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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Desgasificación Térmica para el tratamiento de aguas de proceso para calderas

SECCIONES

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y ÁMBITO DE APLICACIÓN

El proceso de desgasificación térmica se utiliza básicamente para el tratamiento de aguas de alimentación a calderas a fin de cumplir con la norma UNE-EN 12952-12:2004 en la que se observa, entre los límites que deben ser respetados, el valor máximo admisible de O2 < 0,02 ppm (20 ppb), para calderas de alta presión.

La presencia de O2 en el agua desmineralizada de alimentación a las calderas produce la oxidación del hierro que contiene el acero en que están construidas, generándose el fenómeno denominado “pitting”, de tal forma, que se llegan a producir puntos de corrosión y fugas importantes en los circuitos y en los recalentadores de su interior.

La desgasificación térmica (DT) es un proceso físico que consiste en eliminar los gases disueltos en un agua desmineralizada aprovechando su insolubilización a una temperatura de 104 ºC. El único tratamiento alternativo capaz de alcanzar los niveles de O2 y CO2 que se obtienen con la DT, sería el tratamiento químico con Hidracina (N2H4), aminas o Na2SO3, pero tienen un coste de explotación más elevado y, en muchos casos, estos reactivos son tóxicos e inestables.

El proceso de DT de un agua se basa en tres leyes fundamentales que rigen la solubilidad de los gases. La primera ley de Henry dice que, a una temperatura dada, la concentración másica del gas disuelto en un líquido es proporcional a su presión parcial en la disolución.

Ley de Henry => p = H · x

Donde: p = la presión parcial del gas.

H = la constante de Henry, dependiente del gas, de la temperatura y del líquido, y se mide en atm. (mol soluto/mol disolución).

x = es la concentración del gas en el líquido, se mide en (mol soluto/mol solución).

Una ley complementaria a ésta es la ley de Dalton, que nos dice que la suma de las presiones parciales de los gases disueltos en un líquido es la de la mezcla de estos gases.

La tercera ley a la que se hace referencia es la que expresa la solubilidad decreciente de un gas en agua a medida que asciende la temperatura.

Tabla de solubilidad del O2 en agua, en función de la temperatura:

Temperatura, (º C)10 2030 4050 60708090100
Solubilidad O2, (mg/l)11,29,17,56,75,74,84,12,81,50,12

 

Para desgasificar térmicamente un agua, basta con que en el recinto que la contiene se mantenga en las condiciones apropiadas de presión y temperatura del vapor saturante, para que los gases disueltos, entre ellos el O2 y el CO2 , pasen automáticamente a la fase vapor. Esto se consigue presurizando el recinto a una presión superior a la atmosférica, o mediante un eyector o bomba de vacío, si se encuentra a una presión inferior.

TIPOS DE DESGASIFICADORES TÉRMICOS

Para producir una correcta desorción de los gases, el vapor saturado debe entrar en contacto íntimo con el agua a desgasificar, lo que se consigue dando tiempo y superficie de contacto suficientes, en este sentido, existen dos tecnologías que se vienen aplicando :

  • Desgasificadores de bandejas
  • Desgasificadores de sprays

Ambos tipos tienen referencias abundantes en la industria y en el campo energético, que es donde habitualmente encontramos las calderas que los requieren.

Una alternativa que no se contempla en este artículo es la desgasificación a vacío, pues los niveles mínimos de O2 que se obtienen (aprox. 0,65 ppm O2) quedan por encima de los exigidos en las normas de agua para calderas.

La tecnología más extendida es la DT por sprays por su sencillez constructiva y elevada eficiencia (se obtienen < 7 ppb de O2, y el CO2 es indetectable por análisis).

Existe una técnica mixta (sprays – bandejas), que llega a conseguir valores aún inferiores a éste (< 3 ppb), pero el equipo es más complejo y costoso y solo sería aplicable para casos muy exigentes.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Un desgasificador tipo sprays consta de dos partes principales:

DOMO, compuesto de:

desgasificador

Una cámara que contiene los sprays difusores del agua desmineralizada, y un calentador en el que se recibe el agua pulverizada que entra en contacto, en primer lugar, con el vapor ascendente del depósito de acumulación. El agua pre-desgasificada se hace borbotar en un scrubber que rebosa al depósito de acumulación; de esta forma, se obtiene un mayor rendimiento al contacto agua – vapor y, por lo tanto, se favorece la eliminación de gases en disolución hasta los límites exigidos (< 0,02 ppm para calderas de AP, s/ norma UNE-EN 12952-12:2004).

