MANUAL TECNO

ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA INDUSTRIAL

2015

ASIGNATURA:

TECNOLOGIA INDUSTRIAL

Roger Sulem

Shaminy Molina

Mario Rojas

Juan Carlos Goi

George Power

Edmundo Arroyo

Este material de apoyo acadmico sirve

para uso exclusivo de los estudiantes de la

Universidad de Lima y en concordancia

con lo dispuesto por la legislacin sobre los

derechos de autor: Decreto Legislativo 822


II 2015

INDICE

CAPITULO I INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA ........................................................................ 1

1.1. Generalidades .............................................................................................................................................. 1

1.2. Procesos tecnologicos .................................................................................................................................. 1

1.3. Operaciones y procesos unitarios utilizados en la tecnologia industrial ..................................................... 4

1.4. Requerimientos de la industria para los diferentes procesos tecnologicos. ................................................ 5

1.5. Simbolos tecnicos ........................................................................................................................................ 7

CAPITULO II TRATAMIENTO DEL AGUA ..................................................................................... 16

2.1. Generalidades ............................................................................................................................................ 16

2.1.1 clasificacion de las aguas naturales ......................................................................................................... 17

2.1.2. Indicadores de calidad de las aguas naturales ......................................................................................... 18

2.2. Principios de tratamiento del agua ............................................................................................................. 22

2.2.1. Eliminacin de las suspensiones ............................................................................................................. 24

2.2.2. Eliminacin de sustancias disueltas/ionizadas........................................................................................ 26

2.2.3. Esterilizacin. ......................................................................................................................................... 30

2.2.4. Tecnologa de membranas en el tratamiento del agua. ........................................................................... 30

2.2.5. Eliminacion de materia organica biodegradable. .................................................................................... 34

2.3. Procesos de tratamiento de agua. ............................................................................................................. 35

2.3.1. Proceso de potabilizacin del agua. ........................................................................................................ 35

2.3.2. Procesos para la obtencin de agua con fines industriales. .................................................................... 39

2.3.3. Tratamientos de aguas residuales. .......................................................................................................... 41

CAPITULO III GASES INDUSTRIALES .......................................................................................... 44

3.1. Oxigeno, nitrogeno y argon. ...................................................................................................................... 44

3.1.1. Propiedades generales y usos ................................................................................................................. 44

3.1.2. Mtodos industriales de obtencin ......................................................................................................... 45

3.1.3. Proceso ................................................................................................................................................... 46

3.2. Hidrogeno .................................................................................................................................................. 50


3.2.2. Mtodos industriales de obtencin. ........................................................................................................ 50

3.2.3. Proceso productivo del hidrgeno a partir del gas natural...................................................................... 52

3.3. Acetileno................................................................................................................................................... 55



3.3.3. Mtodo de craqueo con arco elctrico ................................................................................................... 57

3.4. Anhidrido carbonico .................................................................................................................................. 58



CAPITULO IV FUENTES DE ENERGIA .......................................................................................... 63

4.1. Generalidades ............................................................................................................................................ 63

4.2. Fuentes de energia no renovables. ............................................................................................................. 65

4.2.1. El carbon ................................................................................................................................................. 65

4.2.2. Petroleo ................................................................................................................................................... 68

4.2.3 gas natural ................................................................................................................................................ 75

4.3. Biomasa energetica. (combustibles no fosiles). ......................................................................................... 76

4.3.1. La madera ............................................................................................................................................... 77

4.3.2. Biocombustibles ..................................................................................................................................... 78


2015 III

4.3.3. Biogas. .................................................................................................................................................... 79

4.4. Combustibles nucleares ............................................................................................................................. 79

4.5. Energia solar ............................................................................................................................................. 80

4.5.1. Generalidades. ........................................................................................................................................ 80

4.5.2. Tecnologias de aprovechamiento termico de la energia solar ................................................................ 81

4.5.3. Energia solar fotovoltaica ....................................................................................................................... 86

4.6. Otras fuentes de energia ............................................................................................................................ 88

CAPITULO V TECNOLOGIA QUIMICA INORGANICA ................................................................. 90

5.1. Amoniaco .................................................................................................................................................. 90

5.1.1. Usos del amonaco .................................................................................................................................. 90

5.1.2 aspectos tecnologicos. ............................................................................................................................ 91

5.2. Acido nitrico .............................................................................................................................................. 94

5.2.1. Usos del acido nitrico ............................................................................................................................. 94

5.2.2. Proceso industrial ................................................................................................................................... 94

5.3. Acido sulfurico .......................................................................................................................................... 98

5.3.1. Usos industriales ..................................................................................................................................... 98

5.3.2. Obtencion industrial ............................................................................................................................... 98

CAPITULO VI TECNOLOGIA DE LOS FERTILIZANTES .............................................................. 102

6.1. Generalidades .......................................................................................................................................... 102

6.2. Fertilizantes simples con nitrogeno ......................................................................................................... 103

6.3. Nitrato de amonio .................................................................................................................................... 103

6.3.1. Generalidades. ...................................................................................................................................... 103

6.3.2. Proceso de fabricacin .......................................................................................................................... 104

6.4. Urea ......................................................................................................................................................... 105

6.4.1. Generalidades ....................................................................................................................................... 105

6.4.2. Formacin del carbamato de amonio y de urea .................................................................................... 106

6.4.3. Proceso de fabricacion. ......................................................................................................................... 107

CAPITULO VII CEMENTO PORTLAND ....................................................................................... 109

7.1. Generalidades .......................................................................................................................................... 109

7.2. Propiedades, tipos y usos ......................................................................................................................... 110

7.3. Proceso de produccion ............................................................................................................................. 111

CAPITULO VIII TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES CERAMICOS ......................................... 116

8.1. Generalidades. ......................................................................................................................................... 116

8.2. Materias primas ....................................................................................................................................... 118

8.2.1. Materias primas plsticas...................................................................................................................... 118

8.2.2. Materiales no plsticos ......................................................................................................................... 119

8.2.3. Materiales en transicin ........................................................................................................................ 120

8.3. Metodos industriales de obtencin. ......................................................................................................... 120

8.3.1. Industrias cermicas. ............................................................................................................................ 121

8.3.2. Barnizado y esmaltado.......................................................................................................................... 124

8.4. Productos ceramicos. ............................................................................................................................... 125

CAPITULO IX TECNOLOGIA DE JABONES Y DETERGENTES .................................................... 127

9.1. Generalidades sobre los tensoactivos ...................................................................................................... 127

9.1.1. Clasificacion de los tensoactivos. ......................................................................................................... 127


IV 2015

9.2. Tecnologia de los jabones........................................................................................................................ 128

9.2.1. Generalidades ....................................................................................................................................... 128

9.2.2. Fabricacin de jabones ......................................................................................................................... 131

9.2.3. Saponificacin de aceites y grasas. ....................................................................................................... 132

9.2.4. Fabricacin de jabn por neutralizacin de cidos grasos. ................................................................... 136

9.2.5. Acabado del jabn ................................................................................................................................ 138

9.2.6. Productos comerciales. ......................................................................................................................... 139

9.2.7. Aplicaciones de los jabones. ................................................................................................................. 139

9.3. Tecnologia de los detergentes. ................................................................................................................. 141

9.3.1. Generalidades ....................................................................................................................................... 141

9.3.2. Obtencion industrial del detergente anionico ....................................................................................... 142

9.3.3. Detergentes comerciales. ...................................................................................................................... 143

CAPITULO X TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES PLASTICOS (POLIMERICOS) .................... 146

10.1. Generalidades ........................................................................................................................................ 146

10.2. Reacciones. ............................................................................................................................................ 146

10.3. Clasificacin de los materiales polimricos. ......................................................................................... 149

10.4 procesamiento de los materiales polimericos. ....................................................................................... 150

10.4.1. Monmeros / insumos. ....................................................................................................................... 150

10.4.2. Condiciones de reaccin. .................................................................................................................... 150

10.4.3. Polmeros y resinas. ............................................................................................................................ 151

10.4.4. Aditivos. ............................................................................................................................................. 151

10.4.5. Formulacion y mezclado. ................................................................................................................... 153

10.4.6. Tecnologas de moldeo y formacin de piezas. .................................................................................. 153

10.5. Reciclado de materiales termoplasticos. ................................................................................................ 169

10.6. Principales polmeros para produccin de plasticos. ............................................................................ 171

10.7. Principales resinas para produccin de plasticos. ................................................................................. 174

CAPITULO XI TECNOLOGIA DE LAS FIBRAS TEXTILES ........................................................... 176

11.1. Generalidades ........................................................................................................................................ 176

11.2. Clasificacin de las fibras ...................................................................................................................... 177

11.3. Propiedades de las fibras naturales ........................................................................................................ 178

11.4. Fibras naturales orgnicas de origen animal .......................................................................................... 178

11.5. Fibras naturales orgnicas de origen vegetal ......................................................................................... 179

11.6. Fibras artificiales ................................................................................................................................... 180

11.7. Fibras sinteticas ..................................................................................................................................... 181

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................ 184


2015 1

CAPITULO I

INTRODUCCION A LA TECNOLOGIA

1.1. GENERALIDADES

La Tecnologa es la ciencia que estudia los procedimientos y los procesos de transformacin de la

materia prima en productos terminados y medios de produccin.

