA PARA
EMPRESA DOBER OSMOSTECH DE COLOMBIA LTDA.
-
RED ELECTRICA
110Vac - (60Hz)
PLC
DATA PANEL
SENSORES
TANQUES
NIVEL
TDS
CAUDAL
ARENA
CARBON
SUAVIZADOR
SALMUERA
AGUA TRATADA
PLASTICO
AGUA SIN TRATAR
PLASTICO
TUBERIAS
PVC
COLECTORES
ARENA
SISTEMA DE
FITLTROS
LECHOS
CARBON ACTIVADO
RESINA
SISTEMA DE
OSMOSIS
INVERSA
PVC
ARENA DE CUARZO
DOBER
SYBRON IMPORTADO
CATIONICA SYBRON
IMPORTADO
TANQUES
DOBER OSMOTECH
MEMBRANA SEMIPERMEABLE
DOBER OSMOTECH
MOTOBOMBAS
SERVOACTUADOR
(S)
ELECTRO-VALVULAS
OTROS
SIEMENS S7-200
PANEL TACTIL OP 270
CN5R
MiniChem TDS K1.0
FS-200 SERIE
ACERO INOX.
ACERO INOX.
ACERO INOX.
PLASTICO
VALVULAS E INTERRUPTORES
AQUOR AQM 100
MOTORIZADAS
HONEYWELL
PVC
Para el proceso de prototipado se tuvieron en cuenta ciertas especificaciones
puntuales del proyecto, las cuales son:
98
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
CARBON
Galones por minuto/pie cuadrado
FILTRO
DE
8 GPM/FT^2
VELOCIDAD DE FLUIDO EN LA
3,28 Ft/Seg
TUBERIA PVC
VELOCIDAD DE FLUIDO TUBERIA
7 Ft/Seg - 10 Ft/Seg.
ACERO
ALTURA CONSTANTE DE LECHOS
3 Ft
TIEMPO DE REGENERACION RESINA 7
Pies/segundo
Pies/segundo
Pies
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 DE ARENA
FILTRO DE CARBON ACTIVADO
FILTRO SUAVIZADOR
SALMUERA
TANQUES ALMACENAMIENTO
ALTURA
TANQUE
36”
72”
72”
24.2”
25”
TUBERIAS
-
FILTRO
DIAMETRO
27”
22”
38”
22”
41”
”
ALTURA
LECHO
20”
36”
36”
-
ACERO INOX.
ACERO INOX.
ACERO INOX.
PLASTICO
PLASTICO
-
PVC
MATERIAL
- 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,
99
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.
100
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.
101
- 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.
102
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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.
104
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.
105
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.
106
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.
107
ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO:
Producción de agua permeada:
Presión de trabajo al tercer año:
Diámetro de entrada:
Número de elementos de 4” x 40”:
Diámetro de los elementos:
Recuperación de diseño sin reciclaje:
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.
6.7 GPM.
189 PSI.
1” pulgada.
6
4” pulgadas.
55 %
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)
108
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 DESALCALINIZADOR
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
109
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)
110
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.
• Domingo – 10:00 am.
- Retro lavado filtros Arena y Carbón.
- 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.
111
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.
112
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…………………………
Tiempo de retro-lavado filtro de carbón………………………..
Tiempo de retro-lavado suavizador…………………………….
Tiempo de succión de la salmuera……………………………..
Tiempo de lavado lento…………………………………………..
Tiempo de lavado rápido…………………………………………
15 min.
15 min.
10 min.
30 min.
45 min.
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.
113
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.)
114
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.)
115
1.7 RETROLAVADO RAPIDO (días martes; 11:25 a.m.)
1.8 VUELVE CICLO NORMAL (Todos los días; 11:30 a.m.)
116
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.
Sólidos totales, expresados en mg/dm3, máx.
2
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
117
Anexo C. Concentración de elementos permitidos en el agua potable
SUSTANCIAS
EXPRESADA COMO.
Arsénico
Aluminio
Bario
Boro
Cadmio
Cianuro
Cinc
Cloruros
Cobre
Cromo Hexavalente
Dureza total
Fenoles
Hierro Total
Magnesio
Manganeso
Mercurio
Nitratos
Nitritos
Plomo
Plata
SAB
Selenio
Sulfatos
Grasas y aceites
Aldrín
Clordano
Carbaril
DDT
Diazinón
Dieldrín
Endrín
Heptacloro
Lindano
Metoxicloro
Metilparatión
Paratión
Carbamatos
Toxafeno
Clorofenoxi 2,4D
As
Al
Ba
B
Cd
CN
Zn
Cl
Cu
Cr+6
CaCO3
Fenol
Fe
Mg
Mn
Hg
NO3
NO2
Pb
Ag
SAB
Se
SO4
VALOR MAX
PERMITIDO (Mg/L)
0.05
0.2
1.0
1.0
0.005
0.1
5.0
250.0
1.0
0.05
150
0.001
0.3
36.0
0.1
0.001
45.0
0.001
0.001
0.05
0.5
0.001
250.0
No detectable
0.001
0.003
0.1
0.05
0.01
0.001
0.0005
0.03
0.005
0.1
0.007
0.035
0.1
0.005
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
118
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.