Depósito de acumulación

Este depósito debe estar elevado sobre una estructura metálica, de tal forma que se pueda aspirar de él mediante unas bombas adecuadas, que tengan un NPSH requerido muy bajo (1-2 m.c.a), y así impediremos el efecto negativo de la cavitación.

El depósito, podrá ser horizontal o vertical, en función de su capacidad ; normalmente suele dársele de 10 minutos a media hora de autonomía. Caso de ser horizontal, lo cual suele ocurrir para caudales de agua desgasificada > 15 m3/h, se dispondrán cunas soporte , con una de ellas móvil para aliviar las tensiones de dilatación.

En el interior del depósito se aloja un serpentín de calefacción con vapor para el arranque del equipo.

ELEMENTOS DE SEGURIDAD

En la zona del domo, se dispone una válvula de seguridad de evacuación instantánea (tipo AIT) que se tara aproximadamente a un 15% por encima de la presión de operación del sistema. También se instala una válvula de rompevacíos, que puede ser una simple válvula de retención montada al revés, a fin de evitar que una depresión llegue a deformar el equipo.

El depósito de acumulación suele tener controlado el rebose por una guarda hidráulica de la altura precisa para la presión de operación (aprox. 2,1 m , en las condiciones de operación que hemos considerado de 0,21 kg/cm2), o bien con un sistema de control de rebose mediante una válvula automática. También se dispone de un sistema de rebose interno.

Tanto el domo como el depósito deberán estar calorifugados para evitar contacto térmico y pérdidas de energía.

SISTEMAS DE CONTROL

El conjunto se automatiza mediante válvulas de control, una de ellas se colocará en la línea de agua desmineralizada, y estará destinada a regular el caudal de agua que entra en el sistema de acuerdo con la señal del transmisor de nivel del depósito de acumulación, de hecho, esta agua vendrá a complementar el retorno de condensados que se supone de flujo continuo; no obstante, y a efectos de seguridad se sugiere la instalación de una válvula automática en la línea de condensados para evitar el posible rebose de este depósito. También podría ocurrir que no hubiera retorno de condensados, en cuyo caso solo se controlaría el agua desmineralizada a desgasificar.

El aporte de vapor requerido para la desgasificación se regula mediante otra válvula de control, que será actuada por la señal de un transmisor de presión ubicado en el calentador del domo. Así mantendremos la presión y temperatura de operación en el sistema.

El rebose se podrá controlar mediante una guardia hidráulica y/o una válvula automática.

Se recomienda que las válvulas de control tengan sus válvulas de aislamiento y baipás.

Los instrumentos precisos para el correcto control de la instalación serán como mínimo:

  • Termómetro y manómetro en las líneas de agua de aporte, condensados, vapor y en el propio desgasificador.
  • Indicador y transmisor de nivel con alarmas en depósito de acumulación.
  • Alarma de nivel de rebose para depósito de acumulación
  • Caudalímetro en agua de aportación y retorno de condensados

MATERIALES

Las partes de la instalación que contengan O2, deberán estar construidas en acero inoxidable AISI 316 L, aunque hay casos en que se utiliza AISI 304 L con el consabido mayor riesgo de corrosión. Así el domo y las tuberías para agua serán de ese material. Las tuberías de vapor y el depósito de acumulación se construirán en acero carbono , calidad A-42 b o similar.

El depósito de acumulación se dimensionará contemplando el supuesto de vacío s/ASME I y como aparato a presión (s/ASME VIII).

ASPECTOS PRÁCTICOS  Y PUESTA EN MARCHA

Una vez que se ha concluido el montaje del equipo, se ha ajustado los parámetros de control , limpiado circuitos y comprobado posibles fugas, se puede proceder a la puesta en marcha. Se comienza por alimentar de condensado y/ o agua desmineralizada de aportación al depósito de acumulación y a aportar vapor mediante el serpentín dispuesto en su interior. Iremos controlando manualmente el incremento de temperatura y la presión. Luego daremos acceso a los automatismos de agua de aportación y vapor observando que no se produce rebose y que las condiciones de operación correctas se mantienen.