La tecnologa se clasifica en:

a) Tecnologa mecnica la que estudia los procesos que modifican el aspecto exterior, la forma y

las propiedades fsicas del material.

b) Tecnologa qumica la que estudia los procesos que modifican la composicin y estructura

interna de las sustancias y que se realiza mediante las reacciones qumicas.

La tecnologa utiliza los mtodos de la fsica, qumica, fisicoqumica, mecnica, termodinmica,

electrnica, etc., con la finalidad de obtener los productos terminados en condiciones tcnico -

econmicas concretas, tomando en cuenta la utilidad econmica de los procesos respectivos.

El mayor objetivo de la tecnologa es la elaboracin de los esquemas tecnolgicos de los procesos

industriales (llamados Diagramas de Flujos), su diseo y construccin, as como elegir los

materiales para los equipos y las instalaciones auxiliares que correspondan.

1.2. PROCESOS TECNOLOGICOS

Un proceso tecnologico tiene como objetivo la obtencin de productos intermedios y productos

terminados, o el mantenimiento y la reparacin de un sistema tcnico, y se realiza mediante

operaciones fsicas y procesos qumicos, que se llevan a cabo simultneamente o en una sucesin

ordenada en tiempo, y en equipos industriales. La sucesin de las operaciones a travs de las cuales

se realiza un proceso tecnolgico se llama flujo tecnologico del proceso respectivo y el tiempo

necesario para el desarrollo de todas las operaciones constituye el ciclo de fabricacion de un

producto.

Los procesos tecnolgicos se componen en general de varias fases (o etapas) de fabricacin que a

su vez son formadas por operaciones y procesos unitarios.


2 2015

Los criterios de clasificacin de los procesos tecnolgicos son varios, como por ejemplo:

a) Segn la forma en que se realizan, se distinguen:

- El proceso discontinuo (peridicos o por batch) aquel proceso en que una porcin de materia

prima alimenta la instalacin donde se procesa y luego se descargan todos los productos, en un

determinado perodo de tiempo. Durante la descarga y la carga el equipo tiene tiempos muertos.

- El proceso continuo - aquel en el cual el suministro de la materia prima y la salida del producto

se efectan ininterrumpidamente durante un largo tiempo. De esta manera, el equipo no tiene horas

muertas y posee una productividad ms alta.

- El proceso combinado en general se aplica a procesos tecnolgicos con varias fases, donde

algunas etapas son continuas y otras discontinuas.

b) Segn el modo de utilizacin de las mquinas y equipos:

- Los procesos manuales - todas las etapas del proceso se realizan a travs del trabajo fsico del

hombre.

- Los procesos mecanizados aquellos en los cuales parte del trabajo fsico del hombre se

reemplaza por el de las mquinas.

- Los procesos automatizados son procesos dotados con mecanismos automticos (controlados

por computadoras) para la realizacin de algunas operaciones sin la intervencin del hombre. Se

pueden automatizar aparatos, equipos, etapas de un proceso e inclusive todo un proceso

tecnolgico.

- Los procesos mixtos procesos con etapas combinadas (manuales, mecanizadas y

automatizadas) segn las necesidades y facilidades que se desean obtener.

c) Segn la naturaleza de los cambios producidos:

- procesos qumicos

- procesos fsico-qumicos

- procesos bioqumicos

- procesos fsicos

- procesos mecnicos.


2015 3

En las industrias de perfil qumico, los procesos fundamentales son los qumicos, fsico-qumicos,

bioqumicos; los procesos fsicos y mecnicos tienen carcter auxiliar.

Las alternativas tecnolgicas de realizacin de un proceso tecnolgico, en la industria qumica son

mltiples, pero siempre se busca la variante tecnolgica ptima que corresponda al beneficio

econmico mximo.

Un proceso tecnolgico industrial se caracteriza por diferentes medidas fsicas, llamadas variables

o parametros1 del proceso (temperatura, presin, flujo, etc.). Los parmetros del proceso se

establecen de conformidad con los ndices de calidad deseados para el producto. Es necesario que

los parmetros del proceso se mantengan constantes, o que puedan modificarse en conformidad a un

programa preestablecido, realizando de este modo lo que se conoce como Rgimen Nominal del

Proceso Tecnolgico. La constancia de los parmetros tecnolgicos se puede realizar manual u

automticamente.

Los parmetros cinticos y termodinmicos de los procesos qumicos determinan la estructura y

complejidad de los equipos y maquinaria que realizan dichos procesos y en consecuencia

determinan los gastos para su adquisicin y mantenimiento.

La Calidad de los productos fabricados es determinada en gran parte por las propiedades de las

materias primas y los materiales auxiliares, as como por la estructura de los procesos tecnolgicos

y la explotacin racional de las instalaciones donde se realizan estos procesos.

Los principales indicadores que caracterizan un proceso tecnolgico desde el punto de vista

tcnico econmico son:

- el consumo de materias primas y materiales

- el consumo de energa

- el rendimiento o eficiencia del proceso

- la calidad de los productos obtenidos

- los costos de produccin

- las inversiones y gastos.

1 Una variable representa una propiedad de un sistema o una magnitud fsica medible. Un parmetro representa un valor o rango de

valores que puede tener una variable.


4 2015

La elaboracin del proceso tecnolgico por el cual se aseguran las materias primas, los materiales

auxiliares y energa, implica conocer las leyes generales que siguen estos procesos, sus estructuras y

caractersticas.

1.3. OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS UTILIZADOS EN LA TECNOLOGIA

INDUSTRIAL

La mayora de las materias primas utilizadas en la industria qumica, se encuentran en forma

de mezcla, cuya separacin y purificacin presenta grandes dificultades tecnolgicas.

En la fabricacin de todos los productos se requieren de las siguientes etapas del proceso

tecnolgico:

a) preparacin y purificacin de la materia prima

b) procesamiento de la materia prima o reaccin propiamente dicha

c) acondicionamiento de los productos finales.

Los procesos tecnolgicos son proceso TIPO y se componen de operaciones unitarias y

procesos unitarios.

Las operaciones unitarias son transformaciones fsicas de la materia, que se refieren al

tratamiento industrial de las sustancias u elementos qumicos, en los cuales no se modifica la

estructura sino solamente el aspecto exterior. Como ejemplo de operaciones unitarias se mencionan:

operaciones de reduccin de tamao de partcula (chancado, trituracin, molienda), operaciones de

cambio de fase fsica (fusin, vaporizacin, sublimacin, condensacin, solidificacin, etc.),

operaciones de separacin fsica (destilacin, absorcin, adsorcin, secado, decantacin,

sedimentacin, etc.).

Los procesos unitarios son transformaciones de la materia por las cuales se cambia la

estructura interna y las propiedades fsicas y qumicas de las sustancias. Como ejemplo de procesos

unitarios se indican todas las reacciones qumicas, como: combustin, sntesis, neutralizacin,

descomposicin trmica, hidrogenacin, sulfonacin, etc.).

Las operaciones y procesos unitarios se realizan en equipos industriales especficos y el flujo

tecnolgico se presenta mediante esquemas tecnolgicos llamados diagramas de bloque o

diagramas de flujpde bloques y los diagramas de flujo (flow sheet) o diagramas de flujo de

procesos..


2015 5

El diagrama de flujo o diagrama de flujo de procesos describe el flujo tecnolgico

completo se representa en forma simblica cada equipo empleado en el proceso, incluyendo los

equipos (smbolos tcnicos), lneas de flujo (flechas) y equipos auxiliares mas importantes (bombas,

calentadores, agentes trmicos, etc.). Opcionalmente se incluyen parmetros operativos

(temperatura, presin, flujo msico o molar). Para la elaboracin de los diagramas de flujo se

utilizan los smbolos tcnicos.

El smbolo tcnico es una representacin grfica simplificada de los equipos industriales,

utilizado en los distintos trabajos de tecnologa. Este smbolo tcnico debe mostrar clara y

sugestivamente el aparato respectivo y su funcionamiento y debe permitir el fcil dibujo de los

diagramas de flujo.

