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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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
3.2.1. Propiedades generales y usos ................................................................................................................. 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
3.3.1. Propiedades generales y usos ................................................................................................................. 55
3.3.2. Mtodos industriales de obtencin ......................................................................................................... 56
3.3.3. Mtodo de craqueo con arco elctrico ................................................................................................... 57
3.4. Anhidrido carbonico .................................................................................................................................. 58
3.4.1. Propiedades generales y usos ................................................................................................................. 58
3.4.2. Mtodos industriales de obtencin ......................................................................................................... 59
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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..
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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)
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
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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)
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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)
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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.
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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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
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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
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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
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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