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SI se produce rebose, deberemos comprobar la regulación y actuación de la válvula de control de aporte de agua desmineralizada, y si la señal del transmisor de nivel es la adecuada.

La salida de incondensables se habrá tarado previamente mediante cálculo en función del gasto; Se suele utilizar una válvula de tipo de manguito taladrada, para evitar problemas de sobrepresión.

Las válvulas automáticas serán de tipo NC, es decir, que en paso de fallo de aire o parada se quedarán cerradas.

PREGUNTAS FRECUENTES

  • Vibraciones:

Si se perciben vibraciones comprobar las suportaciones de las tuberías y los apoyos del desgasificador, y que las bombas que aspiran del depósito no cavitan.

  • Caudal irregular de entrada:

Si se observa que el agua no llega regularmente al depósito de acumulación puede haberse hecho un tarado incorrecto de los sprays, lo cual indica la importancia de la precisión en esta operación, antes de montarlos en el domo; también puede ser debido a un control irregular del agua de aportación.

  • Ruido en las válvulas de control:

Puede que las válvulas estén fuera de su Cv y caviten.

La presión del agua de entrada de la válvula de control de agua debe ser superior a la salida en 0,7 kg/cm2, a la presión de operación

  • Arrastre de agua por la salida de incondensables:

Sobre todo, en el caso de disponer de condensador interno, se puede producir un arrastre de condensado con el vapor y los incondensables; esto se soluciona con la disposición de un sencillo sistema antiarrastre a la salida de la válvula.

  • Aparece corrosión en tuberías y / válvulas o instrumentos:

Comprobar certificados de materiales y determinar en O2 libre si la corrosión se produce en el depósito de acumulación.

  • Se producen reboses en el depósito de agua desgasificada, con frecuencia:

Comprobar lazos de control y transmisor de nivel.

  • Las presiones o temperaturas varían con frecuencia:

Ver lazo de control y funcionamiento del transmisor de presión y comprobar instrumentos locales.

  • Aparecen derrames en la válvula de seguridad:

Comprobar su correcto tarado, o posible corrosión interna.

  • Por qué suelen estar elevados en alto estos equipos?

Como estamos trabajando a límite de evaporación, se le da altura a fin de ampliar NHPS disponible a las bombas que alimentan a las calderas y así impedir su cavitación.

  • Se pueden coger las muestras para análisis en frío?

No, existe un procedimiento específico que se explica en el siguiente apartado.

  • Por qué en ocasiones se envían los condensados directamente al depósito de acumulación de agua desgasificada?

Cuando el condensado tiene una temperatura elevada (cercana a la temperatura de operación), se envía directamente al depósito de acumulación, pues para que se verifique correctamente la desgasificación debe existir un gradiente de temperatura entre el agua a desgasificar y las condiciones de operación de 17 ºC como mínimo.

  • Dentro de que rangos es fiable el funcionamiento del desgasificador?

Entre el 25% y el 100% del caudal de diseño.

TOMA DE MUESTRA Y ANÁLISIS

Es bastante intuitivo pensar que la toma de muestras del agua desgasificada para determinar el O2 y el CO2, no es sencilla, ya que la solubilidad de los gases está íntimamente ligada a la temperatura, y caso de entrar en contacto en el aire se saturaría de acuerdo con lo que se enfriara. Existen pocos laboratorios en nuestro país, que estén homologados para poder realizar la toma de muestras y análisis.

Estos conceptos se hayan regulados por la siguiente normativa:

Toma de muestras:

Muestreo: s/ISO 5667-1 (UNE-EN 25667-1:1995).

Preparación y manipulación: s/ISO 5667-3 (UNE-EN 5667-3:1996).

Método de análisis:

Para el O2 : ISO 5814 (UNE-EN 25814:1994)

Para capacidad ácida : ISO 9963-3 (UNE-EN 9963-3).

Desgasificación Térmica

CÁLCULOS DESGASIFICADOR TÉRMICO

De acuerdo con el principio de conservación de la energía, el resultante de sumar las energías entrantes y salientes de un sistema = 0. Esto sólo es cierto en un proceso isentrópico (adiabático y sin ejercer trabajo).