El diagrama de bloque o diagrama de flujo de bloques representa en forma simplificada

las transformaciones fsicas o qumicas de una o ms etapas del proceso en forma de bloques

rectangulares, con descripcin de las lneas de flujo (secuencia lgica) y opcionalmente un balance

de materiales simplificado. Cada bloque puede corresponder a un conjunto de actividades afines, sin

mezclar operaciones con procesos unitarios. .

1.4. REQUERIMIENTOS DE LA INDUSTRIA PARA LOS DIFERENTES PROCESOS

TECNOLOGICOS.

Asegurar las caractersticas preestablecidas de los productos finales requiere de las

siguientes condiciones:

a) Maquinaria y equipos industriales, de preferencia de tipo estndar, conociendo sus

especificaciones y caractersticas para poder efectuar los clculos de ingeniera

correspondientes.

b) Materiales de construccin adecuados, para evitar la corrosin prematura y el desgaste

mecnico de la misma.

c) Instrumentos de control y medicin que permita la regulacin de las operaciones y procesos

unitarios.

d) Permanente control de calidad de las materias primas, los productos intermedios y los

productos terminados.

e) Tipos de envases y almacenajes adecuados.

f) Normas de seguridad industrial, para proteccin de los operarios y de las instalaciones.


6 2015

g) Ambiente ptimo de trabajo.

h) Trabajar de modo cientfico, segn las leyes y patentes existentes.

i) Desarrollar permanentemente los trabajos de investigacin.

j) Preocupacin permanente por el medio ambiental, evitando su contaminacin.

k) Establecer especificaciones de reciclaje de productos defectuosos y recuperacin de materias

primas, en donde sea posible.


2015 7

1.5. SIMBOLOS TECNICOS

MOVIMIENTO DE SUSTANCIAS

Bombas.

Transporte de lquidos

Compresores.

Transporte de gases a alta presin

Insufladora (soplante).

Movimiento de gases

Faja transportadora.

Transporte de slidos, granulados, polvo,

Vlvula.

Regulacin, control, purga, etc.

Dosificador.

Proporcionar al sistema cantidades medidas de sustancia.

(cucharada, taza, paquete, etc. mL, kg, cm3, etc.)

Slidos, lquidos, gases y vapores

ALMACENAMIENTO DE SUSTANCIAS

Tanques cerrados

Horizontales, verticales, de presin.

Almacenamiento de lquidos

Tanques abiertos

Tanques esfricos

Para gases a presin; lquidos voltiles

Silo

Depsitos para almacenamiento de solidos a granel. Cuentan

en su interior dispositivos para el manejo de los materiales


8 2015

CALENTAMIENTO O ENFRIAMIENTO Y CAMBIO DE FASE DE LAS SUSTANCIAS

Enfriador- Calentador. Cambio de temperatura dentro de la fase

Condensador evaporador. Cambio de temperatura y cambio de fase

El agente trmico no se incorpora al proceso

Intercambiadores de calor (flujos son parte del proceso)

Ambos flujos son parte del proceso.

En el smbolo de la derecha, el calor fluye en el sentido de la

flecha interior.

Intercambiador de calor tubular

Permite mayor rea para el intercambio de calor

Horno

calentamiento con fluidos trmicos o elctrico

Horno lecho fluidizado.

El material particulado se mantiene en suspensin por efecto del

ingreso de gases a presin

Evaporador. (Indirecto)

Concentra soluciones por evaporacin de la parte voltil

Evaporador (directo)

Concentra soluciones por evaporacin de la parte voltil

Agente

trmico

vapor

Agente trmico

A.T.

Gases calientes a

presin

Cenizas

Gases

Material

particulado


2015 9

DISMINUCION DE TAMAO Y CLASIFICACION

Obtencin de partculas de menor tamao por fuerzas aplicadas en su superficie.

Los trminos Trituracin y Molienda estn asociados con el significado de subdividir en

mayor o menor cuanta, pero ninguno de los dos trminos se utiliza slo con un significado

preciso; en general, moler significa una mayor subdivisin del producto.

Principales fuerzas que se aplican: Compresin, Impacto, Friccin, Corte.

Trituradora / chancadora

Reduccin de tamao por compresin

Molino de martillos.

Reduccin de tamao por impacto

Molino de rodillos / Prensa roladora.

Reduccin de tamao por compresin y friccin

Molino de bolas.

Cilindro rotatorio con carga de esferas de diferente tamao y

muy alta dureza.

Reduccin de tamao por Atriccin

Cortador / picador

Tamices

Separacin por tamao con el uso de cedazos, mallas, placas

perforadas, etc.

Zarandas.

Tamices en movimiento (horizontal, vertical, orbital, etc.)

R

P


10 2015

SEPARACION DE MEZCLAS HETEROGENEAS

Decantadores sedimentadores Horizontales, verticales, circulares

Separacin por gravedad.

[ver glosario]

Sedimentador espesador. El equipo es

apropiado para la separacin de mezclas

pastosas, la agitacin lenta favorece esta

separacin. Se utiliza tambin para la

preparacin de pastas. (disolucin o dilucin)

Filtros.

Medio filtrante: malla, papel, arena, etc.

Retenido: no pasa el medio filtrante

Pasante: atraviesa el medio filtrante

Filtro prensa.

Separacin de solidos finos y coloidales

Separadores de fases

Fases liquidas y slidas.

Fases liquidas no miscibles

Fase liquida y vapores

Separacin de partculas slidas de gases

(media y alta concentracin)

Ciclones

Filtro de mangas

Filtros electrostticos (baja concentracin)

Desvo y retencin de partculas slidas al

atravesar el flujo de gases, el campo elctrico.

El material retenido se retira del equipo con

una corriente de agua que fluye por la parte

inferior.

Sedimentos

slido

lquido

Liquido con

sedimentos

Sedimentos

Gruesos finos

Agua Slido

Fase

gaseosa

Slido

Fase liviana

Fase pesada Fase pastosa

Vapor/gas

Liquida

Fase

pastosa

P P P R

P

gases

solidos


2015 11

SEPARACION DE MEZCLAS HOMOGENEAS

Torres de tratamiento de gases.

Para mejorar su eficiencia las torres tienen relleno para

mejorar el contacto entre los dos fluidos e incrementar el

tiempo de residencia.

Rellenos de grava, esponja, granulados u objetos de

diseo especial

Ejemplo de uso del equipo

Ingreso de gases Gases depurados Ingreso lquidos Liquido usado

Lavado (por arrastre) Gases con

partculas

Gases sin

partculas

Agua tratada Agua con

partculas

Absorcin de gases

(selectivo)

Mezcla de gases Gases depurados Agente de

absorcin

Lquidos con

sustancias absorb.

Secado de aire Aire hmedo Aire seco H2SO4 concentrado H2SO4

Torres de tratamiento de gases con relleno activo.

A diferencia de las anteriores, el relleno es parte del

proceso y debe de cambiarse o reactivarse cada cierto

tiempo. Muy utilizadas en los procesos de adsorcin.

Ejemplo de uso del equipo

Ingreso de gases Salida de gases Relleno

Secado de gases

por adsorcin

Gases hmedos Gases secos silicagel

Retencin de gases

Gases con olor Gases sin olor Carbn activado

Deshumedecer aire Aire hmedo Aire menos

hmedo

CaCl2 Solucin de CaCl2

Gases tratados

Liquido

Liquido

utilizado

Gases tratados

Gases


12 2015

SEPARACIN DE MEZCLAS HOMOGNEAS

Columna destilacin simple

Separacin de lquidos miscibles. La mezcla liquida

caliente que se alimenta se separa en dos fases: vapor

y lquido. La fase vapor tiene alta concentracin en la

sustancia ms voltil; en la fase liquida se concentra

en las sustancias menos voltiles.

Columna de destilacin fraccionada.

Permite la separacin en varias fracciones de una

mezcla liquida homognea de acuerdo a la

volatilidad en cada etapa. La columna est dividida

en platos, en cada plato se presenta equilibrio entre

las fase liquida y fase vapor. Las fracciones son

partes de las fases liquidas separadas de platos

seleccionados. La composicin y la temperatura de

vaporizacin de las fracciones son diferentes entre si.

Como en el plato superior solo hay vapor, se

requiere la existencia de una fase liquida para el

primer plato y se utiliza parte del vapor condensado.

MEZCLA DE SUSTANCIAS

Tanque de mezcla.

Lquidos miscibles, no miscibles, pastas, viscosos,

densos, etc.

Torre de mezcla.

