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Texas
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“Retos ambientales: Panorama industrial”
(Tercera Parte)
Monserrat Chairez Llamas
Ingeniería Química
Dr. Pedro Medellín Milán
Dr. Mahmoud M. El-Halwagi
Universidad Autónoma de San
Luis Potosí
Texas A&M University
Process Integration for Environmental Control in Engineering curricula (PIECE)
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PROBLEMA
Consideremos una refinería típica
con una capacidad promedio de
100,000
bbl/day
como
la
presentada en la figura de la
siguiente diapositiva.
En este proceso la fuente
principal de contaminantes como
fenol, amoniaco y sulfuro es la
unidad de cracking catalítico. No
obstante lo anterior, considerables
cantidades
de
estos
componentes, y altos niveles de
BOD y COD se encuentran
también en el agua aceitosa
proveniente de los fraccionadores
en las unidades de destilación.
El agua de desecho producida en las
secciones de proceso antes mencionadas
son llevadas a una unidad de tratamiento
primario (separador API), y la corriente
resultante presenta las características
siguientes:
PARAMETRO
CARGAS Y CANTIDAD DE
DESECHOS (lbs/day)
Agua
16 683 600
BOD5
12 000
COD
38 000
Sólidos suspendidos
3 800
Fenoles
800
Sulfuro
2 600
NH3-N
1 400
Aceite
5 300
Table 3.1: Composición de la corriente de desecho acuosa
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H2S
CO2
LPG y gases
ligeros
Amine
plant
H2S
Butano
Gasolina
Gas plant
NH3
H2S
Naphtha
Fuel Gas
Alquilación
H2
NH3
H2S
Jet Fuel
Treating
Gas
Naphtha
Gas Oils
Gasoline
Catalytic
Reforming
Desulfurización
Destilados medios
Kerosene
NH3, H2S
Cracking
catalítico
Desulfurización
H2
Producción de
Hidrógeno
NH3
H2S
Heating oil
CO2
Amine
Destilación atmosférica
Blending
NH3
H2
Hydrocracking
Gas
Naphtha
Lubricating oil
Destilación
al vacío
Treating
HCN
H2S
Gas
Naphtha
Coking
Grease
Wax
Coke
Industrial Fuel
Asphalt
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El efluente primario es entonces llevado a tratamiento secundario, donde
los niveles de BOD5, COD, aceite y sólidos suspendidos son disminuidos y
pueden ser despreciados para este problema. Generalmente, los
compuestos de azufre son difíciles de remover, por lo tanto no lidiaremos
con su tratamiento y solo consideraremos la composición del afluente
secundario como se muestra en la tabla 3.2:
Compuesto
Flujo (lb/h)
Fracción Masa
Agua
695 150
0.9998682
NH3-N
58.33
0.0000839
Fenol
33.33
0.0000479
Tabla 3.2 Composición del efluente secundario
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La refinería tiene que cumplir con los límites establecidos por el Codigo
Federal de Regulaciones (40 CFR 419.22) indicados abajo:
Contaminante o
propiedad
contaminante
Máximo para 1 día
Promedio de valores
máximos diarios que no
deben excederse para 30
días consecutivos
(kilogramos por 1,000 m3 de alimentación)
BOD5
28.2
15.6
TSS
19.5
12.6
COD
210.0
109
Aceite y grasa
8.4
4.5
Compuestos fenólicos
0.21
0.10
Amoniaco como N
18.8
8.5
Sulfuro
0.18
0.082
Cromo total
0.43
0.25
Cromo hexavalente
0.035
0.016
pH
(\2\)
(\2\)
Tabla 3.3. Límites establecidos por el Código Federal de Regulaciones para una refinería con unidad de cracking
catalítico
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Con el objetivo de alcanzar los requerimientos del CFR, el efluente
secundario será llevado a tratamiento terciario y las opciones
consideradas son:
 Disminuir el contenido de fenol y amoniaco por Steam Stripping
 Remover el fenol presente usando Ósmosis Inversa
Para el último caso, supondremos que no existe amoniaco presente en la
corriente, así que el único contaminante a remover será el fenol:
Compuesto
Flujo (lb/h)
Fracción Másica
Agua
695 150
0.9999521
Fenol
33.33
0.0000479
TOTAL
695 183.33
1
Tabla 3.4 Composición del efluente secundario para el
Osmosis Inversa
caso de Tratamiento por
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PREGUNTAS:
¿Es el nivel de separación logrado con cada uno de estos métodos
terciarios de tratamiento suficientemente bueno para satisfacer los límites
impuestos por el CFR?
¿La concentración buscada podría ser alcanzada al modificar algunas
condiciones de operación? Si es así, ¿como afectarían estas modificaciones los
costos?
De acuerdo a la separación final alcanzada y al análisis de costos, ¿cual es
la tecnología más apropiada para este caso?
¿Qué método recomendarías como tratamiento secundario tomando en
cuenta que los niveles de BOD5, COD, y las cantidades de sólidos suspendidos
y aceite deben ser lo suficientemente bajas para cumplir con las regulaciones
dictadas por el CFR?
¿Alguno de los métodos terciarios propuestos es conveniente para la
remoción adicional de BOD, COD, sólidos suspendidos o aceite?
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Para los cálculos de Ósmosis Inversa, los siguientes datos son requeridos:
INFORMACIÓN GEOMÉTRICA
Longitud de fibra, l: 0.750 m
Longitud de sello de fibra, ls: 0.075 m
Radio externo de fibra, ro: 42 x 10-6 m
Radio interno de fibra, ri: 21 x 10-6 m
Área de la membrana, Sm: 180 m2
DATOS ADICIONALES
Velocidad de flujo máxima por módulo: 0.460 kg/s
Velocidad de flujo mínima por módulo: 0.210 kg/s
Presión máxima de alimentación: 25.58 x 105
Caída de presión por módulo: 0.405 x 105
Permeabilidad del agua pura, A: 1.20 x 10-10
Parámetro de transporte del soluto: 2.43 x 10-4
Mahmoud M. El-Halwagi, Synthesis of Reverse-Osmosis Networks for Waste Reduction, AIChE Journal, August 1992
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Desechos Industriales
Las características de las aguas de desecho industriales, su composición, flujo y volumen difieren
considerablemente entre industrias dependiendo del proceso específico llevado a cabo.
Como se vio en la sección 2.3, el agua de desecho de la
industria de refinación del petróleo y petroquímica contiene
compuestos químicos muy peligrosos como hidrocarburos,
fenoles, sulfuro de hidrógeno, ácido sulfúrico, etc.
Por tanto, el impacto ambiental de estas aguas depende,
además de sus características colectivas como BOD
(biochemical oxygen demand) , COD (chemical oxygen
demand) y sólidos suspendidos (suspended solids, SS), del
contenido específico de compuestos orgánicos e
inorgánicos. Estas sustancias dictarán el método más
apropiado de tratamiento.
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Opciones para controlar el desecho de aguas industriales
El programa de la EPA para el control
de desechos está basado en la siguiente
jerarquía:
Prevención
Reuso
Reciclaje
Recuperación de energía
Tratamiento
Contención
Disposición
El tratamiento de aguas de desecho
puede tomar lugar a diferentes puntos
del proceso.
El agua de desecho puede ser:
• Pretratada para su descarga en las
fuentes municipales de tratamiento.
• Tratada completamente en la planta y
reusada o descargada directamente a
las aguas de recepción.
• Tratada en el punto de generación.
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Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desecho
INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS
QUÍMICO
Oxidación Química
Precipitación Química
Coagulación
Dissolved air flotation
FÍSICO
Adsorción con carbón
Destilación
Filtración
Stripping con vapor
Oxidación
Electroquímica
Oil and grease skimming
Floculación
Separación agua/aceite
Hidrólisis
Sedimentación
Neutralización
Tecnología de
membranas
Extracción con solvente
Intercambio iónico
BIOLÓGICO
Remoción biológica de
nitrógeno
Bioaugmentation
Lodos Activados
