SISTEMAS DE REGENERACIÓN EN CONTRACORRIENTE

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SISTEMAS DE REGENERACIÓN EN CONTRACORRIENTE

Ing. Ricardo E. Pauer (*) (1990)

Si bien las ventajas de los sistemas de intercambio iónico que emplean sistemas deregeneración en contracorriente son conocidas desde hace mucho tiempo, durante añoslo más común ha sido la utilización de los sistemas tradicionales con regeneracióncocorriente. Esto se debió a la persistencia de algunos problemas mecánicos e hidráulicosasociados a la regeneración en contracorriente, que recién en los últimos años (1980's)han sido resueltos en forma simple. Hoy en día, excepto algún caso particular muyespecial, ya no se concibe la posibilidad de usar los sistemas tradicionales deregeneración cocorriente.

La diferencia entre ambos sistemas está en el hecho de que en los sistemas cocorrientetanto el agua a tratar como el regenerante pasan a través del manto de resina en la mismadirección (hacia abajo). En cambio en los sistemas contracorriente, el agua a tratar pasaen una dirección y el regenerante lo hace en la dirección opuesta. No interesa cuál vahacia arriba o hacia abajo, sino que ambos van en direcciones opuestas.

Independientemente de lo anterior, siempre es necesario mantener el manto de resinasen condiciones compactas, tanto durante la regeneración como en la carrera de servicio.El manto compacto asegura un contacto mejor entre la resina y el líquido, lo que facilita ypromueve el intercambio de iones. Esto se traduce en una fuga menor y una eficienciamayor de la regeneración. Esto último implica un consumo menor de reactivos.

Durante años, la única forma conocida y practicable de mantener el lecho compacto erapasando tanto el agua como el regenerante hacia abajo (cocorriente). Si alguno de los dosflujos, por lo general el regenerante por ser el caudal más bajo, se pasaba hacia arriba, elmanto se expandía. En estas condiciones, si bien el contacto entre el grano de resina y ellíquido era inmejorable, existía un espacio relativamente grande entre grano y grano pordonde el regenerante se deslizaba sin reaccionar. La cantidad de regenerante que eranecesario utilizar para lograr la regeneración de la resina resultaba tan grande que elsistema fue abandonado en sus comienzos por ineficiente. De ahí la popularización delsistema cocorriente tradicional donde ambos flujos pasan de arriba hacia abajo, lo quesumado a la gravedad, mantienen compacto el lecho de resina.

Las ventajas, al menos teóricas entonces, de la regeneración en contracorriente eran sinembargo conocidas. Hoy en día, la adopción de este sistema en columnas de intercambioiónico permite que no solamente se obtengan con facilidad los valores de fuga sódica y desílice requeridos por los sistemas modernos de calderas utilizados en la actualidad, sinoque también se haga compatible simultáneamente un bajo consumo de reactivos.

El principio de usar flujos en contracorriente se extiende ampliamente a otros campos. Uncaso típico se aplica a intercambiadores de calor. La transferencia calórica más eficiente

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AGUA

tiene lugar si los flujos se pasan contracorriente. En este caso el fluido que se estáenfriando y sale del intercambiador intercambia calor con el agua de enfriamiento queingresa a su menor temperatura. Esto crea una mayor diferencia de temperatura (mayorfuerza impulsora) entre los dos flujos en el punto en que el fluido caliente abandona elequipo, cuando se la compara con los mismos flujos operando cocorriente.

La regeneración en contracorriente básicamente consiste en el pasaje de la soluciónregenerante en sentido contrario al del agua a tratar. Por lo tanto existen dosposibilidades: agua a tratar hacia abajo y regenerante hacia arriba, o bien agua a tratarhacia arriba y regenerante hacia abajo. La figura 1 muestra esquemáticamente estoscasos.

Figura 1Caso A - Caso B

Cocorriente en Contracorriente Servicio en servicio

Cocorriente en ContracorrienteRegeneración Regeneración

AGUA

AGUA

REGENERANTE

REGENERANTE

REGENERANTE

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Se describirá a continuación el principio de operación para la regeneración de resinacatiónica, siendo los fundamentos aplicables también a la regeneración de resinaaniónica. Se describe el caso A de la fig. 1

Debido a que la acumulación y concentración de cationes en la resina se produce dearriba hacia abajo, según el sentido normal del flujo, si pasamos la solución regeneranteen el mismo sentido, se hacen desplazar los cationes retenidos a toda masa de resina yespecialmente a las partes inferiores del lecho.