Gases

REACCIONES QUMICAS.

Vapor

condensado

Liquido

fondos

Fracciones Liquido

caliente

Reflujo

Vapor

Liquido

caliente

Liquido


2015 13

Temperatura y presin, ambos son importantes en sistemas gaseosos; temperatura si se trata de

lquidos y/o slidos. El contacto ntimo entre los reactantes y los catalizadores, esto se logra con

mecanismos que lo promuevan: agitadores en caso de lquidos, pastas, solidos, etc. Los

catalizadores son sustancias que promueven la formacin de producto y pueden estar dentro de los

reactores como estratos fijos (camas), estar sostenidos en materia inerte logrando una distribucin

adecuada dentro del reactor, puede agregarse junto con las materias primas y retirarlo con el

producto; los catalizadores pueden ser slidos, lquidos, soluciones, etc. En la mayora de los

sistemas de reaccin la temperatura es un factor muy importante y por ello se cuentan con tcnicas

apropiadas: chaquetas trmicas para mantener la temperatura (calienta, enfra, mantiene),

intercambiadores de calor internos (dentro del reactor), la presin se puede regular con el uso de

atmosferas inertes, gases a presin, vaco, entre otros.

[A] reactor abierto con agitacin. [B] reactor cerrado con agitador y chaqueta [C] reactor con

catalizador en estrato fijo y chaqueta. [D] reactor con catalizador tubular y chaqueta [E] reactor con

elemento calefactor interno y presin de vaco.

[F] reactor con arco elctrico, gases (alta temperatura y presin).

[G] reactor cilndrico (horno giratorio) solidos,

[H] reactor para gases

SECADO DE SLIDOS, GRANULACIN Y SEPARACIN.

A B C D E

F G H


14 2015

Secador cilndrico o tubular. Para solidos

granulados, escamas, etc.

Secador-granulador. Para formar partculas

slidas a partir de pastas.

[A] se obtienen partculas muy pequeas

(polvo), flujo de aire turbulento dentro del

equipo.

[B] se obtienen partculas de material granulado

(varios milmetros). El material por gravedad y

venciendo la presin del aire en contracorriente.

Cristalizador.

Forma cristales a partir de soluciones saturadas

en caliente. Se separan los cristales y la solucin

(madre) en equilibrio que retorna al proceso.

Mezcladoras y amasadoras de solidos

[C] Bambury. Amasador a presin y temperatura

[D] Blender. Mezclador de polvos

[E] mezclador de banda (amasador)

Extrusora.

Tornillo sinfn dentro de una carcasa. La presin

que se ejerce sobre el material cuando este llega

al extremo permite el cambio de geometra:

triturar, moler, granular, formar objetos

continuos, etc.

Centrifuga.

El equipo tiene en su interior una canastilla de

malla que gira a alta velocidad. Retiene en el

centro las partculas de tamao mayor al de la

malla. Se separa liquido de slidos, enjuagar

(lavar) solidos, etc.

Material

a secar

(pasta)

Material granulado

Aire A B

Material

a secar

(pasta)

Material

granulado

Aire

Licor madre

Cristales

C D E

Material a secar

Aire hmedo

Material seco


2015 15

LECHO FLUIDIZADO.

La fluidizacin es un proceso por el cual una corriente de fluido (lquido, gas o ambos) se

utiliza para suspender/transportar partculas slidas.

Desde un punto de vista macroscpico, la fase slida (o fase dispersa) se comporta como

un fluido, de ah el origen del trmino "fluidizacin". Al conjunto de partculas fluidizadas se le

denomina tambin "lecho fluidizado".

En un lecho de partculas con flujo ascendente, la circulacin de un gas o un lquido a baja

velocidad no produce movimiento de las partculas. El fluido circula por los huecos del lecho

perdiendo presin. Esta cada de presin en un lecho estacionario de slidos viene dada por la

ecuacin de Ergun. Si se aumenta progresivamente la velocidad del fluido, aumenta la cada de

presin y el rozamiento sobre las partculas individuales. Se alcanza un punto en el que las

partculas no permanecen por ms tiempo estacionarias, sino que comienzan a moverse y quedan

suspendidas en el fluido, es decir, fluidizan por la accin del lquido o el gas.

Los lechos fluidizados tienen variedad de aplicaciones, entre las cuales se pueden

mencionar: Adsorcin e intercambio inico, reacciones catalticas heterogneas,

combustin/gasificacin de carbn, lavado o lixiviacin de partculas slidas, bioreactores,

intercambiado de calor, etc.


16 2015

CAPITULO II

TRATAMIENTO DEL AGUA

2.1. GENERALIDADES

El agua tiene un papel muy importante en la actividad socio econmica de un pas.

Adems de la funcin de materia prima, medio de transporte y de fuente de energa, el agua

constituye un elemento indispensable para el

desarrollo de cualquier actividad.

En la naturaleza no existe agua pura,

debido a su interaccin con el medio ambiental,

presentndose el agua como un sistema

dinmico, complejo, que contiene gases,

sustancias minerales y orgnicas disueltas o en

sus-pensin. La figura 2-1 muestra la dinmica

del sistema y los puntos donde el agua va

cambiando sus caractersticas fsicas, qumicas,

fsico-qumicas y bacterio-lgicas.

Las reservas de agua dulce, ya bastante

reducidas y limitadas, disminuyen cada ao debido a la contaminacin de las aguas naturales, por

las aguas residuales insuficiente-mente purificadas o simplemente no purificadas.

El agua cubre aproximadamente el 75 % de

la superficie terrestre y se encuentra estado slido

(como nieve, hielo, granizo, hielo flotante), estado

lquido (ros, lagos, mares, ocanos, lluvia, agua

subterrnea) y en estado gaseoso/vapor (como

humedad atmosfrica, neblina)2. Se encuentra

tambin en los organismos animales y vegetales y

como agua de cristalizacin, en los cristalohidratos.

2 Tcnicamente son Aerosoles que son sistemas coloidales donde un lquido est disperso en una fase gaseosa.

Figura 2-2: Distribucin del agua en la tierra

Agua de mares y ocanos 97,3 %

Agua dulce 2,7 %

Capa glacial 77,2

Agua subterrnea* 22,4

Lagos 0,35

Agua atmosfrica (humedad) 0,04

Ros 0,01

*Aproximadamente 2/3 se encuentra a profundidades

mayores de 750 metros.

Fuente: U.S. Geological Survey

Figura 2-1 El ciclo del agua


2015 17

En principio la cantidad de agua dulce disponible en el planeta cubre y en exceso todas las

necesidades de la humanidad, pero el problema est en su ubicacin: casi nunca esta donde se

necesita y en la cantidad, calidad y tiempo requerido. Todo esto obliga a la construccin de obras

hidrulicas para la captacin, acumulacin y transporte del agua, as como desarrollo de tcnicas de

depuracin en la recepcin, antes de su descarga o en la reutilizacin. Todas estas tcnicas

constituyen el Tratamiento del Agua.

2.1.1 CLASIFICACION DE LAS AGUAS NATURALES

Existen varios criterios de clasificacin para las aguas naturales, entre los cuales podemos

indicar:

2.1.1.1. Segn la procedencia, las aguas naturales se pueden clasificar en:

a) Agua meterica - la que proviene de la evaporacin de las aguas de la superficie terrestre y su

condensacin en la atmsfera, en forma de lluvia y nieve. Aunque el agua meterica es la ms pura,

en el camino hacia la tierra absorbe junto con el oxgeno (O2), nitrgeno (N2) y dixido de

carbono o anhdrido carbnico (CO2), tambin otros gases como: sulfuro de hidrgeno (H2S),

dixido de azufre o anhdrido sulfuroso (SO2), trixido de azufre o anhdrido sulfrico (SO3),

xidos de nitrgeno (NOx) y compuestos orgnicos voltiles (COV) muchos de ellos txicos -

que se encuentran en la atmsfera de las zonas industriales y sustancias slidas como: polvo, holln,

polen, bacterias, etc.

b) Agua subterrnea proviene de la infiltracin de las aguas metericas por las capas de la tierra,

acumulndose en depsitos (napas freticas) y/o ros subterrneos. Su composicin es muy variable

y es funcin de la composicin de las tierras por las cuales se va infiltrando. Este tipo de agua tiene

un alto contenido de CO2 que disuelve los carbonatos de calcio (piedra caliza) o de magnesio,

formando bicarbonatos solubles de calcio o de magnesio, segn las reacciones N. 2-1 y 2-2:

c) Agua de superficie proviene de los ros, lagos, mares y ocanos. La composicin de este tipo

de agua es muy variada, dependiendo de la estacin, del tipo de suelo, de las condiciones climticas,

etc. El agua de los ros son las que se contaminan en mayor grado por la actividad humana

poblacin urbana y rural, actividades agrcolas, industriales, mineras, etc. El agua de los lagos tiene

una composicin casi constante, que es modificada por la naturaleza: las lluvias, el aumento de la

temperatura, de la agitacin de la superficie (vientos), del desarrollo de los microorganismos que

CO2 + H2O + CaCO3 Ca(HCO3)2

CO2 + H2O + MgCO3 Mg(HCO3)2

(2-1)

(2-2)


18 2015

absorben el dixido de carbono y liberan oxgeno, y la recarga de los lagos por fuentes

contaminadas. El agua de los mares y ocanos contienen una mayor cantidad de sales disueltas que

las otras aguas de superficie. Entre las sales existentes se mencionan: grandes cantidades de

cloruros de sodio y potasio, sulfatos y pequeas cantidades de casi todos los dems elementos

conocidos.