Aereación extendida
Procesos anaeróbicos
Rotating biological
contactors
Sequencing batch
reactores y filtros por
goteo
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Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desecho
INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS
QUÍMICO
Oxidación Química
Precipitación Química
Coagulación
Dissolved air flotation
FÍSICO
Adsorción con carbón
Destilación
Filtración
Sttripping con vapor
Oxidación
Electroquímica
Oil and grease skimming
Floculación
Separación agua/aceite
Hidrólisis
Sedimentación
Neutralización
Tecnología de
membranas
Extracción con solvente
Intercambio iónico
BIOLÓGICO
Remoción biológica de
nitrógeno
Bioaugmentation
Lodos Activados
Aereación Extendida
Procesos anaeróbicos
Rotating biological
contactors
Sequencing batch
reactores y filtros por
goteo
Procesos
Físico/químicos si
agentes químicos
tales como agentes
coagulantes son
agregados.
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Corriente de
alimentación de
agua de
desecho
TRATAMIENTO
PREELIMINAR
Proceso de
tratamiento
de aguas de
desecho
TRATAMIENTO
PRIMARIO
TRATAMIENTO
SECUNDARIO
TRATAMIENTO
AVANZADO
Es una combinación
de procesos
químicos, físicos y
biológicos.
Tratamiento
Convencional
A descarga o a
reuso/reciclaje
Tratamiento de
alta calidad
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Corriente de
alimentación
de agua de
desecho
Remoción de gravilla, escombros y
cantidades excesivas de aceites y
grasas.
TRATAMIENTO
PREELIMINAR
Proceso de
tratamiento
de aguas de
desecho
TRATAMIENTO
PRIMARIO
TRATAMIENTO
SECUNDARIO
Planta de pretratamiento de agua de desecho
TRATAMIENTO
AVANZADO
Es una combinación
de procesos
químicos, físicos y
biológicos.
A descarga o a
reuso/reciclaje
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Corriente de
alimentación
de agua de
desecho
TRATAMIENTO
PREELIMINAR
Proceso de
tratamiento
de aguas de
desecho
Remueve cerca del 50 a 70% de SS,
25 a 50% de BOD5 y 65% de aceite
y grasa.
TRATAMIENTO
PRIMARIO
TRATAMIENTO
SECUNDARIO
TRATAMIENTO
AVANZADO
Es una combinación
de procesos
químicos, físicos y
biológicos.
Clarificador
A descarga o a
reuso/reciclaje
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Corriente de
alimentación de
agua de
desecho
TRATAMIENTO
PREELIMINAR
Proceso de
tratamiento
de aguas de
desecho
TRATAMIENTO
PRIMARIO
TRATAMIENTO
SECUNDARIO
TRATAMIENTO
AVANZADO
Es una combinación
de procesos
químicos, físicos y
biológicos.
A descarga o a
reuso/reciclaje
La remoción alcanzada es de hasta
85-95% de BOD y SS y 65% de
COD.
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Corriente de
alimentación
de agua de
desecho
TRATAMIENTO
PREELIMINAR
Proceso de
tratamiento
de aguas de
desecho
TRATAMIENTO
PRIMARIO
TRATAMIENTO
SECUNDARIO
Separación por
membranas
Remoción de :
•Sólidos orgánicos y suspendidos
adicionales.
•Nitrogenous Oxygen Demand (NOD)
•Nutrientes
•Materiales Tóxicos
TRATAMIENTO
AVANZADO
Es una combinación
de procesos
químicos, físicos y
biológicos.
A descarga o a
reuso/reciclaje
También llamado
“Tratamiento
Terciario”
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TRATAMIENTO PREELIMINAR
Objetivo: Separar sustancias que pueden causar problemas
al equipo de purificación de la planta. Sólidos inorgánicos
pesados como arena, grava, metal o vidrio son removidos.
El escombro colectado es usualmente enviado a un relleno
sanitario.
Procesos usados: Principalmente sedimentación y filtración.
Equipo usado: Bar screens, comminutors y grit chambers.
Generalmente el agua de desecho entra primero a una bar
screen para remover sólidos de gran tamaño y entonces
pasa a una grit chamber.
Grit Chamber
TRATAMIENTO PRIMARIO
Objetivo: Remoción de sólidos orgánicos e inorgánicos, aceites y
grasas. También son removidos algunos compuestos orgánicos de
fósforo y nitrógeno, así como metales pesados asociados con sólidos.
Constituyentes coloidales y disueltos no son afectados.
Procesos usados: Sedimentación, flotación y separación agua/aceite.
Equipo usado: Clarificadores y tanques sedimentadores para remover
Clarificador en Main Wastewater
Treatment Plant en Oakland
sólidos suspendidos y separadores API para separación agua/aceite.
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TRATAMIENTO SECUNDARIO
Objetivo: Descomposición de materia orgánica disuelta usando biologically active sludge. Consiste
en el tratamiento biológico del efluente proveniente de tratamiento primario para remover los sólidos
residuales orgánicos, suspendidos, coloidales y disueltos.
Procesos usados: Tres enfoques son usados para lograr el
tratamiento secundario
Sistemas de película fija: Los microorganismos crecen en sustratos
(rocas, plástico, arena) sobre los cuales el agua de desecho es extendida. La
película de microorganismos continua creciendo y se haciéndose gruesa
mientras los nutrientes son absorbidos. Algunos ejemplos son rotating
Tratamiento con RBC
biological contactors (RBC), trickling filters y filtros de arena.
http://www.oleau.fr/
Sistemas de película suspendida: Los microorganismos son suspendidos en el agua de desecho y,
una vez que han absorbido nutrientes, se reproducen y sedimentan como lodo. Una porción de lodo es
llevada nuevamente junto con el agua de desecho de entrada funcionando como microorganismos “semilla”,
mientras que la otra parte es enviada a tratamiento de lodos. Ejemplos de tales sistemas son aereación
extendida, activated sludge, sequential batch reactor systems y oxidation ditch.
Sistemas de Lagunas: Son estanques poco profundos diseñados para contener el
agua de desecho por varios meses mientras es tratada usando una combinación de
procesos químicos, físicos y biológicos. Algunos equipos de aeración pueden ser
adicionados para elevar la eficiencia del sistema. Los tipos mas comunes de lagunas
son:
Lagunas anaeróbicas
Lagunas naturalmente aeróbicas
Lagunas aereadas
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TRATAMIENTO AVANZADO
Definición: Cualquier proceso aplicado después de tratamiento secundario diseñado para producir un
efluente de mayor calidad para proteger las aguas receptoras o para proveer agua reusable para su
posterior reciclaje industrial y/o doméstico. Esta tecnología incluye todas las unidades de operación
no comúnmente encontradas en los tratamientos típicos.
Clasificación de los procesos de tratamiento avanzados:
TRATAMIENTO TERCIARIO
De acuerdo al tipo
de proceso
utilizado
TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO
COMBINADO
BIOLOGICAL-PHYSICAL-CHEMICAL
TREATMENT
“Proceso de
tratamiento en el cual
las unidades de
operación son
añadidas al
tratamiento secundario
convencional.”
“Proceso de
tratamiento en el cual
procesos biológicos y
fisicoquímicos son
entremezclados para
conseguir el efluente
deseado.”
Combinación de
tratamientos
biológicos y
fisicoquímicos.
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TRATAMIENTO AVANZADO
Otra manera de clasificar los métodos avanzados de tratamiento es diferenciándolos de acuerdo a su
objetivo final. Algunos ejemplos se presentan a continuación.
R
E
M
O
C
I
Ó
N
PROCESO
BIOLÓGICO
D
E
N
I
T
R
Ò
G
E
N
O
Consta de dos fases:
 Nitrificación o primera fase: Ocurre en ambiente aeróbico y un
tanque similar al usado en lodos activados es usado para oxidar la
amoniaco a nitrato.
 Segunda fase: Ocurre en un ambiente anóxico (sin oxígeno libre,
i.e., O2) donde los nitratos son denitrificados a nitrógeno molecular
por medio de diferentes géneros de bacteria usando los nitratos
como compuesto oxidante en lugar de oxígeno.