Balance energético:

Basándonos en el equilibrio energético de un sistema (energía entrante = energía saliente) y en unas condiciones constantes de operación del desgasificador: Presión de operación (Pd), con valor de Entalpía (Hd) y temperatura (Td) que se obtiene de las tablas de vapor saturado, resultantes del diagrama de Molliere. tenemos :

Flujos entrantes:

Agua desmineralizada a desgasificar

  • Caudal de agua desmineralizada a desgasificar (Qa) en Tm/h a (Ta) ºC

Retorno de condensados

  • Caudal de condensados (Qc) en Tm/h a (Tc) ºC

Vapor aporte

  • Caudal de vapor saturado (Qv) en Tm/h, a Presión (Pv) en kg/cm2 , con una Entalpía (Hv) y una temperatura (Tv)ºC, obtenidas de las tablas de vapor saturado.

Flujos salientes:

Salida de incondensables

  • Caudal de vapor de arrastre (Qi), en Tm/h que se corresponde con un 10% de vapor aportado al sistema (Qv) sin condensador interno, o al 1% de Qv si hay condensador interno, a las condiciones de operación (Hd). Con este vapor de arrastre se expulsarán al exterior los gases disueltos en el agua desmineralizada (básicamente O2 y CO2).

Agua desgasificada

  • Caudal agua desgasificada (Qat), en Tm/h , que se corresponde a la suma del Qa + Qc + el Caudal de vapor condensado, que será el 99% si se dispone condensador interno , o con el 90% de Qv si no se dispone. Este flujo estará a la temperatura de operación del sistema (Td) ºC

Una vez fijadas Las condiciones de operación, podemos establecer sistemas de ecuaciones, valiéndonos de su interrelación por el sistema de balance energético. Así, podemos cálcular, por ejemplo, el caudal de vapor necesario para desgasificar un caudal de agua determinado, o determinar la cantidad de condensado que debemos retornar un sistema para obtener las condiciones de equilibrio, o el caudal de agua desgasificada, etc., a partir de la ecuación básica del balance de energías:

Agua desmin. Aporte + Retorno de condensados + vapor aporte = Agua desgasificada + salida de incondensables + vapor de arrastre.

(Qa x Ta) + (Qc x Tc) + (Qc x Ec) = (Qi x Hd) + (Qa+Qc+(Qv-Qi) x Td)

Ejemplo:

Deseamos desgasificar un caudal de agua desmineralizada (Qa) = 10 Tm/h, que está saturada de O2 y se encuentra a una temperatura (Ta) = 20 ºC. El tratamiento se propone con un desgasificador térmico cuyas condiciones de operación se establecen a una presión (Pd) = 0,21 kg/cm2 man.

Cuestiones:

Calcular el caudal de vapor saturado a 6,5 kg/cm2 man, necesario para realizar la correcta eliminación de O2 y CO2, para una caldera acuotubular de 40 kg/cm2 de presión. Realizar el cálculo para las opciones de disponer o no disponer de condensador interno y comentar el resultado.

Según las normas para aguas de calderas de alta presión, el contenido de O2 debe ser < 0,02 ppm y el de CO2, indetectable por análisis, luego la tecnología a utilizar sería la de desgasificación térmica.

Para desarrollar el cálculo utilizaremos las tablas de vapor saturado y el balance energético indicado. Si hacemos un pequeño esquema, nos servirá de ayuda.

Desgasificación_Térmica

(*) Valores extraídos de las tablas de vapor saturado.

Caso a): Con condensador interno

(10 x 20) + (50 x 80) + (Qv x 659,71) = (0,01 x Qv) + ((10 + 50 + (0,99 x Qv)) x 105)

Resolviendo la ecuación resulta un consumo de vapor saturado a 6,5 kg/cm2 de 10,37 Tm/h, y un caudal de agua desgasificada de 70,26 Tm/h a 105 ºC. El caudal de incondensables (Qi) será de 0,1 Tm/h.

Caso b): Sin condensador interno

(10 x 20) + (50 x 80) + (Qv x 659,71) = (0,1 x Qv) + ((10 + 50 + (0,9 x Qv)) x 105)

Resolviendo la ecuación resulta un consumo de vapor saturado a 6,5 kg/cm2 de 11,37 Tm/h, y un caudal de agua desgasificada de 70,23 Tm/h a 105 ºC. El caudal de incondensables (Qi) será de 1,13 Tm/h.

Comparando ambos resultados, se observa que la inclusión de un condensador interno , nos permite un ahorro de vapor del orden del 10% en este caso.