2.1.1.2. Segn la concentracin de las sustancias disueltas:

a. Agua dulce - (sustancias disueltas 0,1 %)

b. Agua mineral o medicinal - (sustancias disueltas entre 0,1 y 5%)

c. Agua salada - (sustancias disueltas 5 %)

Las aguas medicinales son aguas naturales (generalmente subterrneas) que contienen

disueltas diferentes sustancias en distintas concentraciones, en especial sales sulfurosas cuya

utilizacin producen modificaciones sobre el organismo humano. A su vez, las aguas medicinales se

pueden sub-clasificar en funcin de la temperatura en aguas fras (menores a 20C), aguas

mezotermales (entre 20 y 50C) y aguas hipertermales (mayores a 50 C)

2.1.1.3. Segn la dureza (concentracin de sales solubles de calcio y magnesio)

a. Aguas blandas

b. Aguas duras

Las aguas duras producen sustancias slidas por efecto de la temperatura y su presencia es

perjudicial en muchos procesos industriales.

2.1.2. INDICADORES DE CALIDAD DE LAS AGUAS NATURALES

Temperatura. La temperatura de las aguas naturales depende de su procedencia. Las aguas

subterrneas se caracterizan por una temperatura relativamente constante, en comparacin con las

aguas de superficie, que presentan variaciones en funcin de la estacin y de la ubicacin

geogrfica. La temperatura del agua tiene influencia sobre la solubilidad de sustancias que se

encuentran en contacto con ella.

Color. El agua pura, en capas no muy gruesas, es incolora y en capas gruesas presenta coloracin

azul-verdosa. Las aguas naturales pueden presentar distintos tonos, determinados por su

composicin o por las condiciones del terreno. El color verdusco del agua de los lagos se debe a los

terrenos calcreos y el color amarillento indica presencia de hidrxido de hierro coloidal o

sustancias arcillosas.


2015 19

Olor y sabor. El agua pura es inspida e inodora, pero las aguas naturales presentan en la mayora

de los casos un sabor y un olor especfico que depende de una serie de factores como: la

composicin qumica del agua, la temperatura, la presencia de sustancias voltiles, etc. Las causas

de la aparicin y desarrollo del sabor y olor del agua pueden ser mltiples: la actividad de los

microorganismos, la presencia de microorganismos muertos, los gases disueltos, las sustancias

orgnicas y minerales, los compuestos de hierro y manganeso, los carbonatos y sulfatos, los fenoles

u otros distintos productos del petrleo.

Turbidez. La turbidez de las aguas es debida a la presencia de sustancias slidas en suspensin

(arcillas, arena, lodos, materias orgnicas, etc.). La turbidez del agua se mide en grados

convencionales de slice. Un grado de turbidez representa la opacidad producida por 1 mg de SiO2

en un litro de agua destilada. Actualmente se utiliza la unidad nefelomtrica3 de turbiedad (NTU)

equivalente a 7.5 ppm de Si02 o 1 ppm de formazina estndar.

pH (acidez, basicidad). El valor del pH es un factor muy importante que determina las

caractersticas organolpticas del agua, la capacidad de reaccionar en varios tratamientos, la

agresividad, la capacidad de constituirse como medio de vida y desarrollo para diversos organismos

biolgicos, etc.

Para el normal desarrollo de un proceso bioqumico es necesario que el pH del agua est entre 6,5

8,5. Las aguas con pH bajo (pH7) producen intensas espumas y se debe a la

presencia de los iones bicarbonato, carbonato, hidrxido y a veces silicato y fosfato.

Anhdrido carbnico (Dixido de carbono). La mayor parte del anhdrido carbnico libre existente

en el agua, se encuentra disuelto fsicamente y slo el 0,7 % se encuentra en forma de cido

carbnico (reaccin 2-2a). El efecto del cido carbnico en el agua se presenta al reaccionar con los

carbonatos presentes en los suelos para formar los bicarbonatos solubles (reaccin 2-1).

3 nefelmetro. (Del gr. , nube, y metro).

1. m. Instrumento para medir la turbidez de un fluido o para determinar la concentracin y tamao de las partculas en

suspensin por medio de la luz que difunden en un tubo.


20 2015

El CO2 es soluble en el agua (90mL a 20C, 180mL a 0C) y su presencia origina la reaccin

(2- 2a) dando carcter acido al agua favoreciendo la reaccin con slidos alcalinos formando

sustancias solubles que se incorporan al agua

En este sistema en equilibrio aparecen todas las formas del anhdrido carbnico del agua: el

CO2 libre (cido carbnico), el CO2 semi-atado (en los bicarbonatos), el CO2 atado (en los

carbonatos), y tambin existe el CO2 que permanece disuelto en el agua que se denomina anhdrido

carbnico agresivo, porque es capaz de disolver nuevas cantidades de carbonatos transformndolos

en bicarbonatos solubles.

El anhdrido carbnico no altera las cualidades organolpticas del agua, al contrario, le da

una agradable sensacin a frescura. El CO2 agresivo puede transformar el agua en no potable, al

disolver ciertos metales txicos como: plomo, cobre, etc. En el agua para la alimentacin de los

calderos, el CO2 libre no es deseado porque tiene una accin corrosiva.

Oxgeno. El oxigeno es fuente vida, un agua limpia contiene 8 mg/L de oxigeno disuelto. El

oxgeno en el agua tiene una procedencia muy variada: por disolucin del oxgeno del aire

atmosfrico, de los procesos de asimilacin de la flora acutica, etc. La existencia en el agua de

algunas sustancias que se pueden oxidar, modifican el contenido del oxgeno, disminuyndolo bajo

su lmite de saturacin.

a) Demanda bioqumica de oxgeno (DBO), es un parmetro que mide la cantidad de oxgeno

requerida por los micro-organismos para descomponer por oxidacin la materia orgnica en una

menos compleja fcilmente degradable. La DBO se utiliza para determinar el grado de

contaminacin y normalmente se mide transcurridos 5 das (DBO5) y se expresa en mg O2/L de

agua, a la temperatura de 20 C.

b) Demanda qumica de oxgeno (DQO), representa la cantidad de oxigeno necesario para oxidar

toda la materia orgnica por medio de dicromato en solucin cida para convertirla en anhdrido

carbnico y agua.

La DQO es un mtodo aplicable en aguas continentales (ros, lagos, acuferos, etc.), aguas

residuales o cualquier agua que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgnica. No

[ CO2 + H2O ] + CaCO3 Ca(HCO3)2 CO2 + H2O H2CO3

(2 1)

(2 2a)


2015 21

es aplicable para las aguas potables debido al valor tan bajo que se obtendra y, en este caso, se

utiliza el mtodo de oxidacin con permanganato potsico.

La relacin entre los valores de DBO y DQO para un agua, es un valor emprico indicativo

de la biodegradabilidad de la materia contaminante. En aguas residuales un valor de la relacin

DBO/DQO menor de 0,2, se interpreta como un vertido de tipo inorgnico y orgnico s es

mayor de 0,6.

c) Carbono orgnico Total (COT), este parmetro es la medida del contenido total de carbono de

los compuestos orgnicos presentes en las aguas. Se refiere tanto a compuestos orgnicos tanto

fijos como voltiles, naturales o sintticos. Es la expresin ms correcta del contenido orgnico

total.

La presencia de carbono orgnico que no responda a las pruebas de DBO y/o DQO hace que

stas, no sean una determinacin adecuada para estimar el contenido total en materia orgnica.

El COT es una expresin mucho ms conveniente para este fin.

Dureza.4 Denota la presencia de los iones Ca

2+, Mg

2+ y HCO3

- (bicarbonato) solubles en el agua.