Stripping alcalino con aire
PROCESO
FISICOQUÍMICO
 Intercambio iónico: El agua
de desecho es pasada a través de
una cama porosa de resina
orgánica donde intercambiadores
de iones catiónicos y aniónicos
reaccionan con cationes y aniones
respectivamente para la remoción
o recuperación.
 Breakpoint chlorination
www.mech-chem.com/ about/wyman.html
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TRATAMIENTO AVANZADO
R
E
M
O
C
I
Ó
N
D
E
F
Ó
S
F
O
R
O
La remoción de fósforo se logra al promover que los PAO’s
(phosphorus accumulating organisms) crezcan y consuman
el fósforo usando un tanque anaeróbico localizado frente a
un tanque de aereación de activated sludge.
PROCESO
BIOLÓGICO
Clarificad
or
Efluente
secundario
Ya que estos métodos convierten el
fósforo disuelto en forma de partículas,
es común usar filtros de arena como
etapa final.
PROCESO
QUÍMICO
Reactor
anaeróbico
Reactor
aeróbico
Efluente
limpio de P
Desecho de
activated sludge
con bacteria rica
en P.
Por precipitación química
usando iones metálicos
multivalentes como sales de
hierro o compuestos de
aluminio tales como cloruro
férrico o alum (sulfato de
aluminio).
Tratamiento con Alum en Squibb Lake,
Lawrenceville, NJ
http://www.alliedbiological.com/treatment1.html
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TRATAMIENTO AVANZADO
O
T
R
O
S
M
É
T
O
D
O
S
D
E
T
R
A
T
A
M
I
E
N
T
O
Filtración. Usada para la eliminación adicional de sólidos suspendidos y BOD (Demanda bioquímica
de oxígeno). Estos procesos incluyen filtros de arena, pantanos construidos (artificiales) y filtración por
membranas.
Microstraining.
Método usado para la
remoción adicional de sólidos suspendidos y BOD
asociado. El proceso envuelve el paso del efluente
a través de un tambor rotativo horizontal con una
tela filtrante fija como a pantalla porosa.
Estanques de pulido.
Se emplea para obtener
remoción adicional de
sólidos suspendidos. El
tratamiento puede ser
aeróbico o facultativo
(combinación
de
actividad
biológica
aeróbica y anaeróbica).
Post-aereación. Método usando para
mantener un nivel determinado de
oxígeno disuelto. Esto es logrado por
aeración mecánica, aereación difusa o
aeración en cascada.
Adsorción con carbón activado. Se aplica como
tratamiento avanzado para la remoción de compuestos orgánicos
no biodegradables o como tratamiento secundario al reemplazar
al tratamiento biológico convencional. Algunas moléculas como
metanol, ácido fórmico y azúcares no son removidas por este
método.
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Los ejemplos mas comunes usados en el tratamiento de agua de desecho se presentan en la
siguiente tabla:
CONTAMINANTE
TRATAMIENTO
PRIMARIO
TRATAMIENTO
SECUNDARIO
Screening
Sedimentación
Sedimentación
Coagulación/Sedimentación
Neutralización
Coagulación/Sedimentación
Filtración
Activated Sludge
Trickling Filter
COD
Sedimentación
Coagulación/Sedimentación
Activated Sludge
Trickling Filter
Aceite
Cianuro
Separador de aceite
Flotación
Decomposición con O3
Activated Sludge
Reducción &
Sedimentación
Filtración de Hidróxido
Ph
Sólidos suspendidos
BOD
Cromo
Hierro
Metales pesados
Cloro
Sulfuro
Olor
Color
Filtración de Hidróxido o
sulfuro
Neutralización con álcali o
Tiosulfato
TRATAMIENTO
TERCIARIO
Carbón Activado
Adsorción
Ósmosis Inversa
Carbón Activado
Adsorción
Ósmosis Inversa
Oxidación con CL2 o
O3
Electrodiálisis
Intercambio iónico
Electrodiálisis
Intercambio iónico
Electrodiálisis
Intercambio iónico
Electrodiálisis
Carbón Activado
Adsorción
Activated sludge
Oxidación química
Activated sludge
Oxidación química
Ósmosis Inversa
Activated Carbon
Adsorción
Coagulación/Sedimentación
Carbón Activado
Tabla 3.5: Métodos de tratamiento de aguas de desecho.
http://nett21.gec.jp/CCT_DATA/WATER/INTRODUCTION/html/Water-001.html
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Este
efluente
es
entonces
tratado
en
una
Es común en la mayoría de
Planta típica de Tratamiento
central conocida como
las refinerías colectar todas
de efluentes de una refinería
tratamiento de “fin de
las aguas de desecho y
de petróleo
tubería"
ya
que
combinarlas en una corriente
normalmente
es
única.
implementado
como
última
etapa
del
proceso, antes de que
la corriente sea
Dissolved
Alimentación
Separador
Tanques de
dispuesta o
Air
API
Alimentación
repartida. El
Flotation
tratamiento de fin
de tubería incluye
sistemas
biológicos y
químicos.
Equalization
basin
Recipiente
de
Aereación
Clarificador
Reciclaje
de lodos
Adaptado de “An Integrated Expert
System for Operating a Petroleum
Refinery. Activated Sludge Process”
Weibo Yuan, Michael K. Stenstrom ,
Naci H. Ozgur, David Okrent
Efluente
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
El separador
del Instituto Americano del
de efluentes de una
refinería
Petróleo, (API) es un gran tanque rectangular
de petróleo
que opera bajo el principio de la ley de Strokes,
la cual define la velocidad de ascenso de una
partícula de aceite basado en su densidad y
tamaño.
Alimentación
API
Separator
Equalization
basin
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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El separador del Instituto Americano del
Planta típica dePetróleo,
Tratamiento
(API). Está diseñado para proveer
de efluentes desuficiente
una refinería
tiempo de retención dinámico para
permitir
al
aceite
emulsificado libre aglomerarse y
de petróleo
elevarse a la superficie. Los sólidos se
sedimentan en el fondo del separador o son
llevados a través del mismo con el agua,
dependiendo de su velocidad de sedimentación y
su densidad.
Alimentación
API
Separator
Equalization
basin
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
Texas
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Relativamente ineficiente
Separador API
Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Requiere gran cantidad
de espacio
Acepta una gran
variedad y proporciones
de aceite y sólidos,
incluyendo aceite viscoso,
pegajoso o ceroso.
http://www.monroeenvironmental.com/api_clarifiers.htm
Alimentación
API
Separator
Equalization
basin
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
Texas
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University
Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
Entonces, el
desecho aceitoso
fluye a la sección
de flotación, en la
cual las burbujas de
aire ascendentes se
adhieren a estas
partículas causando
también su
elevación.
Tanques de
Alimentación
La unidad de Dissolved Air
Flotation (DAF) consta de 2
secciones. Primero, en la
cámara de floculación, el
influente es mezclado con
demulsificadores cuagulantes
Recipiente
que causan la aglomeración
Clarifier
de
de pequeñas gotas de aceite
Aereación
y sólidos.
Reciclaje
de lodos
Efluente
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
Finalmente, la
escoria es removida
en la superficie por
un skimmer y el lodo
asentado en el fondo
es desplazado por
gravedad o bombeo.
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
http://www.hydroflotech.com/site_map.htm
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Equalization Basin
SonAPI
tanques o estanques alineados.Feed
De acuerdo
al Departamento de Ambiente Tanks
y Recursos
Separator
Naturales de Dakota del Sur, las equalization
basins tienen dos objetivos:
Recipiente
de
Aereación
www.baycodws.org/_about/process.html
Equalization
basin
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
“El objetivo secundario es
disminuir la fuerza de los
de efluentes de una refinería
constituyentes del agua de
de petróleodesecho
al mezclar el agua