Consiguientemente, cuando entra en funcionamiento la columna luego del enjuague, laposibilidad de fuga se incrementa por encontrarnos con cationes aún retenidos en laszonas medias e inferiores.

Con la regeneración en contracorriente, como su nombre lo indica, la inyección delregenerante es efectuada a la inversa del flujo normal de operación. Es decir, la soluciónpara la regeneración atraviesa primeramente las capas menos contaminadas de resina,para luego actuar en forma ascendente en las zonas de mayor concentración catiónica yeliminar éstos por la parte superior.

Este procedimiento hace que la solución regenerante llegue "fresca" a las zonas mássaturadas de resina y paralelamente evita que la solución rica en sales pase por todo elmanto, obteniéndose una baja fuga con un bajo consumo de reactivos.

En un sistema convencional, es decir de regeneración en cocorriente, las situaciones queocurren durante el proceso de regeneración y agotamiento se esquematizan en la figura 2.

Figura 2Ciclo de agotamiento

2-a 2-b 2-c

En el diagrama 2-a se representa la resina totalmente regenerada en forma Hidrógeno, H.

AGUA AGUA

H

A

H

A

H

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Con A se indican los cationes presentes en el agua y que son retenidos por la resina (CA;Mg; Na; etc.).

Sobre el diagrama 2-b de la figura 2 se ha representado la concentración de los iones A y Hen la resina en función de la altura del lecho, a mitad de carrera. Se constata que la partesuperior del manto de resina está saturada en A,.la parte media contiene efectivamenteuna mezcla de iones A y H, y la parte inferior prácticamente solo H.

El diagrama 2-b corresponde a la carrera de producción cuando aún no se ha producidouna fuga sódica significativa. En cambio, el diagrama 2-c representa el punto deagotamiento de la resina, cuando la fuga sódica se incrementa.

En el curso de la regeneración en cocorriente, figura 3, es decir de arriba hacia abajo, seinyecta en la parte superior del lecho de resina una solución concentrada de H quemodifica totalmente el equilibrio resina-solución en esas condiciones.

El diagrama 3-a, igual al 2-c, representa el estado de la resina a ser regenerada.

Figura 3Regeneración cocorriente

Regenerante Regenerante

A 3-a 3-b 3-c

Un nuevo equilibrio se produce en el curso del cual los iones A son expulsados de la resinaa nivel de la capa superior y transportados, por el flujo de solución regenerante, hasta ellugar de la columna donde la fracción iónica de los iones A se hace inferior a 1; los iones Ase oponen a los iones H intercambiables y pueden pues volverse a fijar en las capasinferiores del lecho de resina. Esto se traduce por una salida de iones H al cabo de laprimera fase de la regeneración.

Es entonces evidente que, en la medida que se desee regenerar "totalmente" la resina,será necesario permutar dos veces una cantidad de iones correspondientes a la superficieintegrada de la zona H del diagrama.

A

H H

AH

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Por otra parte, si la dosis de reactivo regenerante no es muy alta (se trata de un equilibrioy sería necesario teóricamente una cantidad infinita de regenerante para eluir todos losiones A) no se eliminará totalmente a los iones A durante la regeneración y quedarán enlas capas inferiores del lecho de resina.En consecuencia, en un nuevo ciclo de fijación esos iones A sufrirán unaautorregeneración provocada por los iones H desplazados de las capas superiores y elagua tratada será de mediocre calidad.

Esta fuga iónica durante la primera parte del ciclo de fijación se atribuye con frecuencia,erróneamente, a un enjuague defectuoso de la resina de intercambio iónico.

A fin de mejorar el rendimiento de la regeneración es lógico prever una inyección de losreactivos en sentido inverso al del ciclo de fijación.

La figura 4 representa la situación de la resina durante la regeneración en contra-corriente.

El diagrama 4-a nuevamente representa la resina agotada. El 4-b la resina durante laregeneración y el 4-c la resina regenerada.