Se conocen varios tipos de dureza como:

a) Dureza temporal. Se debe a la presencia de los bicarbonatos de calcio y de magnesio disueltos

en el agua. Por calentamiento a ebullicin, la dureza temporal se elimina por la descomposicin

de los bicarbonatos, precipitndose los carbonatos respectivos, segn las reacciones N. 2-3 y

2-4:

b) Dureza permanente. Se debe a la presencia de los nitratos, sulfatos y cloruros (entre otros) de

calcio y magnesio solubles en el agua y no se pueden eliminar por simple ebullicin del agua.

c) Dureza total. Es la suma de las sales de las sales solubles de calcio y de magnesio (suma de

dureza temporal y permanente.

4 El concepto de dureza de las aguas est asociada con la formacin de precipitados slidos insolubles. Inicialmente se

observ en la pedida aparente del poder limpiador del jabn al formarse precipitados (mbito domstico); de otro

lado, se observaron depsitos slidos adheridos a las paredes internas de las tuberas que conducan agua caliente y en

las paredes internas de los calderos (mbito industrial). Luego del anlisis de casos presentados se concluye que se

debe a la presencia de sales disueltas en el agua que contenan calcio y magnesio.

Mg(HCO3)2 MgCO3 + CO2 + H2O

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O

(2 3) (2 4)


22 2015

En la actualidad, en los reportes de

anlisis de agua el contenido de las diferentes

sales del agua se expresan como ppm de CaCO3

o como equivalentes de CaCO3 para facilitar los

clculos. El figura 2-3 muestra una calificacin

para la dureza del agua en ppm de CaCO3.

Caractersticas biolgicas y bacteriolgicas

Las aguas naturales contienen cantidades variables de micro- y macro-organismos

vegetales y animales, debido a las condiciones favorables creadas por el medio acutico.

Los principales contaminantes biolgicos del agua son las bacterias (salmonellas, vibrio

cholerae, shigellas, etc) causantes del tifus, clera, gastroenteritis y disentera; los virus causantes

de la hepatitis, las amebas que pueden originar la disentera y lombrices como la taenia saginata

causante de la triquinosis.

Los microorganismos patgenos como las bacterias del grupo coliforme indicativas de

contaminacin de/por animales y de la bacteria escherichia coli indicativa de contaminacin fecal.

El grado de impurificacin bacterial del agua est determinado por el nmero de grmenes

que se desarrollan a 37C (elementos patgenos) en un centmetro cbico de agua.

2.2. PRINCIPIOS DE TRATAMIENTO DEL AGUA

El tratamiento del agua se realiza para mejorar las caractersticas del agua cruda de tal

manera, que despus del tratamiento, el agua cumpla con los parmetros de calidad requeridos.

Normalmente el agua superficial tiene un elevado contenido de slidos suspendidos, bacterias,

algas, materia orgnica que provocan mal sabor y olor y el agua subterrnea (pozo) tienen elevado

contenido de sales disueltas y posiblemente bacterias.

En general, para establecer un proceso de tratamiento del agua, se requiere conocer el uso

final, y por ende, las caractersticas que debe tener el agua tratada (columna agua tratada de la

figura 2 4). Sobre la fuente de agua a utilizar (agua sin tratamiento) debe tenerse la informacin

sobre las caractersticas del agua de la fuente, caudal (disponibilidad) y estacionalidad (variaciones

en el tiempo). Con esta informacin se elabora el proceso de tratamiento adecuado del agua.

Figura 2-3 Dureza en el agua

Dureza en ppm de

CaCO3

Calificacin del tipo de

agua

0 75 75 150 150 300

>300

Agua suave

Agua poco dura

Agua dura

Agua muy dura

Mx. 300

0

Lmite permisible para el

agua potable

Lmite de dureza para agua

de calderas.


2015 23

Figura 2 - 4

Agua sin tratamiento

Informacin sobre las

Caractersticas fsicas,

qumicas, fisicoqumicas y

bacteriolgicas.

Tratamiento adecuado

Operaciones y/o procesos

unitarios.

Procesos bioqumicos y

bacteriolgicos

Agua tratada

Informacin sobre las

Caractersticas fsicas,

qumicas, fisicoqumicas y

bacteriolgicas.

Estos procesos de tratamiento se pueden clasificar como:

Tratamiento primario: separacin de sustancias no solubles en el agua (slidos y lquidos no

miscibles) y de material inorgnico disuelto.

Tratamiento secundario: tratamiento biolgico de la materia orgnica disuelta en el agua,

transformndola en slidos suspendidos que se eliminan con facilidad.

Tratamiento terciario: procesos adicionales (separacin de sales disueltas, nutrientes,

patgenos y otros) para mejor la calidad del agua para uso industrial o para mejorar la

calidad de los efluentes.

Las fuentes de agua son muy variadas pueden ser aguas naturales (metericas, subterrneas

o de superficie), aguas que han recibido un tratamiento (filtrada, potable, etc.) o aguas recicladas

(efluente industrial, residual urbana, etc.).

Por ejemplo, se necesita agua potable para consumo humano, si la fuente de agua es un ro o

la fuente es un pozo artesiano, los procesos de tratamiento del agua difieren por la posible presencia

en el agua de rio de slidos (ramas, arena, cscaras, arcillas, etc.), qumicos (detergentes, solventes,

insecticidas, etc.) que hay que retirar en el proceso. El agua de pozo arrastra arena (por efecto de la

succin), sustancias solubles y patgenas si hay fuente de contaminacin cercana.

Un proceso de tratamiento de agua diferente necesitar una empresa de teidos de tejidos de

algodn que utiliza agua potable como fuente de abastecimiento. Dependiendo del tipo de industria,

las aguas residuales arrastran diferentes materiales que deben ser retenidos / eliminados antes de

verterlos en el sistema de alcantarillado u otro tipo de sistema de descarga (al rio, al mar, etc.).

En la figura 2-5 se muestran ejemplos de los materiales que podran arrastrar y/o contener

una fuente de agua.


24 2015

Figura 2-5 Algunos materiales que pueden presentarse en una fuente de agua

Slidos grandes Cajas, botellas, ramas

Slidos flotantes Cscaras, tecnopor , botellas, bolsas

Slidos pequeos y densos Arena, grava

Slidos pequeos y poco densos Arcillas, minerales no compactos

Partculas pequeas Polvo

Lquidos no miscibles Aceites, kerosene

Gases disueltos Aire, CO2

Sustancias disueltas Alcoholes, fertilizantes

Sales ionizadas Carbonatos, cloruros

Bacterias, virus Coliformes

Conocida la informacin sobre las caractersticas del agua que se desea obtener y las

caractersticas de la fuente de agua cruda se debe conocer la cantidad de agua a tratar por unidad de

tiempo, es decir el caudal, para luego establecer los procesos a realizar y la secuencia que deben

ejecutarse. El caudal es un factor importante porque es determinante en la seleccin de equipos, en

las inversiones y en los costos de procesamiento. Proceso en lote o proceso continuo; nivel de

tecnologa de los equipos, fragmentacin de los procesos, etc. son temas a decidir al establecer el

tratamiento adecuado.

El tratamiento se inicia con el retiro de los materiales slidos grandes y los materiales en

suspensin, seguido de la captura y posterior eliminacin de material particulado fino, olores, color,

sustancias disueltas y sustancias ionizadas y finalmente las partculas microscpicas como bacterias,

esporas, virus, etc.

2.2.1. ELIMINACIN DE LAS SUSPENSIONES

Las suspensiones son partculas slidas que son arrastradas por las corrientes de agua. Son

de diferentes tamaos y se encuentran en diferentes cantidades.

Las suspensiones se pueden clasificar en:

Suspensiones gravitacionales con dimetro mayor de 103 m, que se separan por simple

decantacin

Suspensiones finas con dimensiones de 10-3 m o menos, que sedimentan a velocidades

muy reducidas.

Suspensiones coloidales con dimetros entre 1 200 micrmetros, que prcticamente no

sedimentan

Todas Las partculas slidas en suspensin estn sometidas a diversas fuerzas que

interactan simultneamente y las principales son: Energa cintica (Ec= mv2) por el movimiento


2015 25

del agua, y la energa potencial5 (Ep = mgh). Las partculas se mantendrn es suspensin mientras la

Ec > Ep . Cuando el agua disminuye su velocidad, se reduce la Ec y llegar el momento que Ec < Ep

y la partcula es atrada por la gravedad, es decir sedimenta.

La sedimentacin representa la principal operacin de eliminacin de las suspensiones del agua.