El objetivo primario es
disminuir las variaciones
Raw
causadas
por la entradaAPI
e
Feed
Separator
infiltración
y las variaciones
de flujo, para alcanzar un
caudal casi constante en el
proceso de tratamiento
corriente abajo.
Equalization
basin
de desecho en la
equalization basin para
mantener un grado fiable
de control operacional.
Feed
Tanks
Dissolved
Air
Flotation
Genesee County ARTP
Equalization Basin
Recipiente
de
Aereación
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
El proceso de Activated Sludge Process es uno de los
procesos de tratamiento secundario mas comunes. Este
proceso usa bacterias Saprophytic para remover sólidos
suspendidos y BOD disuleto.
De acuerdo al Manual de Prácticas # 9 de Activated Sludge
(Water Environment Association, 1987), el proceso de
activated sludge consta de cinco equipos esenciales
interrelacionados:
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
1. Un tanque de aeración en el cual aire u
oxígeno es introducido al sistema para crear un
ambiente aeróbico. Existen cuando menos siete
modificaciones en forma y número de tanques
para producir variaciones en el patrón de flujo.
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
2.
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Una fuente de aereación, que puede ser de
oxígeno puro, aire comprimido o por
aereación mecánica.
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
Fotografía de un
difusor usado
para suministrar
el aire necesitado
por los
microorganismos.
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
3. Clarificadores.
Los
sólidos
provenientes
del proceso
de
Activated sludge son separados del
agua de desecho por floculación y
sedimentación
gravitacional.
Entonces
los
lodos
espesos
resultantes (RAS) se dirigen a los
fondos, mientras que en la porción
superior del clarificador seDissolved
forma
Feed
Air
una mezcla de agua de desecho
Tanks
Flotation
con bajos niveles de sólidos
de
activated-sludge en suspensión.
Recipiente
de
Aereación
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
4. Los RAS de los clarificadores
secundarios es bombeado de
regreso al tanque de aereación, para
asegurar el recubrimiento de los
microorganismos.
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
Texas
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Planta típica de Tratamiento
de efluentes de una refinería
de petróleo
Alimentación
Separador
API
Equalization
basin
5.
Tanques de
Alimentación
Recipiente
de
Aereación
Finalmente, los lodos de activated
sludge conteniendo superpoblación
de microorganismos deben ser
removidos o desechados del sistema.
Dissolved
Air
Flotation
Clarificador Efluente
Reciclaje
de lodos
Lodos a
desecho
Activated Sludge Process
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A&M
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Técnicas de separación de Membranas
Las técnicas de separación de membranas
(Membrane separation, MS) han experimentado
gran crecimiento en los años recientes y son
ampliamente aplicadas en la industria en
nuestros días ya que están orientadas a cumplir
con las siguientes necesidades:
• Demanda de productos de mayor calidad.
• Presiones regulatorias en aumento.
• El elevado interés en preservar los recursos
naturales.
• Sustentabilidad ambiental y económica.
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APLICACIÓN
De entre sus muchas fortalezas, algunas de las razones para el
incremento en la aplicación de los procesos de separación de
membranas son:
•
•
•
•
•
•
•
Ahorro de energía apreciable: bajo consumo de energía porque
estos sistemas operan a temperatura cercana a la ambiente.
Tecnología limpia con facilidad operacional.
Diseño compacto y modular (usando menos espacio que los
voluminosos equipos y métodos tradicionales).
Producen productos de alta calidad debido a la gran selectividad de
las membranas.
Permite la recuperación de subproductos vendibles de las
corrientes de desecho, lo que incrementa su rentabilidad.
Gran flexibilidad en el diseño de sistemas.
Fácil incorporación a plantas industriales ya existentes.
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Técnicas de separación de membranas
•
El objetivo básico de los procesos de separación de membranas es la permeación selectiva de una o más
especies a través de la membrana, logrando así la separación.
Retenido
Alimentación
Membrana
bomba
Permeado
Representación esquemática de una unidad de separación de membrana.
•
•
•
De acuerdo a la IUPAC, una membrana es una “estructura que tiene dimensiones laterales mucho más grandes
que su grosor, a través de la cual puede ocurrir transferencia de masa bajo una variedad de fuerzas impulsoras”.
Ya que las membranas no permiten el flujo de líquido, el transporte a través de las mismas es por:
 Sorción: Se refiere a la adsorción o a la absorción de las partículas en la membrana.
 Difusión: El movimiento de partículas desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración.
Para que ocurra difusión, la membrana debe ser permeable a las moléculas.
La permeabilidad describe la velocidad de transporte de las partículas a través de la membrana.
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“Las técnicas de separación de membranas
pueden ser aplicadas en diferentes secciones
del proceso”.
Sección Up-stream
process
Sección In-course
process
Sección Down-stream
process
subproducto
Feed stream 1
PROCESO
residuos
Producto Final
Feed stream 2
Subproducto a venta
Preparación del
fluido
•
Regeneración del fluido,
producción.
Purificación, producción recuperación,
revalorización del efluente.
Los procesos de separación de membranas pueden diferir uno de otro en el
tipo y configuración de la membrana, el mecanismo de transporte para
varios componentes de las soluciones y, la naturaleza de la fuerza impulsora
del proceso.
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Definiciones Comunes
Antes de continuar con la separación por membranas e introducir la técnica de
ósmosis Inversa (Reverse Osmosis, RO), la comprensión de las siguientes definiciones
es necesaria.
a)
Retenido: Corriente retenida en el lado de alta presión de la
membrana.
b)
Permeado: Corriente retenida en el lado de baja presión de la
membrana.
c)
Flujo Osmótico (Osmotic Flow ,OF): La creciente diferencia de
potencial químico debida a la diferencia en concentraciones de los
solutos en las soluciones, resulta en la permeación del portador
(usualmente agua), a través de la membrana. Este proceso ocurre del
lado de alto potencial químico (baja concentración), al lado de bajo
potencial (alta concentración).
d)
Presión osmótica (P): La presión necesaria para detener el proceso
de ósmosis. Es la presión hidrostática que debe ser aplicada al lado de
alta concentración de soluto de una membrana ideal semipermeable
rígida con el objetivo de detener el transporte de solvente a través de la
membrana.
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En el caso de soluciones diluidas, la presión osmótica puede predecirse con
la ecuación de Van’t Hoff:
  CRT
Donde C es la concentración molar del soluto, R es la constante
universal de los gases y T es la temperatura absoluta.
f) Membrane packing density: Define el área efectiva de la membrana
instalada por volumen de módulo y es el principal indicador para el grado de
pretratamiento necesario para los diferentes módulos con la finalidad de
lograr la operación segura y libre de problemas del sistema.
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Membranas