Figura 4Regeneración contracorriente

A

Regenerante Regenerante 4-a 4-b 4-c

En este caso la solución de iones H concentrados atraviesa primeramente las capas deresina poco cargadas de iones A y las capas inferiores son netamente sobre-regeneradas;además en razón de la concentración creciente de iones A medida que el regeneranteasciende en el lecho de resinas, la refijación de los iones A eluidos no puede producirse.

A

H H H

A

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Es , pues, evidente que la regeneración se efectúa de esta manera en condiciones muchomás reversibles que a cocorriente, lo que termodinámicamente hablando corresponde aun mejor rendimiento.

Cuando la regeneración es contracorriente es muy importante que el fondo del lechoquede libre de sodio. Luego, cualquier agua que se pase desde el fondo debe estar libre desodio. Esto significa que el agua de dilución de ácido, el agua de desplazamiento y la deenjuague contracorriente deber ser ya decationizada o desmineralizada.

Por otro lado, resulta evidente que un contralavado mezclará completamente la resina,destruyendo la capa inferior de "resina sobrerregenerada". Después de un contralavado senecesitará una regeneración doble o triple para restablecer la capa inferior.

La figura 5 muestra en forma algo diferente lo mismo que las figuras 2 a 4, pero aplicadoal caso de pasaje del agua a tratar hacia arriba y del regenerante hacia abajo.

Figura 5-ADistribucíon de iones en el manto de resinaOPERACIÓN EN CONTRACORRIENTE

A1 Regeneración completa

A2 Situación de la resina al agotarse el ciclo de servicio

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A3 Situación de la resina luego del contrlavado

A4 Situación de la resina luego de una regeneración normal

Figura 5-BDistribución de iones en el manto de resinaOPERACIÓN EN CONTRACORRIENTE

B1 Regeneración completa

B2 Situación de la resina al agotarse el ciclo de servicio

B3 Situación de la resina luego de una regeneración normal

B4 Situación de la resina al iniciarse el nuevo ciclo de servicio

Ventajas de la regeneración en contracorriente

A partir de los aspectos generales expuestos se pueden prever las siguientes ventajassignificativas de la regeneración a contracorriente.

a) Los iones eluidos en el curso de la regeneración no tienen la posibilidad de fijarsenuevamente en la resina, se regenera entonces únicamente la capacidad útil delintercambiador de iones, en tanto que en regeneración a cocorriente se debe tomar encuenta la capacidad total. Esta diferencia debe traducirse (y se traduce efectivamente) en

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un mayor rendimiento en la utilización de los reactivos en regeneración a contracorriente,y consecuentemente un menor consumo de reactivos.

b) Las capas en la zona de salida, es decir las menos cargadas de iones, reciben unimportante exceso de reactivo exento de iones a eliminar; en consecuencia, el nivel deregeneración de estas capas es particularmente alto y permite obtener, en el curso delciclo de fijación, una calidad de agua netamente superior a aquella que resulta de unaregeneración a co-corriente.

c) Simultáneamente con el menor consumo de reactivos, también se verifica unanecesidad menor de enjuague, con el consiguiente ahorro de agua de servicio.

d) El menor consumo de regenerantes y agua de enjuagues se traduce en un volumensustancialmente menor de efluentes a ser considerados. Adicionalmente, los efluentestienden a ser auto neutralizantes, con lo que el consumo adicional de reactivos con estepropósito es mínimo, o directamente nulo.

Resumiendo, la regeneración en contracorriente permite obtener un agua tratada demucho mejor calidad con un costo operativo menor. Adicionalmente, las mismas razonesque permiten obtener una calidad superior, con mayor independencia de la composiciónde entrada, también permiten utilizar velocidades mayores de pasajes, lo que lleva aequipos de menor diámetro, más económicos y que ocupan menos espacio.

Las figuras 6 y 7 muestran las diferencias de calidad que pueden obtenerse con losdistintos sistemas.

Figura 6Calidades que se obtienen normalmente con distintos sistemas

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Figura 7Efecto del nivel de regeneración sobre la fuga sódica en ambos sistemas

Procedimientos de regeneración en contra-corriente

Al regenerar una resina es necesario mantener el lecho del intercambio perfectamentecompactado. En la mayoría de los procedimientos, la regeneración en contra-corrienteconsistía en aplicar una corriente ascendente de regenerante de densidad parecida aaquella de la resina.

El lecho del intercambiador de iones tiene entonces tendencia a expandirse, lo que setraduce en dos inconvenientes importantes:

- Perturbación de las capas de resina que impiden respetar las curvas de saturación.