Cuando se debe procesar grandes cantidades de agua, se hace necesario un proceso continuo el

caudal debe mantenerse constante en donde se va reduciendo la velocidad de circulacin del agua

para permitir la sedimentacin de las partculas gravitacionales. Los sedimentadores ms utilizados

son los estticos de flujo horizontal donde se presenta prdida continua de la velocidad del agua y

los sedimentadores verticales de flujo ascendente donde las partculas pierden energa potencial por

impacto con las paredes al cambiar la direccin del flujo. Los sedimentos se decantan6 por la parte

inferior de los equipos.

Mientras menor es la masa de la partcula, menor es la fuerza de la gravedad que acta sobre

ella y por tanto, menor es la velocidad de sedimentacin. Cuando sta se hace muy lenta se utilizan

productos qumicos que permiten la aglomeracin de las partculas finas en partculas de mayor

tamao (mayor masa) que logran hacer ms rpida y fcil la sedimentacin. Este proceso se

denomina Floculacin y los materiales aglomerados se denominan flculos.

Las partculas coloidales, adems de ser

micromtricas, tienen carga y se producen por

fuerzas de repulsin entre ellas que no permiten

o hacen muy difcil la sedimentacin. Para

desestabilizar los coloides se utilizan sustancias

Coagulantes que neutralizan las cargas

permitiendo una fcil floculacin.

Generalmente se realiza la coagulacin

para desestabilizar al coloide y luego la

floculacin para aglomerar los coloides desestabilizados en flculos junto con las partculas muy

finas que puedan estar presentes. Los flculos son partculas de mayor tamao y masa y se separan

por decantacin. En la figura 2-6 se indican sustancias que se utilizan para esta funcin.

5 Ep = fuerza de la gravedad * altura = Fg .h = mgh.

6 Decantacin, procedimiento de separacin de un lquido y un slido insoluble en l, o de dos lquidos no miscibles, basado en la diferencia de densidades y aprovechando la accin de la gravedad.

Figura 2-6 Principales coagulantes floculan

tes utilizados en el tratamiento del agua

Sales de Aluminio

- sulfato de aluminio

- cloruro de aluminio

Al2(SO4)3.18H2O

AlCl3

Sales de Hierro

- sulfato ferroso

- cloruro frrico

- sulfato frrico

FeSO4

FeCl3

Fe2(SO4)3

Polielectrolitos (polmeros )

- poliacrilamida

- poliacetato de vinilo


26 2015

En el tratamiento del agua no se puede reducir la velocidad del agua hasta detener el flujo,

por esta razn, en los procesos de sedimentacin y de decantacin no siempre se logra separar todas

las partculas en suspensin. El tiempo de retencin hidrulica (TRH) es el tiempo que tarda una

partcula de agua en atravesar todo el equipo, en este caso, el sedimentador y es un parmetro

establecido por diseo de planta.

Las partculas no sedimentadas se retienen por medio de la operacin unitaria de filtracin

que consiste en el paso del agua a travs de una capa porosa (material filtrante), de composicin

granulomtrica, que retiene a las partculas en suspensin. En el caso del agua el material filtrante

ms utilizado es la arena con un contenido mnimo de 98% de slice y un mximo de 5% de

sustancias orgnicas. Otros tipos de materiales filtrantes son: mrmol, tierra de diatomeas, etc.

En la filtracin, las partculas en suspensin que se detienen son aquellas cuyo tamao es

mayor a la porosidad del material filtrante. Cuando la cantidad de material retenido es muy grande,

se obstruye el filtro producindose la colmatacin del filtro. El proceso inverso, la decolmatacin,

se realiza siempre, lavando en contra corriente el filtro, con agua a presin o con agua y are a

presin. Se utilizan filtros abiertos (con derrame gravitacional y flujo vertical descendente) y los

filtros cerrados (con derrame a presin y flujo segn diseo).

2.2.2. ELIMINACIN DE SUSTANCIAS DISUELTAS/IONIZADAS.7

Muchas sustancias qumicas en contacto con el agua se disuelven y/o disocian en cationes y

aniones. Las variables que afectan a esta disolucin/disociacin son principalmente la temperatura,

pH, concentracin, presencia de gases disueltos.

Entre los mtodos tradicionales se puede mencionar el mtodo trmico en donde por

calentamiento algunas sales solubles se descomponen produciendo sales insolubles que precipitan,

tal es el caso de los bicarbonatos de calcio o de magnesio que por calentamiento producen

carbonatos que son insolubles. La destilacin es otro mtodo de eliminar sales disueltas en el agua

al separar el agua por evaporacin. Ambos mtodos requieren gran cantidad de energa trmica y

son operaciones unitarias. Otros mtodos tradicionales son los mtodos qumicos que consisten en

7 Disociacin inica. Cuando un compuesto inico o covalente polar se disocia en los iones correspondientes.

Disolucin. Mezcla homognea de dos o ms sustancias con composicin variable hasta cierto lmite y fcilmente

separable en sus componentes


2015 27

transformar, utilizando reactivos qumicos, los compuestos solubles en compuestos insolubles, para

luego ser separados por sedimentacin y/o por filtracin.

Actualmente se utiliza el mtodo de intercambio inico para retirar selectivamente los

iones presentes en el agua mediante el uso de sustancias slidas, difcilmente solubles, que tienen la

capacidad de retener los iones (aniones o cationes) que trae el agua y de ceder a cambio parte de sus

iones. Estas sustancias solidas se conocen como resinas sintticas para intercambio inico cuando

son fabricadas, y las de origen natural son de la familia de las zeolitas. El proceso de intercambio de

iones entre el agua y la resina es rpido. Cuando la resina agota sus iones para el cambio, se realiza

la regeneracin de la misma. Con el uso, las resinas (naturales o sintticas) van perdiendo sus

propiedades, tanto en su capacidad de intercambio de iones como en sus caractersticas fsicas

(aplastan, ensucian, envenenan, fragmentan, etc.).

En tratamiento del agua de distinguen dos procesos:

Ablandamiento del agua, que utilizan resinas catinicas o se utilizan zeolitas.

Desmineralizacin completa del agua, haciendo uso de reinas catinicas y resinas anionicas.

Con el ablandamiento del agua se busca retirar de agua los cationes Ca2+

y Mg2+

del agua

dura. Las zeolitas (silicatos dobles de aluminio y sodio/potasio) y las resinas catinicas tienen la

propiedad de intercambiar (sus) iones de Na+ o K

+ por los iones de Mg

+2 y Ca

+2 del agua dura.

Para el proceso de intercambio de cationes se utilizan torres rellenas de zeolita o de resinas

catinicas y el agua dura fluye desde la parte superior a la inferior atravesando el relleno (ver figura

2 7) para obtener agua blanda. En la parte inferior de la torre hay una serie de lminas perforadas,

que sostienen el relleno. Cuando se agota la capacidad de cambio de la resina/zeolita se requiere la

regeneracin de la misma con un retrolavado con solucin de NaCl al

10%. El retrolavado permite descompactar la resina y retirar cualquier

material retenido durante la operacin normal. Adems de las zeolitas

naturales se utilizan las zeolitas artificiales como Permutita, resinas

sintticas fenlicas, pirogallicas, etc.

La desmineralizacin completa (o de-ionizacin completa,

segn algunos autores) del agua, es un proceso de etapas sucesivas: la

primera intercambiando cationes por iones H+

con resinas tipo R-H y la

segunda intercambiando aniones por iones OH- con resinas tipo R-OH. Las resinas de intercambio

de iones modernas son preparadas de polmeros sintticos tales como los copolimeros del

Agua dura

Agua blanda

NaCl

al 10%

Fig. 2-7


28 2015

estirendivinilbenceno en forma de sulfonato para formar unos intercambios de cationes fuertemente

cidos o en forma de amina para formar intercambios de aniones fuertemente bsicos o dbilmente

bsicos. Algunos nombres comerciales de estas resinas son: AMBERLITA IR 1; ZEOKAB H ,

Dowex , De-Acidite , Wofatita , etc.

El proceso de desmineralizacin completa del agua se muestra en el diagrama de flujo de la

figura 2-8. En la primera etapa, en la columna de intercambio de cationes (equipo 1) (resina R-H),

las sales ionizadas (cationes-aniones) en del agua se transforman en cidos libres, por el reemplazo

de los cationes metlicos con protones (H+). En la segunda etapa, en la columna de desgasificacin

(equipo 2) elimina el H2CO3 (reaccin 2-14) como CO2 que se separa como gas y agua reduciendo

parte de la acidez presente (la acidez del agua debido al CO2 agresivo produce corrosin). En la

columna de intercambio de aniones (equipo 3), se retienen los aniones de los cidos libres,

liberndose los aniones de oxidrilo (HO-), que forman agua con los protones. Al agotarse las resinas

es necesario la regeneracin de las mismas: una solucin acida (HCl o H2SO4 al 5%) para la resina

catinica y una solucin bsica (NaOH o KOH al 5%)para la resina aninica. Ms adelante se

muestran las reacciones qumicas que se producen durante el proceso de desmineralizacin

completa del agua y en los procesos de regeneracin de la resina.