La separación máxima alcanzada en los procesos de membranas depende de la
permeabilidad de la membrana por los componentes de la solución alimentada.
Una membrana permeable permite el paso de todas las sustancias disueltas en el
solvente.
Una Membrana semipermeable es capaz de transportar diferentes especies
moleculares a diferentes velocidades bajo condiciones idénticas. La membrana
semipermeable ideal en los procesos de membranas es aquella que es permeable
solo al solvente, pero impermeable a todos los solutos.
Los procesos de separación de membranas dependen fuertemente de la
naturaleza química de los materiales con que las membranas están fabricadas y de
la estructura física de las mismas.
Las siguientes son algunas características deseables en
las membranas:
 Buena permeabilidad
 Alta selectividad
 Estabilidad mecánica
 Estabilidad térmica
 Habilidad para soportar grandes diferencias de presión a
través de la membrana
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CLASIFICACIÓN
DE MEMBRANAS
MEMBRANA
ORIGEN
MATERIAL
Biológico
Sintético
Líquido
Sólido
Orgánico
Inorgánico
MORFOLOGÍA/
ESTRUCTURA
No-poroso
Poroso
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CLASIFICACIÓN
DE MEMBRANAS
Discriminación de
acuerdo a las afinidades
químicas entre los
componentes y los
ORIGEN
materiales de la
membrana.
MATERIAL
Discriminación de acuerdo
al tamaño de partícula o
molécula. El mecanismo en
el que se MEMBRANA
basa la
separación es tamizado o
filtración. Un gradiente en
presión hidráulica actúa
como fuerza impulsora.
Sintético
Líquido
Biológico
Sólido
Orgánico
Inorgánico
MORFOLOGÍA/
ESTRUCTURA
No-poroso
Poroso
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CLASIFICACIÓN
DE MEMBRANAS
ORIGEN
MATERIAL
Sintético
Líquido
El transporte de masa a través de estas
membranas es descrito por el “modelo de
solución-difusión” como sigue:
Sorción de un componente fuera de la
MEMBRANA
mezcla de alimentación y solución en el
material de la membrana.
Transporte a través de la membrana a
lo largo de un gradiente de potencial.
Biológico
Desorción al otro lado de
la membrana.
Sólido
Orgánico
Inorgánico
MORFOLOGÍA/
ESTRUCTURA
No-poroso
Poroso
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CLASIFICACIÓN
DE MEMBRANAS
SIMÉTRICA
(HOMOGÉNEA)
Construida de un solo material, por esta razón la
membrana es uniforme en densidad y estructura
de poro a través de la sección transversal.
Skinned type: consiste de una densa capa
usada como barrera filtrante primaria y, una
gruesa y más porosa subestructura que sirve
como soporte.
De acuerdo a
la estructura
física
(“trans-wall
symmetry”)
Esta cualidad describe
el nivel de uniformidad
a través de la sección
transversal de la
membrana.
ASIMÉTRICA
Pueden ser homogéneas o heterogéneas y son
caracterizadas por un cambio de densidad en el
material de la membrana a través de la sección
transversal de la misma.
Graded density type: La estructura porosa
decrece gradualmente en densidad desde el
lado de alimentación hasta el lado del filtrado
de la membrana.
COMPOSITE
(HETEROGÉNEA)
Constituidas por diferentes (heterogénea) materiales,
las membranas tienen una delgada pero densa capa
que sirve como barrera filtrante. Pero, a diferencia de
las skinned membranes, está hecha de diferente
material que la subestructura porosa sobre la cual está
soportado.
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RENDIMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LAS MEMBRANAS
El rendimiento de una membrana depende de:
Las características de la membrana
La solución de alimentación a ser tratada
Las condiciones de operación
Los siguientes son algunos parámetros usados para medir el rendimiento de
las membranas:
Mide la cantidad de la
alimentación que es
recuperada como
permeado.
Factor de
Recuperación
Re covery 
Qpermeate
QFeed
100
Donde Qpermeate y QFeed son la velocidad de flujo del permeado y de la alimentación,
respectivamente.
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Retención o
rechazo
Medida de la fracción de
soluto que es retenida por
la membrana.
(CFeed  CPermeate )
R
100
CFeed
Donde CFeed es la concentración de una especie particular en la alimentación y Cpermeate es
la concentración de la misma especie en la corriente purificada.
Porcentaje de soluto que
no es retenido por la
membrana.
Transmisión
T
C permeate
CFeed
100
or
T  100  R
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Factor de
Descontaminació
n
CFeed
DF 
CPermeate
Factor de
Concentración
Útil para evaluar el
rendimiento de procesos
de tratamiento de
desechos.
Medida del grado de
incremento en la
concentración de un
componente.
CF 
CRe tentate
C Feed
Altos valores de CF’s son deseables pero están limitados porque se traducen en
presiones osmóticas altas (RO, NF) o formación de torta (MF, UF), lo cual lleva a un
incremento en costos.
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El rendimiento de las membranas puede verse afectada por los siguientes
fenómenos:
Compresión de Membrana (Membrane compaction): Es la disminución de
la permeabilidad de la membrana causada por la compresión de la estructura de
la membrana bajo la presión transmembrana.
Concentración polarización: Es caracterizada por la acumulación de especies
retenidas en la superficie de la membrana. Como consecuencia, la superficie de
la membrana es sujeta a una concentración de alimentación que es mayor que
la concentración del grueso de la corriente alimentada lo cual lleva al desarrollo
de presiones osmóticas elevadas en ósmosis inversa y nanofiltración. El grosor
de esta capa puede ser controlado parcialmente modificando la velocidad y
turbulencia del líquido bombeado durante la operación de flujo cruzado (crossflow).
Disminuye el flujo y la retención e incrementa el potencial de fouling
por crecimiento
precipitación.
Es perjudicial
porque:
Aunque este fenómeno es
reversible, el fouling que causa
puede no serlo.
bacterial
o
reacciones
químicas
como
la
Provoca estancamiento y la formación irreversible de bound cake en
microfiltración.
En ultrafiltración, causa elevación de la presión osmótica y posible
formación de gel.
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Fouling: Es la deposición de partículas submicrométricas (menores a 1 μm) en
la superficie de la membrana y/o sus poros. Esto ocurre cuando los sólidos
rechazados no son transportados nuevamente al bulk de la corriente desde de la
superficie de la membrana.
En general, existen cuatro tipos principales de fouling:
Sólidos disueltos
Sólidos suspendidos
Orgánicos No-biológicos
Organismos biológicos
Generalmente, los
diferentes tipos de
fouling ocurren
simultáneamente.
Comparación de membrana limpia y con fouling.
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Fuerzas impulsoras para el Transporte
•
En general, cuatro diferentes fuerzas impulsoras son posibles en el
transporte a través de membranas:
FUERZA IMPULSORA
•
EFECTO PRIMARIO
Presión
Flujo de solvente
Concentración
Flujo de soluto
Potencial Eléctrico
Flujo de corriente eléctrica
Temperatura
Flujo de energía térmica
Cada una de las fuerzas impulsoras tiene una influencia en los otros
flujos, adicional a su efecto primario. Por ejemplo, un gradiente de
presión puede causar un flujo de corriente, llamado the streaming
current, además del flujo de solvente.
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De acuerdo a las fuerzas impulsoras para el transporte, los procesos
de membranas pueden clasificarse como sigue:
Gradiente de Presión (P):
Gradiente de Potencial Eléctrico (E):