- Insuficiente contacto entre resina y regenerante que implica un cortocircuito de reactivo.

El objetivo principal de las investigaciones tecnológicas relativas al desarrollo de sistemasde regeneración en contracorriente ha tenido por objeto controlar la expansión del lecho deresina y lograr una distribución del reactivo lo más homogénea posible.

Los diferentes procedimientos desarrollados se pueden agrupar en cuatro categorías,según fueron apareciendo en el mercado:

a) Bloqueo por agua.

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b) Bloqueo por aire.

c) Lecho fluidizado.

d) Bloqueo mecánico.

Bloqueo por agua

Este sistema es el más antiguo, y si bien subsisten hoy plantas operando con estesistema, ya no se considera práctica su utilización.

La figura 8 muestra la operación bajo este sistema. El pasaje del agua a tratar es haciaabajo, y el regenerante circula hacia arriba. Para evitar la expansión de la resina seintroduce un caudal de agua por la parte superior del recipiente, que circula hacia abajo.Ambas corrientes salen por un colector intermedio ubicado a unos 20 cm. dentro de laresina. El flujo de agua descendente en la parte superior impide la expansión del manto deresina. En distintos diseños, este flujo podía ser agua o ácido diluido. La resina que quedasobre el colector podía ser inerte, o siendo resina normal no considerarse en el cálculopues resulta pobremente regenerada.

Figura 8CONTRACORRIENTE CON BLOQUEO POR AGUA

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El problema de este sistema ocurre por que los dos flujos son de la misma densidad yviscosidad, lo que dificulta mantener el manto realmente compactado. Para lograrlo, elflujo superior tendría que ser muy alto, lo que implica un consumo grande de agua y ungran volumen de efluentes. Con valores medios, solución de compromiso, se lograrondiseños aceptables, que permitían obtener en forma práctica fugas sódicas del orden deun tercio a un cuarto de las que se obtienen con regeneración a cocorriente.

Otro problema serio lo constituyen los colectores ubicados dentro de la resina, quedurante los contralavados se veían sometidos a grandes esfuerzos que a menudoprovocaban su rotura.

Bloqueo por aire

Con este sistema el colector de regenerante se ubica entre diez y veinte cm. por debajo deltope de la resina. La capa de resina por encima del colector se considera inerte puesto queel ácido no pasa por la misma. La resina inerte sirve para distribuir el aire y mantenerinmóvil a la resina activa. La regeneración se efectúa como sigue:

Después de agotada la resina se hace un contralavado de la parte superior por medio delcolector de regenerantes. Se abre la válvula de entrada de aire y se procede luego alvaciado parcial de la parte superior del intercambiador hasta el nivel del colectorsumergido en la resina.

Una vez finalizado el vaciado parcial, la capa superior de la resina se escurre y constituyeuna cubierta que se opone a la expansión de la resina ubicada abajo. Se puede entoncesaplicar la corriente ascendente de regenerante sin riesgo de fluidización de la resina. Lasolución regenerante después de haber atravesado la capa de resina, es tomada a la alturade las ranuras del colector. Simultáneamente una proporción variable de aire atraviesa lacapa escurrida.

El efluente de regeneración queda constituido entonces por una emulsión de agua y deaire.

Las otras fases de la regeneración son:- Desplazamiento del reactivo regenerante de abajo hacia arriba.- Enjuague a caudal nominal de arriba hacia abajo.

Gracias al procedimiento del bloqueo por aire se pueden esperar velocidades deregeneración imposibles de intentar con el bloqueo por agua:

- 4 a 5 m/h . Para las regeneraciones clorhídricas y con soda.

- Hasta 12 m/h en regeneración sulfúrica.

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El esquema es similar al del bloqueo por agua, por lo que la figura 8 también es aplicable aeste sistema, y la figura 9 es aplicable al bloqueo por agua.

Este sistema empieza a utilizarse en los años 70, siendo superado rápidamente por otrosmétodos, por lo que no existen muchas plantas operando con este sistema. (En Argentinase llegó al menos a construir una en la Destilería de La Isaura, en Bahía Blanca).