El agua sometida al proceso de desmineralizacin completa es un producto diferente a la

obtenida en un proceso de ablandamiento.


2015 29

Fig. 2-8 DIAGRAMA DE FLUJO

P PROCESO DE DESMINERALIZACION COMPLETA DEL AGUA

Ejemplo de reacciones de una desmineralizacin completa

Ingresa al tratamiento inico agua cruda que contiene pequeas cantidades de

bicarbonato de calcio, sulfato de calcio, cloruro de magnesio y cloruro de sodio.

Tanque 1 con resina de intercambio catinico: Ca(HCO3)2 + 2 RH CaR2 + 2 H2CO3 CaSO4 + 2 RH CaR2 + H2SO4 MgCl2 + 2 RH MgR2 + 2 HCl NaCl + RH NaR + HCl

Tanque 2 desgasificador de cascada H2CO3 CO2 + H2O

Para la separacin del CO2

Tanque 3 con resina de intercambio aninico H2SO4 + 2 R-OH R2 SO4 + 2 H OH

HCl + R-OH RCl + H OH El agua que se obtiene est libre de iones, pero no es agua 100% pura.

(2-10)

(2-11)

(2-12)

(2-13)

(2-14)

(2-15)

(2-16)

Reacciones para la regeneracin de la resina cuando esta se agota.

CaR2 + H2SO4 2 RH + CaSO4

(2R)SO4 + 2NaOH Na2SO4 + 2(ROH)

(2-17)

(2-18)

R-H R-OH

Agua en tratamiento Regeneracin de resina catinica

Regeneracin de resina aninica

Leyenda 1. Tanque intercambiador de cationes 2. Desgasificador

3. Tanque intercambiador de aniones 4. Dosificador

Agua

cruda

1 2 3

H2SO4

4 CO2 4

Agua

desmineralizada

Acido gastado soda gastada

NaOH


30 2015

2.2.3. ESTERILIZACIN.

El proceso de esterilizacin tiene como objetivo la eliminacin de agentes patgenos del

agua. Existen diversos procedimientos y la eleccin est sujeta al uso que tendr el agua tratada.

Entre los mtodos fsicos se menciona al proceso

trmico (hervir el agua por 10 minutos), la

esterilizacin con rayos ultra-violeta (UV) y el

uso de membranas de alta tecnologa. Entre los

mtodos qumicos se mencionan el tratamiento

con cloro y sus compuestos; con agentes

oxidantes como el ozono, el permanganato de

potasio; con agentes de superficie, etc.

2.2.4. TECNOLOGA DE MEMBRANAS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA.

Un problema recurrente en la industria es la separacin de partculas para obtener productos

de mayor pureza, reducir costos operativos, recortar tiempos de proceso, mejorar la calidad de los

productos, mayor calidad, aumentar la productividad, racionalizar el consumo energtico, etc. La

Tecnologa de Membranas tiene como objetivo principal la separacin de sustancias disueltas o

dispersas en medios fluidos o fluidizados. Una membrana es una fase heterognea que acta como

una berrera selectiva al flujo de especies inicas y moleculares presentes en los lquidos y vapores

que se encuentran en contacto con su superficie. Se aplican los conceptos de la fsicas, de la fsico-

qumica y mecnica de fluidos que permitan interactuar en alguna caracterstica(s) de las sustancias

que componen los sistemas (tamao de partcula, difusividad, viscosidad, carga inica, etc.); se han

desarrollado productos que operaran como medios de retencin en las diferentes condiciones

operacionales (presin, temperatura, pH, etc.); por ltimo, se investiga y se desarrolla la tecnologa

para fabricar los equipos y las membranas necesarias para cada actividad. La ventaja comparativa

de la tecnologa de membrana es porque no se requiere la adicin de productos qumicos en el

tratamiento, con un uso relativamente bajo de la energa comparado con los procesos tradicionales

(por ejemplo, la destilacin del agua).

En el tratamiento del agua se aplica tecnologa de membranas para la separacin de

partculas microscpicas (10 -5

a menores). La figura 2 - 9 es un resumen de los procesos de

Desinfeccin con cloro.

La disolucin de gas cloro en agua a 25C y 1 bar de presin es aproximadamente de 7g/L. Cuando el cloro se disuelve en agua, reacciona con esta para formar acido hipocloroso (HOCl):

CI2 + H2O HOCI + H++CI

-

A su vez el acido hipocloroso se disocia parcialmente:

HOCI H+ + CIO- De todas estas especies que se generan por reaccin con agua, slo el ClO

- y HOCl son bactericidas, por lo

que para cualquier tratamiento de desinfeccin es preciso operar a un pH que permita la mxima concentracin de estas especies.


2015 31

separacin de partculas en medios acuosos. En el eje horizontal se representa en escala logartmica

el tamao de partcula, las de mayor tamao a la derecha. En la columna de la izquierda se

representan los factores principales (fsicos, fisicoqumicos) que dan origen a la separacin. En el

cuerpo se representan los diferentes procesos de separacin desde el punto de vista del tamao de

partcula.

En la parte inferior se dan ejemplos de los tamaos relativos de materiales y

microorganismos que pueden estar presentes en el agua.

De la lectura de la figura 2-9 se puede establecer que la microfiltracin y la ultrafiltracin

solo se diferencian por el tamao de partcula que se retienen y la porosidad de la membrana. Entre

la nanofiltracin y la osmosis inversa adems del tamao de partcula que se retienen, se diferencia

el factor de separacin: la nanofiltracin depende de la porosidad (tamao del agujero) de la

membrana y en la osmosis inversa se considera la difusin8 de la partcula en el medio poroso

conocido como membrana semipermeable que son selectivas.

8 Difusin, en fsica, flujo de energa o materia desde una zona de mayor concentracin a otra de menor concentracin, tendente a producir una

distribucin homognea.

Figura 2-9


32 2015

La tecnologa de membranas se desarrolla como un tipo especial de filtracin a condiciones

de presin diferentes a la baromtrica. Osmosis, presin osmtica y membranas semipermeables

son trminos que se mencionan en estudios del siglo XVIII. La investigacin y desarrollo ha

permitido contar con membranas sintticas adecuadas a cada necesidad.

Para el mecanismo de separacin se utilizara la membrana (filtro) como la barrera que

permite la separacin, la membrana tiene una porosidad pre-establecida para impedir el paso de

partculas de tamao mayor a la porosidad. Las partculas que atraviesan la membrana se

denominan Permeado, y todas a las que se le impide el paso forman el Retenido. La alimentacin es

todo el sistema fluido que ingresa al proceso. Para que se produzca la separacin es necesario que

exista una diferencia de presin entre la zona de alimentacin y la zona de permeado, esta

diferencia de presin de denomina presin transmembrana (PTM) y es una variable muy importante

a controlar en los procesos de separacin dado que una mayor PTM hace que los retenidos se

incrusten en la membrana produciendo el ensuciamiento (fouling) reduciendo la eficacia del

proceso.

La ubicacin de la membrana con relacin a la corriente de alimentacin es un factor muy

importante para el diseo de equipos. Cuando la ubicacin de la membrana es normal al flujo del

fluido se produce el retenido de las partculas de mayor tamao pudiendo colmatarse y es necesario

realizar un proceso de limpieza de la membrana a contracorriente o el cambio de la misma. Cuando

se ubica la membrana paralela al flujo se busca que las partculas grandes no se queden retenidas

sobre la membrana (se reduce la colmatacin), el flujo de alimentacin aumentan su concentracin

al retirarse parte del solvente como permeado. Segn diseo, los equipos pueden llevar la

membrana con diferente grado de inclinacin con relacin al flujo para aprovechar otras

caractersticas del material disperso, por ejemplo favorecer la sedimentacin y decantar los mismos.

Alimentacin a reciclo

. > conc.

Permeado

Permeado

Figura 2 -10

Membrana normal o frontal al flujo Membrana tangencial al flujo

Alimentacin Permeado

Retenido membrana

membrana


2015 33

La microfiltracin (MF) utiliza membranas con tamao de poro entre 0,05m y 10m y para

diferencias de presiones de hasta 2 bar. Se utiliza principalm

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