Ósmosis Inversa

Electrodiálisis

Ultrafiltración

Electrólisis de membrana

Microfiltración

Electrosorción

Nanofiltración

Electrofiltración

Permeación de vapor

Intercambio iónico electroquímico

Permeación de Gas

Pervaporación
Gradiente de Concentración (C):
Gradiente de Temperatura (T):

Destilación con membranas

Thermo-osmosis

Diálisis

Extracción por membrana

Membrana líquida soportada (SLM)
Procesos con fuerzas impulsoras
combinadas:

Emulsion liquid membrane (ELM)

Electro-osmofiltración (P + E)

Non-dispersive solvent extraction with
hollow fiber contactors.

Concentración Electro-osmótica (E + C)

Separación de gases (P + C)

Piezodiálisis (P + C)
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Ejemplos de aplicaciones y procesos de separación competentes con su respectivo
proceso de separación de membrana.
Aplicaciones
Procesos
Alternativos
Microfiltración
Separación de células y bacterias de las
soluciones
Sedimentación,
Centrifugación
Ultrafiltración
Separación de proteínas y virus, concentración
de emulsiones “aceite en agua” (oil-in-water
emulsions).
Centrifugación
Nanofiltración
Separación de colorantes y azúcares,
ablandamiento de agua.
Destilación,
Evaporación
Desalinización de agua de mar y agua salobre,
proceso de purificación de agua
Destilación,
Evaporación,
Diálisis
Purificación de sangre (riñón artificial)
Osmosis Inversa
Electrodiálisis
Separación de electrolitos de no-electrolitos
Cristalización,
Precipitación
Pervaporación
Deshidratación de etanol y solventes orgánicos
Destilación
Recuperación de hidrógeno de corrientes
gaseosas procesadas, deshidratación y
separación de aire
Absorción,
Adsorción,
Condensación
Purificación y desalinización de agua
Destilación
Proceso
Ósmosis Inversa
Diálisis
Permeación de gas
Destilación con
membranas
Tabla 3.6: Procesos de Separación y sus aplicaciones.
Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th edition, pages 22-37 to 22-69.
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Procesos de Membranas conducidos por
Presión
 Los procesos conducidos por presión son tecnologías maduras con un
gran número de aplicaciones exitosas en el tratamiento de corrientes
acuosas y de desecho industriales.
 Su gran flexibilidad para la configuración de los procesos puede
optimizar su rendimiento.
 Son apropiados para la integración de sistemas con etapas de
tratamiento convencionales.
Texas
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La siguiente tabla muestra los procesos más usados de membranas conducidos
por presión (Pressure Driven, PD) y los valores típicos de operación de los
mismos:
PROCESO
Procesos PD
basados
primariamente
en el tamaño
de la especie
a separar.
TAMAÑO
DE PORO
FLUJO
(L/m2 h)
PRESIÓN
(psi)
MF
0.1 to 2 mm
100 – 1000
15 - 60
UF
0.005 to 0.1
mm
30 – 300
10 – 100
20 – 150
40 – 200 psig
(90 típicamente)
10 - 35
200 – 300
NF
0.0005 to
0.005 mm
RO
< 0.5 nm
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Pressure Driven Membrane Processes
Features of Pressure-Driven Membrane Systems for Environmental Applications. REF
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Los Procesos PD de membranas son especialmente útiles cuando un amplio rango de contaminantes
posibles variando en el espectro de remoción entero deben ser removidos. Por ejemplo, la separación de
macro partículas de especies iónicas.
Presión
(bar)
Retenido
(concentrado)
Ósmosis Inversa 30-60
(RO)
Tamaño de Poro
de Membrana
(mm)
10-4-10-3
FEED
Nanofiltración
(NF)
20-40
10-3-10-2
Ultrafiltración
(UF)
1-10
10-2-10-1
Permeado
(filtrado)
Sólidos suspendidos
Bacterias
Virus
Iones Multivalentes
Iones Monovalentes
Agua
Microfiltración
(MF)
<1
10-1-10 1
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Existen varios tipos de flujos usados en separaciones por membrana.
Los siguientes son algunos de ellos:
R
F
R
F
M
P
M
S
(a) co-current flow
(paralelo)
P
R
(b) Flujo completamente
mezclado
F
M
S
P
(a) Flujo a contra corriente
R
F
F
M
P
(d) Flujo cruzado
M = Membrana
F = Alimentación
P = Permeado
R = Retenido
S = Corriente de barrido
M
P
(e) Dead-end flow
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En los procesos conducidos por presión la separación se logra ya sea por flujo tipo
dead-end o flujo cruzado:
Flujo
tipo
Dead-end: El
flujo de alimentación es
perpendicular a la membrana y la única salida para el fluido es a
través de la membrana. En esta configuración el flujo bombardea
la superficie de la membrana. No es un modo muy recomendado
porque las partículas acumuladas en la superficie de la membrana
pueden causar caídas de presión significativas debido al
taponamiento o contaminación de la misma.
Flujo
cruzado: En este modo la corriente de
alimentación fluye paralela a la membrana y el fluido corriente
abajo se mueve lejos de la misma en la dirección normal a la
superficie de la membrana. Esta configuración reduce la
acumulación de material en las membranas barriéndolo lejos de
la superficie.
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Tipos de Ósmosis
Existen dos tipos de procesos
osmóticos como se muestra en la
figura:
• Ósmosis Directa (DO): Usa baja
presión. El solvente pasa a través de
la membrana debido a la diferencia
de concentración de soluto en los
dos lados. El equilibrio se alcanza
cuando suficiente agua se ha
transportado
para
igualar
la
concentración de soluto en los dos
lados de la membrana.
• Ósmosis inversa (RO): Usa alta
presión, mayor que la OP. así, el
portador
es
permeado
preferentemente, mientras que el
retenido
contiene
el
soluto
rechazado
(contaminante).
Entonces, la membrana divide el
agua de los contaminantes. El
objetivo principal es purificar agua y
no diluir los contaminantes.
ÓSMOSIS
El solvente atraviesa De el lado de baja
la membrana hacia el concentración de
lado de la solución. soluto hacia el de
Solvente
puro
Solución
alta
concentración.
Presión
osmótica
Membrana

