software para el diseno de sistemas de ultrafiltracion / software for ultrafiltration systems design

Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002

PREDISEÑO DE PLANTAS DE ULTRAFILTRACIÓN


DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROGRAMA

OBJETIVO El programa permite llevar a cabo el diseño y evaluación económica de procesos de membrana de Ultrafiltración y Microfiltración a escala industrial.

CARACTERÍSTICAS GENERALES • Incorporación de una Base de Datos dinámica, que el usuario

puede utilizar de forma interactiva. • Posibilidad de caracterización del flujo de permeado del sistema

mediante el ajuste de datos experimentales obtenidos a escala de laboratorio ó planta piloto, para su posterior aplicación de cara al diseño del proceso industrial.

• El programa permite ensayar diferentes configuraciones de procesos discontinuos (Batch), ó continuos (Feed-and-Bleed), utilizando para ello módulos industriales reales recogidos en la base de datos y, asimismo, permite hallar la configuración óptima desde el punto de vista económico.

• Con la configuración seleccionada, el programa permite llevar a cabo el prediseño de la planta industrial, calculando tanques de almacenamiento, sistema de calefacción y sistemas de impulsión así como realizar la evaluación económica del proceso.


BASE DE DATOS

PROCESOS MODELIZADOS En esta sección de la base de datos se recogen las condiciones de

operación y los parámetros del modelo de flujo obtenidos para diferentes sistemas estudiados en trabajos de investigación llevados a cabo en el Departamento de Ingeniería Química.

• Sistemas Polarizados

• Sistemas Gelificados

• Sistemas No Polarizados

MÓDULOS INDUSTRIALES

En esta sección se recogen las características de diversos módulos industriales. Durante la configuración del proceso se realizará la selección del módulo más adecuado y el programa realizará los cálculos de acuerdo a las características de dicho módulo.


CASO PRÁCTICO

OBJETIVO

Minimizar los costes de gestión de los residuos generados por la empresa PROMECK S.L., mediante el estudio de la alternativa de un proceso de membrana que permita la reutilización de los efluentes generados en el proceso.

En este caso práctico nos centraremos en el tratamiento del efluente de fundición, para el cual las especificaciones indican que se debe concentrar hasta un 40% en peso.

DESCRIPCIÓN

La empresa PROMECK S.L., dedicada a la fundición y mecanizado de metales, genera dos efluentes líquidos procedentes de diferentes procesos de producción.

En ambos casos se trata de una emulsión aceite/agua en la que el contenido en aceite es aproximadamente un 5% del peso total.

Debido a su naturaleza y composición, estos efluentes se consideran residuos peligrosos, ya que presentan cualidades ecotóxicas, por lo que deben ser tratados previamente a su vertido.

Por este motivo,la empresa PROMECK S.L., se ve actualmente en la necesidad de recurrir a una empresa gestora de residuos autorizada (SAFETY KLEEN).


EFLUENTE DE FUNDICIÓN

Generación de efluente de la planta de fundición

Residuos generados 2800 Tm/año

Agua (5%) 2660 Tm/año

Aceites (95%) 140 Tm/año

Parámetros de caracterización del efluente

Parámetro Valor

Densidad (Kg/m3) 1100

Viscosidad (Kg/m/s) [T=25º C] 0,003


EXPERIMENTOS EN LABORATORIO

Características de la membrana utilizada

Diámetro externo (mm) 10

Diámetro interno (mm) 6 Longitud (mm) 400

Área de membrana (m2) 0,008

Condiciones óptimas de operación

Presión (Pa) 3·105

Temperatura (ºC) 25

Velocidad Tangencial (m/s) 1

Factor de Escala

(Semejanza Geométrica)

Factores de Escala

(Semejanza Dinámica)


RESULTADOS EXPERIMENTALES

Tiempo (horas) J (m/s) Cb (% peso)

0 3,00·10-5 4,6

1 2,50·10-5 9,3

2 2,08·10-5 10,9

3 1,76·10-5 15,3

4 1,38·10-5 19,2

5 1,11·10-5 23,7

6 9,16·10-6 29,5

7 7,27·10-6 35,7

8 6,67·10-6 40,1

• Resultados obtenidos durante la experimentación a escala de laboratorio


MÓDULOS INDUSTRIALES

• Módulos industriales recogidos en la base de datos adecuados para el diseño del proceso industrial