  • El caudal de vapor de arrastre con los incondensables es del orden del 10% del caudal de vapor de aportación, cuando no se utiliza condensador interno. En caso de utilizarlo, este consumo se reduce al 1%.

Bibliografía:

  • Manual Técnico del agua (Degrémont)
  • Elementos de Ingeniería Química (Vian Ocón)

Recuperación de azúcares de efluentes de desmineralización de jarabes

Secciones

Antecedentes

Las industrias son cada día más conscientes de la necesidad de tratar los efluentes y deshechos que generan, así como de optimizar su gestión a fin de reducir el coste por estos conceptos y velar por el medio ambiente, de hecho,  la tendencia es a considerarlos como parte de sus procesos productivos. Estos procesos suelen contener etapas que incluyen lavados y enjuagues de los productos que se fabrican; ello implica perder una parte de las materias primas y / o productos acabados que se escapan por el desagüe y que además implican un coste de depuración, cánones y tasas que se asumen como un gasto. Este simple hecho limita la competitividad de unas empresas frente a otras por estar ubicadas en países con mayores o menores exigencias medioambientales.

La referencia es la de no afectar en forma negativa al medio ambiente; no obstante, existen muchos casos en que los efluentes, una vez tratados, se reutilizan e incluso pueden generar subproductos comercializables, como es el ejemplo que estudiamos en este artículo:

Tratamiento de jarabes en el proceso de producción de azúcar

El proceso de producción de azúcar pasa por la obtención de un jarabe que debe ser tratado para luego concentrarlo y llevarlo hasta su estado de producto comercial. Uno de estos tratamientos habituales consiste en someterlo a desmineralización mediante resinas específicas de intercambio iónico. En uno de los artículos de nuestro blog se describe este sistema de depuración para esta aplicación en particular.

Como parte del proceso de los sistemas de desmineralización, se producen unos efluentes líquidos que contienen azúcares en bajas/medias concentraciones. Se propone concentrar estos efluentes, de modo que puedan ser recuperados en el proceso, reutilizando también el agua extraída, pues su contenido en azúcares es bajo. La composición del efluente es la siguiente:

Concentración de azúcares:

2,5 – 2,8% en peso

Composición aproximada de la materia seca :

Dextrosa (PM 180g./mol): 70%

Fructosa (PM 180g./mol): 15%

Maltosa (PM 342g./mol): 9%

Azúcares superiores (PM> 350g./mol): 6%

Temperatura: 70 -75 ºC

Otras impurezas posibles: finos de resinas intercambiadoras de iones.

Dado que el caudal de estos efluentes suele ser relativamente elevado y existen contaminantes que se deben separar, se requiere de un paso intermedio para depurarlos y concentrarlos antes de llegar a la evaporación y cristalización. El sistema idóneo para cumplir con este objetivo es de la Ósmosis Inversa, con membranas específicas construidas con materiales adecuados para resistir la elevada temperatura y condiciones de operación y limpieza. En este sentido, existen membranas en el mercado que son capaces de resistir estas condiciones, si se sustituye el colector de material plástico por uno de acero inoxidable y las colas de las membranas son de tipo alimentario y termoestables. Los contenedores, tuberías y demás accesorios deben estar construidos en acero inoxidable y se deben evitar los puntos muertos para impedir la contaminación biológica.

jarabes1

Descripción del sistema de osmosis inversa específico para esta aplicación

La línea de tratamiento por Osmosis Inversa se compone de :

  • Bombeo de efluente a procesar.
  • Filtración sobre malla, de 50 µ.
  • Bombeo de alta presión 1ª etapa
  • Ósmosis inversa (1ª etapa).
  • Bombeo alta presión 2ª etapa
  • Ósmosis inversa (2ª etapa).
  • Equipo CIP

La ejecución de los equipos se hará teniendo presentes las características del fluido a procesar, empleando materiales adecuados ( normalmente AISI 316L);  tanto el diseño como los materiales empleados serán de tipo sanitario o asimilado para asegurar la máxima higiene del proceso, y se tendrá especial cuidado en asegurar la limpieza y esterilidad del conjunto.

La descripción de las diferentes partes que componen la instalación es la siguiente :

Pretratamiento

El efluente azucarado se bombea a una línea, (provista de válvulas de retención y de aislamiento) en AISI 316L. Se  propone la disposición dedos filtros de malla (uno en reserva), también en AISI 316L y de 50 µm de luz, operando alternativamente y de cambio automático; un manómetro diferencial, con alarma, provoca la entrada en servicio del filtro de reserva al detectarse la colmatación del filtro operativo. Un sistema automático de enjuague asegura la evacuación del líquido azucarado que contienen hasta un tanque, para su recuperación, permitiendo también su lavado a contracorriente.