Figura 9Contracorriente con bloqueo de aire

Sistema con lecho fluidizo

Este sistema, más conocido por su nombre original, "Schwebebett", fue desarrollado enAlemania y promocionado por Bayer a partir de fines de los años 70. Ver la figura 10. Laresina ocupa gran parte del recipiente, pero no lo llena. Se regenera hacia abajo, y el aguaa tratar circula hacia arriba.

Se requiere una velocidad de pasaje relativamente alta. La resina es levantada por el flujode agua, y una parte queda presionada sobre la parte superior del recipiente (placa contoberas o strainers), mientras que el resto permanece fluidizada (aproximadamente 25 al70 %). La parte fluidizada termina reaccionando totalmente, mientras que el mantocompactado contra la parte superior produce el pulido del intercambio iónico y es elresponsable de la calidad del agua a obtener.

El sistema introduce la simplicidad de no tener colectores intermedios, y un cuadro deválvulas más simple. La contrapartida de este sistema es que requiere un caudal deoperación constante. En cuanto el caudal baja, la resina se descompacta y se mueve, conlo que se hace necesario regenerarlo nuevamente.

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Una mejora del sistema, indicada en la figura 11, consistió un sistema o bomba derecirculación que asegura el caudal a través del manto independientemente de laoperación.

Para lavar la resina es necesario sacarla del recipiente y transportarla a otro recipientedonde se contralava.

Estos sistemas se aproximan a los de bloqueo mecánico.

Figura 10Lecho flotante “SCHWEBEBETT”

Sistemas con bloqueo mecánico

En estos sistemas, como su nombre lo indica, la resina llena la totalidad del recipiente, demodo que resulta "mecánicamente" compactada.

-Sistema Bayer (liftbett)

El bloqueo mecánico se inicia como un perfeccionamiento del "Schwebebett" y sedesarrolla a partir de comienzos de los años 80.

Uno de los primeros sistemas fue el "Liftbett" de Bayer. Consiste en un recipiente con doscámaras para la resina. Las placas llevan toberas o strainers para evitar el paso de la

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resina. Una conexión con válvula esférica permite conectar eventualmente ambascámaras. Ver figura 12.

La cámara superior está totalmente llena de resina, mientras que la inferior lo estáparcialmente. El agua a tratar circula hacia arriba.

El sistema opera en forma similar al "Schwebebett", sólo que la parte compactada esmantenida así por las placas con independencia del caudal.

Figura 11Lecho fluidizado con recirculación parcial

Figura 12“LIFT BETT”

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La parte derecha de la figura muestra la operación (Beladung) y la regeneración(Regeneration).

El sistema incorpora la posibilidad de contralavado (Ruckspülen) in situ de la resina. Secontralava la parte inferior, y luego a través de la válvula que comunica ambas cámaras sepasa parte de la resina contenida en la cámara superior a la inferior, y se contralavaentonces la parte superior. Luego se repite el pasaje de la resina en sentido inverso.

El contralavado es una operación eventual que requiere luego una doble regeneración.

Aparte de la resina de intercambio, este proceso, igual que el Schwebebett, requiere unacapa de resina inerte (IN 42 en la figura) que protege los strainers de los finos que sepueden producir en la resina.

En el caso de utilizarse un sistema de intercambio iónico de doble etapa (resina débil-resina fuerte), donde la resina débil es normalmente regenerada con el efluente de laregeneración de la resina fuerte, este sistema permite agregarla en una cámara inferiordel recipiente (fig. 13). Nótese que la resina fuerte (stark) está siempre contenida en doscámaras, de modo de mantener siempre compactada la parte superior. En cambio con laresina débil (schwach) esto no es necesario ya que es una resina muy eficiente parareaccionar, y la calidad del agua obtenida depende sólo de la resina fuerte.

Nótese también que se ahorran los cabezales, el cuadro de válvulas y las cañerías delsegundo recipiente, con el consiguiente abaratamiento del equipo y disminución delespacio requerido en la planta.

El inconveniente de este sistema radica en que al hacerse el contralavado de la resinacatiónica débil, que Bayer establece cada regeneración (no así para la resina fuerte, y porlo tanto no se requiere mayor consumo de reactivos), la parte superior del recipiente sevacía. El problema se presenta cuando el tanque es nuevamente llenado, y sobre todo ensistemas automáticos donde al abrirse la válvula correspondiente y estar el tanque llenode aire, el caudal resulta alto y el pistón de resina que se forma puede llegar a romper laplaca superior del compartimiento. Esto a pasado en YPF (Luján de Cuyo) donde trescationes resultaron rotos por este problema. En la actualidad YPF exige que, de utilizarseeste sistema, la resina débil está contenida en un recipiente totalmente aparte, lo queencarece el sistema.