EQUILIBRIO
El flujo de solvente se
detiene.
DP > 
ÓSMOSIS
INVERSA
El flujo es revertido
cuando la DP aplicada
es mayor que .
De alta
concentración de
soluto a baja
concentración.
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ÓSMOSIS INVERSA
En Ósmosis Inversa una bomba es usada para elevar la presión y la alimentación es
distribuida entre un número, n, de módulos. El retenido es colectado para su posterior
tratamiento, disposición o venta. El permeado es recuperado y constituye la corriente
limpia.
Retenido
Alimentación
Permeado
La
Ósmosis
Inversa
puede ser usada en una
legión de aplicaciones.
Algunas de ellas son:
desalinización de agua
de mar, tratamiento de
suero
de
queso,
soluciones de acabado
de metales, efluentes de
plantas de blanqueado y
teñido
y
agua
de
desecho de las plantas
de tratamiento de aguas
residuales.
Ósmosis Inversa
Efluente de
la planta de
blanqueado
ultrafiltración
Azúcares
5%(w/v)
Lignosulfonados
30% (w/v)
evaporación
Lignosulfonados
60% (w/v)
Ósmosis
inversa
Azúcares
20%(w/v)
evaporación
azúcares
60%(w/v)
Ósmosis Inversa para agua de desecho proveniente de la
industria del papel.
Agua
para
reuso
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MEMBRANAS Y MÓDULOS
PARA ÓSMOSIS INVERSA
HOLLOW
FIBER
De acuerdo
a su forma
geométrica,
las
membranas
pueden
clasificarse
en:
Hollow Fiber
module
Spiral wound
module
FLAT SHEET
Plate and Frame
module
TUBULAR
Tubular
module
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Spiral-Wound Module: Consiste en dos
membranas
semipermeables
colocadas
espalda con espalda y separadas por una tela
que funciona como portador de permeado y
que está diseñada para minimizar la caída de
presión del mismo. Tres bordes de la
membrana están sellados con adhesivo,
mientras que el cuarto está pegado a un tubo
central perforado. Cuando el paquete es
enrollado, las capas de membrana son
separadas por una malla que no solo
promueve la turbulencia y mejora la
transferencia de masa, sino que también
reduce la concentración polarización. El
elemento de spiral-wound está inserto dentro
de un recipiente presurizado o cubierta. Así, la
solución de alimentación presurizada fluye
axialmente dentro de solo una cara del
cilindro. El permeado pasa a través de la
membrana y bajo el portador de permeado y
dentro del tubo central perforado, de donde
es colectado y removido. El retenido fluye
hacia afuera por el otro lado del spiral
module.
www.mtrinc.com/ Pages/FAQ/faqs.html
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Módulo Tubular: Cada membrana es
sostenida en un tubo poroso. En la práctica,
la corriente alimentada circula a través de
tubos en serie o paralelo. La solución
permeada pasa a través de la membrana, a
través del tubo y cae finalmente dentro de un
receptáculo para su futura remoción.
Módulo Tubular
Plate and Frame Module:
Consiste
en
membranas
circulares selladas por ambos
lados a un plato rígido
(construido de plástico, fibra
de vidrio porosa o papel
poroso reforzado), el cual
actúa como soporte mecánico
y como portador de permeado.
Estas
unidades
están
colocadas en un recipiente
presurizado para su uso. Cada
plato en el recipiente se
encuentra a baja presión, así
que el permeado pasa a través
de la membrana y es colectado
en el medio poroso.
Texas
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Hollow Fiber Module (HFRO):
Consiste en una carcaza o coraza que
alberga un gran número de fibras
huecas. Las fibras de membrana
están agrupadas en un haz,
espaciadas ligeramente alrededor de
un tubo central distribuidor de la
alimentación. Un extremo de la fibra
está sellado y el otro se encuentra
abierto a la atmósfera. Este haz es
insertado
en
un
contenedor
presurizado para su uso.
Durante la operación, la alimentación
presurizada es introducida a través
del tubo distribuidor, el cual pasa
alrededor del lado externo de las
fibras hacia el perímetro de la coraza.
El permeado penetra a través de la
pared de la fibra hacia el lado hueco
y es removido por el extremo abierto
de la misma.
Texas
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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MÓDULOS DE MEMBRANAS
VENTAJAS
SPIRAL-WOUND
•
•
•
•
HOLLOW FIBER
•
•
•
•
TUBULAR
•
•
•
PLATE AND
FRAME
•
•
DESVENTAJAS
Bajo costo de manufactura.
Relativamente fácil de limpiar por
métodos hidráulicos y químicos.
Tiene un amplio rango de aplicaciones
Alta packing density.
•
Costo de manufactura relativamente
bajo.
Compacto.
Alta packing density.
Modestos requerimientos de energía.
•
Puede ser operado en aguas
extremadamente turbias.
Relativamente fácil de limpiar por
métodos mecánicos o hidráulicos.
Puede procesar gran cantidad de
sólidos suspendidos alimentados con
pretratamiento mínimo.
•
•
Costo capital alto.
Relativamente alto volumen requerido
por unidad de área de membrana.
Superficie de membrana moderada.
Equipo bien desarrollado.
•
•
Costosa operación a gran escala.
Susceptible a taponamiento por partículas
en los puntos de estancamiento.
Potencialmente difícil de limpiar.
•
•
•
•
•
No puede ser usado en aguas de
alimentación extremadamente túrbidas sin
pasar por un pretratamiento extensivo.
Susceptible a taponamiento por partículas.
Extremadamente susceptible a fouling
debido al espaciamiento tan pequeño
entre las fibras.
Difícil de limpiar.
Requiere pretratamiento extensivo.
Limitado rango de aplicaciones.
Texas
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Cálculos para RO
•
•
Al modelar una unidad de RO, debemos considerar los siguientes
aspectos:
* Transporte de Membrana: Describe el fenómeno que se
lleva a cabo en la superficie de la membrana (permeación
de agua, etc.).
* Modelo Hidrodinámico: Describe el transporte macroscópico,
el momento y la energía de las especies.
El modelo de 2 dimensiones (Two-D model), explicado por el Dr.
El-Halwagi es usado para el cálculo de RO en esta sección. El
método captura los flujos radial y axial en el modelo HFRO.
El objetivo de los cálculos en RO es conocer lo siguiente:
a) Flujo de soluto, Nsolute
b) Velocidad de flujo del permeado, y
c) Flujo de agua, Nwater
d) Concentración de permeado
Texas
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Esquema de un módulo HFRO
Fibra hueca
típica
2ro
Tubo
alimentador
2ri
Anillo aislante
2RS
alimentación
Permeado
2Rf
Rechazado
L
•
LS
Adoptado de “Pollution Prevention Through Process Integration Systematic Design Tools,” by
Dr.El-Halwagi, fig 11.3, page 266.
Texas
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Mezcla Agua/Fenol
•
•
Como sabemos, para una mezcla líquido-líquido, RO es una buena
elección. El rango de presión de la alimentación es de 10 a 70 atm con
una membrana porosa a no-porosa
Las ecuaciones usadas para los cálculos son las siguientes:
1)
Balance de materia global:
qF  qP  qR
donde qF ,qR ,qP son velocidades de flujo volumétrico de la por módulo
de alimentación, permeado y retenido respectivamente.
2)
La velocidad de flujo volumétrico por módulo es dada por:
qF 
QF
n
Donde ‘QF’ es la velocidad de flujo volumétrico total de la alimentación y ‘n’ es
el número de módulos.
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3) Balance de materia del soluto:
q FCF  q P CP  q R CR
donde, CF, CP y CR son las concentraciones de soluto en la
alimentación, el permeado y el retenido respectivamente.
4) Flujo de agua:
N water
Donde,


F
 A DP 
CS 
CF


DP = Diferencia de presión,
F = OP de la alimentación,
CF = Concentración de soluto en la alimentación
CS = Concentración de soluto promedio en el lado de la shel, y
A = Permeabilidad del solvente
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4a) Y ‘ ‘ está dada por:

1

16Amro LLS
1.0133x105 ri
4
Donde,

tanh 

1
2
 16Amro
 L

  
5 2 
 1.0133x10 ri  ri
y
4b) Del mismo modo, la diferencia de presión a través de la membrana es:
DP 
o
PF  PR
 PP
2
donde PF ,PR ,PP son la presión de la alimentación, el retenido y el
permeado.
4c) La concentración de soluto en la coraza es calculada como sigue:
CS 
CF  CR
2
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5) Flujo de soluto
Nsolute = parámetro de transporte de soluto * CS
D 
N solute   2 M CS
 K 
6) Velocidad de flujo del permeado:
qP  Sm N water
donde, Sm es el área superficial del hollow fiber por módulo.
7) Concentración de Permeado:
CP 
N solute
N water
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• Si consideramos que la mayoría del soluto está contenido en el retenido,
la ecuación 3) puede ser simplificada como sigue:
Valida para membranas con
alto nivel de retención,
cuando
qF CF  (qF  qP )CR
qPCP  qF CF
• Al combinar estas ecuaciones con la ecuación 4), obtenemos lo siguiente:




qF CF  qF  S m ADP  F
2



Así,
Sm A
F
2CF



 CR
1 
 CF
CR 2  qF  Sm A DP 

 