119
Anexo E. Calculo de las pérdidas de carga (Pc)
Cuadro. Perdidas de carga equivalente en metros
IMPULSION
37 curvas de 90° de 38mm de diámetro
17 codos de 90° de 38 mm de diámetro
14 válvulas de retención de 38 mm de D.
Longitud tubería impulsión
TOTAL TUBERIA RECTA EQUIVALENTE
H
1*37= 37m
1.5*17= 17m
7*14= 98 m
2.95 m
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-delas-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:
120
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 tuberías.
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-delas-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 bomba que supere dicha
altura manométrica total, con el caudal deseado para el diseño.
121
Anexo F. Características y especificaciones del equipo 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:
Presión de trabajo al tercer año:
Diámetro de entrada:
Número de elementos de 4” x 40”:
Diámetro de los elementos:
Recuperación de diseño sin reciclaje:
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.
122
6.7 GPM.
189 PSI.
1” pulgada.
6
4” pulgadas.
55 %
Anexo G. Partes implicadas en el proceso con sus respectivos precios
Cuadro. Precios de las partes implicadas en el desarrollo de la planta
DISEÑO DE MANUFACTURA
PARTES
MATERIAL
REF.
DIMENSIO
NES
SUBPARTES
N°
PLC
S7-200
1
Interfaz
hombre
maquina HMI
Panel
táctil Óp.
277
1
Cable
interfaz USBPPI
USB/PPI
1
Módulo
entrada
Análoga
EM 231
1
TUBERIAS
PRECIO
(UNIDAD/$
)
siemens S7-200- 6ES7216-2AD23-0XB0
CPU226, 24 VDC, ENTRADAS 24 VDC,
SAL 24 VDC, MEM 8KBITE 24DI/16DO,
2xPP
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
6ES7901-3DB30-0XA0 CABLE
INTERFACE USB/PPI PARA
COMUNICACIÓN Y PROGRAMACION S7200/PC
de
PVC
R21
Diámetro
nominal
1 1/2 "
CARACTERISTICAS
MODULO DE 4 ENTRADAS ANALOGAS
+/-10VDC, RESOLUCION 12BITS
PRECIO
TOTAL
($ PESOS)
EMPRESA
$1,479,300
SIEMENS
$5,784,100
SIEMENS
$411,800
SIEMENS
$527,400
SIEMENS
ADAPTA
DOR
HEMBRA
10
ADAPTA
DOR
MACHO
10
$2,236
CODOS
37
$3,664
CHEQUE
S
0
$7,276
$0
SEMICO
DOS
0
$3,978
$0
$2,565
$25,650
DIMADERA
ST. LUCIA
123
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
$22,360
$135,568
DIMADERA
ST. LUCIA
DIMADERA
ST. LUCIA
TAPONE
S
SOLDAR
TAPONE
S
ROSCAR
TEE
0
$1,975
$0
0
$1,976
$0
17
$4,380
$74,460
$31,020
$31,020
$9,625
$0
$1,358
$27,160
$6,000
$6,000
TUBO X
6
1
METROS
UNIVER
0
SALES
UNIONE
20
S
VALVUL
AS
1
SOLDAD
URA
0
$0
LIMPIAD
OR
0
$0
Diámetro
nominal:
Colectore
1 1/2 "
s filtro de 2
Diámetro
arena
del filtro:
27"
COLECTORE
PVC
S
TANQUE
FILTRO
ARENA
R21
ACERO AL
CALIBRE
CARBON
3/6
Diámetro
nominal:
1 1/2 "
Diámetro
del filtro:
22"
Diámetro
nominal:
1 1/2 "
Diámetro
del filtro:
38"
27" X 36"
Colectore
s filtro de 2
carbón
Colectore
s
suavizad
or
2
$150,000
$150,000
$300,000
Los Colectores, son instrumentos ubicados
a la entrada y salida de los tanques de pretratamiento 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.