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Figura 13LIFT BETT con resinas fuertes y débiles

Sistema Amberpack

Las razones que inicialmente retardaron el desarrollo de los sistemas con cierre mecánicoeran más bien preconceptos o ataduras mentales. Estos preconceptos eran básicamentetres:

a) La resina se expande y contrae con la regeneración y el agotamiento. Por lo tanto no esposible llenar el tanque pues estallaría y/o se rompería la resina.

b) Los finos que se producen obligan a un lavado medianamente frecuente de la resina.

c) La suciedad contenida en el agua hace que sea necesario contralavar al menos la zonade entrada, previo a cada regeneración.

La experiencia demostró que las resinas fuertes sólo se expanden y contraen en no másde un 5 a un 7 %, y son solamente éstas las que necesitan estar compactadas. Además,

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los granos de resina presentan una cierta "compresibilidad", lo que provoca una mayorpérdida de carga si están muy compactados, pero bajo ningún concepto el tanque puederomperse, ni la rotura de resina se incrementa sensiblemente.

Esto ya fue tenido en cuenta en el diseño "Liftbett" de Bayer.No obstante perduran losotros dos preconceptos. Para evitar el taponamiento de los strainers con finos se utilizauna capa de una resina inerte que protege los strainers; para evitar el problema de lasuciedad se contralava el sector inferior cada regeneración.

Luego se llegó a la conclusión de que con un buen pretratamiento (clarificación yfiltración ), que es hoy común en cualquier industria, el problema del ensuciamiento de laresina no es tal, y solo se requiere un contralavado de las resinas cada dos o tres meses.(Con Idreco se construyeron dos plantas (1987) con cierre mecánico, de diseño propio, enla planta de Renault, en Córdoba, que lleva más de dos años operando sin lavar lasresinas).

Finalmente, Rohm and Haas demostró con sus resinas Amberpack, que produciéndolascon una granulometría más controlada, con un mayor coeficiente de uniformidad, seevitaba la necesidad de utilizar la resina inerte, y no se incrementaba la producción definos.

En este sistema la resina fuerte está compactada (Contenida) dentro del recipiente entredos placas planas provistas de toberas o strainers. Si es necesario lavar la resina, cosamuy poco frecuente, se la saca a una tolva externa ad-hoc donde se contralava y luego sevuelve a introducir. La transferencia de la resina es simple y no requiere equipamientoespecial. De los tanques se traslada a la tolva por la propia presión del agua, y de la tolvase la pasa a los tanques con un eductor.

La patente "Amberpack" incluye detalles tales como una modalidad operativa para sacarparte de la resina, lavarla y volverla a colocar en el tanque durante la regeneración, sinpérdida de tiempo adicional.

La realidad es que esto resulta una sofisticación tal vez innecesaria en la práctica.

Durante los años 1985 y 1986 YPF licitó dos plantas de desmineralización, una paraLuján de Cuyo y otra para La Plata. La primera fue adjudicada a la firma Itargén, contecnología Bayer, y la segunda a las firma Idreco, con tecnología Amberpack. Ambas fueronconstruidas durante los años 1987 y 1988.

El resultado ha sido tan ampliamente favorable al sistema Amberpack, que en la últimalicitación encarada por YPF (para Campo Durán), en Septiembre de 1990, de las sietepropuestas presentadas, seis utilizaban la tecnología Amberpack.

Es notable la simplicidad del sistema. Cuando se observa un P&I puede verse que un trencon resinas catiónicas débil - catiónicas fuertes - aniónica débil y aniónica fuerte tiene

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sólo diez válvulas. Con los diseños convencionales este tren no tendría menos de treintaválvulas y cuatro tanques.

Esto implica no sólo un equipamiento sustancialmente menor sino también una mayorsimplicidad en la automatización, todo lo cual contribuye a un menor costo y una mayorconfiabilidad.

La figura 14 muestra un P&I típico de un tren Amberpack.

Figura 14Diagrama típico de un tren Amberpack