Fabricante CARBOSEP KERASEP KERASEP KERASEP KERASEP

Modelo SC-7 K01 B-X K07 B-X K19 B-X K37 B-X

Membranas por módulo 7 1 7 19 37

Canales por membrana 1 7 7 7 7

Diámetro de canal (mm) 6 6 6 6 6

Área del módulo (m2) 0,168 0,155 1,08 2,95 5,73

Longitud del módulo (m) 1,2 1,178 1,178 1,178 1,178


AJUSTE DE DATOS EXPERIMENTALES

Valores obtenidos para los parámetros del modelo de flujo tras el ajuste

k (m/s) 1,155·10-5

Cg (% peso) 67,331

Se realiza el ajuste de los datos experimentales al modelo de la capa de gel:

b

g

CC

kJ ln


CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “BATCH”

• Formulario con los datos de partida y resultados iniciales

Área Teórica =5,066 m2

Los resultados iniciales son comunes a todas las configuraciones, ya que en todas ellas se concentra la emulsión desde un 5% hasta un 40% en peso.

Por ello nos fijaremos en el Área Real y en la Potencia Total de Bombeo que variarán según la configuración propuesta.



• CONFIGURACIÓN Nº 1

Módulo Utilizado: KERASEP K07 B-X

Potencia Total de Bombeo (Kw) Área Real (m2)

0,255 5,4






0,198 5,9






0,121 5,73






0,186 5,4


COMPARACIÓN ENTRE CONFIGURACIONES

Configuración Potencia Total

de Bombeo (Kw)

Área Real (m2)

1 0,255 5,4

2 0,198 5,9

3 0,121 5,73

4 0,186 5,4


DISEÑO DE EQUIPOS: DATOS DE PARTIDA

TANQUES DE ALMACENAMIENTO

• Tanque de almacenamiento de alimento

El efluente llega a la planta semanalmente, por lo que se preverá un tiempo de almacenamiento del mismo de siete días.

• Tanque de almacenamiento de permeado

El permeado debe ser tratado previamente a su vertido. La duración de este tratamiento es de un día, por lo que se preverá un tiempo de almacenamiento de permeado de un día.

SISTEMA DE CALEFACCIÓN

• Temperatura de trabajo: 25º C • Temperatura ambiente: 21º C

SISTEMAS DE IMPULSIÓN

• Rendimiento hidráulico: 70% • Rendimiento mecánico: 70%

Temperatura óptima a la que se han obtenido los

resultados experimentales en laboratorio.


TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y SISTEMA DE CALEFACCIÓN

Tanque Volumen (m3)

Tanque de alimentación 13,9

Tanque almacenamiento

alimento 48,8


permeado 12,2

Sistema de Calefacción Caudal de calor necesario

(Kcal/hora)

5344,3



Bomba Potencia Necesaria (Kw)

Bomba de alimentación 0,049

Bomba de recirculación 0,140


Tanques de Almacenamiento

- Material de construcción: Poliester con recubrimiento de resina bifenólica y ortoftálica.

- Criterio de selección: Condiciones suaves de operación y bajo coste.

- Coste: 125 €/m3 (Procedimiento ponderal para materiales no metálicos).

Sistema de Ultrafiltración

- Coste: 2600 €/m2 (Munir Cheryan, 1998, Cap. 7.G.).

Sistemas de Impulsión

- Material: Hierro Fundido &API-610

- Tubería de descarga: 1”

- Coste Unitario: 500 € (No incluye precio del motor)

Sistema de Calefacción

- Coste de la resistencia: 300 €

Materias Primas

- Coste de materias primas: nulo (la materia prima es el propio efluente a tratar)

- Costes de limpieza: 6 €/m2/año (Munir Cheryan, 1998, Cap. 7.G.).

EVALUACIÓN ECONÓMICA: DATOS DE PARTIDA

Base de datos: http://www.matche.com/EquipCost


EVALUACIÓN ECONÓMICA: DATOS DE PARTIDA

Mano de obra directa

El coste de un hombre/hora varía según la cualificación profesional del individuo, en este caso se tomará un valor medio:

- Coste: 30 €/Hh

Servicios generales

- Coste unitario del Kwh: 8 €cent/Kwh

- Coste del agua para la limpieza de las membranas: 15 €cent/m3

Suministros

- Coste de reposición de membranas: 600 €/m2 (Munir Cheryan, 1998, Cap. 7.G.).