DIMADERA
ST. LUCIA
DIMADERA
ST. LUCIA
DIMADERA
ST. LUCIA
DIMADERA
ST. LUCIA
DOBER
OSMOTEC
H
DOBER
OSMOTEC
H
$300,000
DOBER
OSMOTEC
H
$150,000
$300,000
Muy efectivos para retener sustancias
orgánicas, pues pueden filtrar a través de
todo el espesor de arena, acumulando
1
124
$1,500,000
AQUASOL
AR
ACERO
INOXIDABLE
1/8 REF 27" X 36"
304
ACERO AL
CALIBRE
CARBON
3/6
22" X 72"
1
22" X 72"
1
ACERO AL
CALIBRE
CARBON
3/6
38" X 72"
1
ACERO
INOXIDABLE
38" X 72"
1
TANQUE
FILTRO DE
CARBON
ACERO
INOXIDABLE
TANQUE
SUAVIZADO
R
TANQUE
SALMUERA
TANQUE
ALMACENA
MIENTO
LECHO
ARENA
DE
LECHO DE
CARBON
PLASTICO
PLASTICO
1/8 REF
304
1/8 REF
304
Empaque
plástico
Empaque
plástico
VOLUMEN:
500 Lts.
VOLUMEN:
500 Lts.
Lecho de
arena de VOLUMEN:
cuarzo de
12 ft^3
0.4mm
SYBRON VOLUMEN:
importado
7,5 ft^3
grandes cantidades de contaminantes
antes de que sea necesaria su limpieza.
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.
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.
Tanque encargado de la recolección de la
salmuera, que tiene como función la
regeneración de la resina usada en el
suavizador
1
$3,550,000
AQUASOL
AR
$1,400,000
AQUASOL
AR
$2,850,000
AQUASOL
AR
$2,800,000
AQUASOL
AR
$5,340,000
AQUASOL
AR
$121,380
COLEMPA
QUES
$104,216
AGOFER
$121,380
COLEMPA
QUES
1
Tanques de almacenamiento que tiene
como función el acumular el agua a tratar o
agua cruda, y el agua tratada o agua pura.
$104,216
AGOFER
(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
OSMOTEC
H
$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
OSMOTEC
H
(1 bulto =
14Kg
=
1ft^3)*7,5
125
ANIONIC
A
RESINA
SUAVIZADO
R
sal para
sal
VOLUMEN:
regenera
regenera
500 Lts.
ción
nte
SAL
VALVULAS
MOTORIZAD
AS
MOTOBOMB
A PROCESO
EATB115
0STE
Diámetro
nominal
1 1/2 "
Diámetro
nominal
1 1/2 "
PVC
CPH 10
PLANTA DE
OSMOSIS
INVERSA
SENSORES
$598,000
SYBRON VOLUMEN:
importado
23,5 ft^3
CATIONI
CA
VALVULA
MANUAL
(1ft^3=20kg
)*23,5
CN5R
Diámetro
nominal
1 1/2 "
VÁLVUL
A
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.
(1ft^3=22kg
)*23,5
$253,000
2
$35,500
13
Tipo
de
fluido:
Agua
Temperatura de trabajo: 20° - 30° C
20
GPM
$1’370,000 Caudal:
Diámetro:
1
1/2"
voltaje: 24 Vac o´ 110 Vac
2
$6,000
1
Encargada de regenerar la resina del
suavizador, por medio de intercambio
iónico que se presenta, es decir regenera la
resina con cationes de sodio.
Tipo
de
fluido:
Agua
Temperatura de trabajo: 20° - 30° C
Caudal:
20
GPM
Diámetro: 1 1/2"
Tipo
de
fluido:
Agua
Temperatura de trabajo: 20° - 30° C
Caudal:
20
GPM
HDT:
35
PSI
Diámetro: 1 1/2"
$14,053,000
DOBER
OSMOTEC
H
$5,945,500
$71,000
DOBER
OSMOTEC
H
$17,810,000
HAYWARD
$12,000
DIMADERA
ST. LUCIA
$480,000
PEDROLL
O
1
Caudal de entrada al sistema: 20 GPM,
caudal de permeado de 13 gpm.
$47,500,000
QUALIPURE
SENSOR
DE
2
NIVEL
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
CONTROL
ES S.A
$96,900
126
FS-200
SERIE
SENSOR
DE
2
CAUDAL
MiniChe
m
TDS
K1.0.
112205
SENSOR
1
DE TDS
$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.
de
de
$93,800
WATERFIL
TERS
Posibles repuestos, partes de tubería y
cableado para instalaciones eléctricas.
$500.000
Sensor de control de monitoreo
procesos para variables análogas
solidos disueltos.
OTROS
TOTAL
$97,231,610
127
Anexo H. Datasheet sensor de Nivel - CN5R.
128
Anexo I. Datasheet sensor de caudal FS200.
129
130
Anexo J. Datasheet sensor de TDS – MiniChem TDS
.
131
132
Anexo K. Datasheet motobomba – CPH 10.
133
134
Anexo L. Datasheet válvula motorizada - EATB1150STE
135
136