 CR
 

F  
 CR  qF CF  0
2  
Esta última ecuación es una ecuación cuadrática que puede resolverse para
CR. Una vez hecho esto podemos calcular las ecuaciones 4) a 7) para obtener
la concentración final del permeado. Si esta concentración no satisface la
concentración objetivo, nuevos valores para parámetros como n, PF o
diferentes configuraciones para el sistema deben ser propuestas.
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ANÁLISIS DE COSTOS
TAC = Costo total Anualizado (Annualized fixed cost) de los módulos +
Costo fijo anualizado de la bomba
Costo fijo anualizado de las bombas ($/año)=
0.0157[flujo por la bomba (kg/s)* diferencia de presión a través de la bomba
(N/m2)]0.79
1,440
$
módulo  año
Costo fijo anualizado de los módulos de RO (incluyendo el costo anualizado de instalación,
el reemplazo de membranas, mano de obra y mantenimiento)=
1,140
$
módulo  año
Costo de energía eléctrica= 0.06 $/kW hr
La eficiencia mecánica de bombas y turbinas fue considerada como de 65%
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RESULTADOS DE LOS CÁLCULOS DE HFRO
Al efectuar los cálculos de HRFO podemos obtener muchas soluciones diferentes para este problema
dependiendo de la configuración de los módulos y el análisis de costos. El siguiente diagrama muestra una
solución, donde la composición objetivo no es alcanzada.
P
QF=29.2kg/s
CF=47.9 ppm
n max= 63
R
Alimentación
QF=29.2kg/s
CF=47.9 ppm
QF=25.17kg/s
CR=55.62 ppm
P
QF=29.2kg/s
CF=47.9 ppm
n max= 63
R
P
QF=29.2kg/s
CF=47.9 ppm
n max= 63
R
QP=4.03kg/s
CP=35.99 ppm
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RESULTADOS DE LOS CÁLCULOS DE HFRO
El siguiente diagrama muestra otra solución a nuestro problema, en esta solución la composición objetivo es
más baja pero como en el caso anterior, no se alcanza la composición objetivo.
Se probaron muchas configuraciones y con ninguna de ellas se obtuvieron resultados satisfactorios puesto que
la composición del permeado no era la deseada.
P
QF=29.2kg/s
CF=47.9 ppm
n max= 63
Alimentación
QF=87.59kg/s
CF=47.95ppm
R
QP=4.03kg/s
CP=35.99 ppm
QF=25.17kg/s
CR=55.62 ppm
P
P
QF=1.7kg/s
CR=27.05 ppm
QF=12.08kg/s
CR=35.99 ppm
R
R
QR=10.38kg/s
CR=41.88 ppm
P
R
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OBSERVACIONES Y
RECOMENDACIONES PARA LOS
CÁLCULOS DE RO
Las ecuaciones anteriores asumen que la operación de las membranas es
independiente del tiempo, esto significa que los efectos de la reducción en la
permeabilidad no son considerados.
La corriente de permeado debe cumplir dos requerimientos:
1) La velocidad de flujo del permeado no debe ser menor que un valor dado:
QP  QP
min
2) La concentración de los componentes indeseables en el permeado no debe
exceder un cierto límite generalmente establecido por las regulaciones
ambientales.
max
CP  CP
La velocidad de flujo por módulo se encuentra limitada típicamente por
restricciones de los fabricantes:
qF
min
 qF  qF
max
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PP es típicamente atmosférmica.
Es recomendable mantener una presión de alimentación de baja a moderada para evitar
incremento en los costos.
También con la finalidad de reducir el TAC, el número de módulos debe ser mínimo y
para que esto suceda, el flujo por módulo debe ser máximo.
En algunos casos es útil recuperar energía del retenido (solo cuando el valor de la
energía recuperada es mayor que el costo de recuperarla), para hacerlo es necesario
alimentar esta corriente a una turbina. En aquellos casos el costo fijo anualizado de las
turbinas debe agregarse al TAC:
Costo fijo anualizado de las turbinas ($/yr)=
0.4182[velocidad de flujo a través de la turbina (kg/s)* diferencia de presión a través
de la turbina (N/m2)] 0.47
Feed
QF
CF
PF
QR
CR
PR
QP
CR
PP
Permeate
Reject
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STEAM STRIPPING
(STRIPPING CON VAPOR)
¿Por qué Steam Stripping?
El contenido de Amoniaco y fenol es
alto y los cianidos, que son aniones de
amoniaco, provocan que algunos de los
tratamientos biológicos que involucran
nitrificación/denitrificación sean poco
2
económicos .
2 R. Marr and M. Koucar, Recovery of ammonia from industrial wastewater. Int. Chem. Eng. 33 3 (1993), p. 416
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Steam Stripping
•
Una corriente de agua de desecho es puesta en contacto
con vapor en una torre empacada o de platos. Los
efectos combinados del vapor y el calor causan que los
contaminantes (fenoles y amoniaco) se transfieran del
líquido a la fase vapor. Los contaminantes son removidos
con el vapor. El contacto continua hacia abajo de la
torre, empobreciendo el agua de desecho en el material
orgánico mientras que la fase vapor se vuelve más rica
en contaminantes al viajar hacia la parte superior de la
torre.
El agua de desecho es alimentada en la parte superior de la torre. El vapor
inyectado en el fondo de la torre provee el calor requerido y el flujo de vapor.
Como fondos se obtiene agua limpia mientras que las cabezas dejan la parte
superior totalmente cargadas de material orgánico. Esta combinación
vapor/orgánicos es condensada y procesada después. La principal
característica del steam stripping es que una corriente contaminada y el
vapor son inyectados en una torre lo que resulta en agua limpia como
producto final.
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Aspen RADFRAC
•
•
El proceso de steam stripping
culmina para dar una corriente
de agua limpia con trazas de
amoniaco y fenol (corriente 2).
La corriente 4 contiene altos
niveles de fenol y amoniaco
junto con cerca de 25% de la
cantidad de agua total en la
corriente 1. En la corriente 3 no
se obtienen productos puesto
que este condensador tiene una
fracción de destilación de cero.
La característica RADFRAC de
Aspen usada para la simulación
del proceso de separación es
mostrada en la figura de la
derecha.
3
B1
4
1
2
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Steam Stripping con Aspen
• La simulación en Aspen fue
usada para el proceso de
steam
stripping.
La
configuración para el montaje
esta dada en la tabla 1.1.
• La temperatura usada es de
200oF, cercana al punto de
ebullición del agua y la
presión es de 14.7 psia, casi la
presión atmosférica.
Especificaciones de operación
para steam stripping usando Aspen
RADFRAC
Número de etapas
30
Condensador
Parcial-V-L
Reboiler
Kettle
Fases válidas
V-L
Temperatura
200 °F
Presión
14.7 psia
Razón destiladoalimentación (moles)
0.25
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RESULTADOS
•
Resultados de la simulación del steam stripping para agua-fenolamoniaco
Usando el setup mostrado en la figura
1.1 y corriendo la simulación en
Aspen se obtuvieron los resultados
mostrados en la tabla a la derecha.
•
Corriente
1:
Alimentación
695241.67 lb/hr
total
•
Corriente 2: Agua = 521413.62 lb/hr
(Trazas de ammonia y fenol).
•
Corriente 3: Condensador a cero, no
condensación.
=
•
Corriente 4: Agua = 173828.1 lb/hr
•
La corriente 2 contiene principalmente
agua y una concentración de fenol de
0.117 ppm, cumpliendo con los
límites establecidos por el CFR,
mientras que la separación aguafenol-ammonia en la corriente 4
puede llevarse a cabo posteriormente
usando otros procesos de separación.
CORRIENTE
1
2
Temperatura F
200
242.852757
224.3543
Presión psi
14.7
26.25
19
0
0
0
Flujo molar lbmol/hr
38590.468
28942.851
0
9647.617
Flujo másico lb/hr
695241.667
521413.615
0
173828.1
Flujo volumétrico
cuft/hr
12041.2574
9285.34888
0
3058.365
Entalpía
-4656.0827
-3468.6932
58.3333333
6.59E-35
0
58.33333
AGUA
695150
521413.554
0
173736.4
FENOL
33.3333333
0.06111993
0
33.27221
8.39E-05
1.26E-35
0.000336
AGUA
0.99986815
0.99999988
0.999473
FENOL
4.79E-05
1.17E-07
0.000191
Fracción de vapor
MMBtu/hr
3
4
-1159.33
Flujo másico lb/hr
AMONIACO
Fracción másica
AMONIACO
0.117 ppm
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Conclusiones
•
•
•
•
La técnica de separación más adecuada de acuerdo al grado de
separación alcanzado y al análisis de costos fue steam stripping. El
fenol es un compuesto pobremente retenido por las membranas usadas
en ósmosis inversa así que el costo de aplicar esta técnica no es
justificado.
No obstante lo anterior, las técnicas de separación por membranas son
una buena opción ya que permiten alcanzar altos niveles de pureza, lo
cual puede ser más barato a largo plazo.
Algunas técnicas de membranas pueden combinarse con métodos
convencionales para el tratamiento de efluentes contaminados
(procesos híbridos).
Métodos convencionales de tratamiento como destilación y adsorción y
técnicas de membranas no estudiadas en este apartado como son
pervaporación o membrane–based solvent extraction pueden ser
usados para la remoción de fenol y ammonia. Kujawski y colaboradores
estudiaron varias ténicas de separación con este propóstito (Removal of
phenol from wastwater by different separation techniques).