INVERSIÓN Y COSTES DE OPERACIÓN

Configuración Inversión (€) Costes de Operación

(€/m3)

1 61079 6,793

2 64292 6,970

3 63200 6,883

4 61079 6,774 Resultados para la configuración óptima en

modo “Batch”


CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”


Número de Etapas: 1

Etapa Concentración Rechazo (% peso) Módulo Utilizado

1 40 KERASEP K19 B-X



• CONFIGURACIÓN Nº 1: Formulario con los datos de partida



• CONFIGURACIÓN Nº 1: Formulario con los resultados finales

Área Total Teórica (m2) Área Total Real (m2) Potencia Total de Bombeo (Kw)

11,743 11,8 0,348





6,649 7,56 0,227





5,597 7,89 0,149





5,597 5,715 0,194


COMPARACIÓN ENTRE CONFIGURACIONES

Configuración Área Total Teórica (m2)

Área Total Real (m2)

Potencia Total de

Bombeo (Kw)

1 11,74 11,80 0,348

2 6,64 7,56 0,227

3 5,59 7,89 0,149

4 5,59 5,71 0,194


DISEÑO DE EQUIPOS: DATOS DE PARTIDA

TANQUES DE ALMACENAMIENTO • Tanque de almacenamiento de alimento

El efluente se alimenta al proceso de forma continua. Para prevenir un posible fallo en el suministro se preverá un periodo de autoabastecimiento de diez días.

• Tanque de almacenamiento de permeado El permeado debe ser tratado previamente a su vertido. La duración de este tratamiento es de un día, por lo que se preverá un tiempo de almacenamiento de permeado de un día.

SISTEMA DE CALEFACCIÓN • Temperatura de trabajo: 25º C

• Temperatura ambiente: 21º C

SISTEMAS DE IMPULSIÓN • Rendimiento hidráulico: 70%

• Rendimiento mecánico: 70%

• Tanque de almacenamiento de rechazo El efluente ya tratado, es decir, la corriente rechazo se devuelve a la planta de fundición para su reutilización en el proceso. Esta devolución se realiza cada siete días, por lo que se debe prever almacenamiento de rechazo para este periodo.

Temperatura óptima a la que se han obtenido los

resultados experimentales en laboratorio.


TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y SISTEMA DE CALEFACCIÓN

Tanque Volumen (m3)


alimento 13,9


permeado 12,2


rechazo 12,2

Sistema de Calefacción Caudal de calor necesario

(Kcal/hora)

5344,3



Bomba Potencia Necesaria (Kw)

Bomba Alimentación 0,049

Bomba recirculación

etapa 1 0,127


etapa 2 0,020


etapa 3 0,016


INVERSIÓN Y COSTES DE OPERACIÓN

Configuración Inversión (€) Costes de Operación

(€/m3)

1 134090 10,87

2 111430 9,47

3 122310 10,09

4 106340 9,14 Resultados para la

configuración óptima en modo “Feed-and-Bleed”


COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Configuración Número

de Etapas

Etapa Módulo Utilizado

Número de

módulos

Número de líneas

Área Teórica

(m2)

Área real (m2)

Potencia Total de Bombeo

(Kw)

Inversión (€)

Costes de Operación

(€/m3)

1 1 1 K19 B-X 4 2 11,74 11,8 0,348 134090 10,87

2 2 1 K07 B-X 6 2

6,64 7,56 0,227 111430 9,47 2 K07 B-X 1 1

3 3

1 K37 B-X 1 1

5,59 7,89 0,149 122310 10,09 2 K07 B-X 1 1

3 K07 B-X 1 1

4 3

1 K07 B-X 4 2

5,59 5,71 0,194 106340 9,14 2 K01 B-X 5 2

3 K01 B-X 4 2

Área Teórica = f (Número de etapas) Área Real = f (Módulos utilizados)

Caudal recirculación = f (Sección transversal de paso) Sección transversal de paso = f (Número de líneas,Módulo utilizado)

Pérdida de carga = f (Número de módulos) Potencia de Bombeo = f (Caudal recirculación,Pérdida de carga)

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