La especial disposición de los elementos internos de las membranas de ósmosis inversa posteriores permite limitar la necesidad de pretratamiento.

Bombeo de alta presión

Se recomienda disponer de dos bombas (servicio + reserva) centrífugas, multicelulares, cuyo motor se actúe a través de variador de frecuencia para regular sus prestaciones, en función del caudal de permeado prefijado.

Se dispone también de un circuito de enjuague para poder evacuar el líquido azucarado de la bomba que se deje fuera de servicio.

Ósmosis inversa

Prevemos un sistema de separación por membranas de ósmosis inversa; su disposición es en dos etapas, con apoyo de bombas de recirculación en cada etapa, a fin de asegurar el suficiente flujo hidráulico a través de las membranas.

Se utilizan membranas de poliamida composite, de disposición espiral, específicas para concentración de azúcares,( por ejemplo: de la marca TRISEP, de 8” x 40”, modelo 8040T.M6FS6), alojadas en contenedores de acero inoxidable AISI 316 con entrada/salida duplicadas (para altos flujos) en conjuntos de cuatro unidades. Estos contenedores se disponen en dos etapas , procesando a su vez el concentrado de la 1ª etapa;  las bombas de recirculación (con arrancador electrostático progresivo)  venciendo 2 bares de pérdida de carga. La presión de alimentación (y por tanto de operación del sistema) estará entre los 15 y los 35 bares, a 70 ± 5ºC de temperatura. 

La disposición elegida (continuous multi-stage recirculation system) presenta las siguientes ventajas:

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  • Maximizar la eficiencia del sistema, reduciendo el ensuciamiento de las membranas.
  • Permite operar el sistema a caudales y concentraciones muy variables, dando la máxima flexibilidad de operación.
  • Autoriza puestas en servicio y paradas automatizables sin ninguna dificultad.
  • Asegura la máxima eficacia de lavados y enjuagues.
  • La regulación (automática) de las prestaciones del sistema se hará por medio de los siguientes lazos de control:
  • Caudal de permeado: actúa sobre el variador de frecuencia de las bombas de alta.
  • Caudal de rechazo final (concentrado): actúa sobre una válvula de control en línea.
  • Necesidad de limpieza: por aumento de la pérdida de carga en cada etapa (limpieza independiente o simultánea).

Se disponen, además, sendas válvulas manuales en las salidas de permeado de cada etapa, para poder introducir contrapresiones y ajustar el reparto de caudales (productividad) de cada etapa.

La instalación se instrumenta adecuadamente, de modo que se controlan en todo momento caudales, presiones, temperaturas y presiones diferenciales.

Se prevé una actuación automática del conjunto, disponiéndose válvulas automáticas para enjuagues y lavado, sea del sistema entero como de cada etapa.

Equipos de limpieza y enjuague

Distinguimos los enjuagues simples con agua (fría o caliente), que se producen en línea sobre :

– prefiltros de malla

– bombas de alta presión

– sistema completo

y se recogen en un tanque específico para su recuperación en cabeza, de los lavados de cada una de las etapas de la ósmosis inversa con otras soluciones (esterilización, desincrustación).

Para éstos se dispone un sistema CIP con tanque de preparación y bomba de impulsión; las soluciones gastadas pueden evacuarse a drenaje o, si no tienen agentes contaminantes, devolverse a cabeza para recuperación.

En ambos casos (lavados o enjuagues) los volúmenes de tanques y caudales de bombas se dimensionan con una cierta holgura.

Datos operativos

Los datos que caracterizan la operación de la instalación propuesta son los siguientes :

Tasa de concentración de diseño: 5

Máximo admisible: 8

Concentración de azúcares en permeado: 0,14% (diseño)

Concentración de azúcares en concentrado en condiciones de diseño / máxima: 12% / 19%

Presión de operación

La presión de trabajo será de unos 15 bar (a 75ºC) inicialmente, subiendo hasta los 30 – 35 bar al final de la vida útil de las membranas (12 – 18 meses).

Presión máxima de operación: 40 bar (las membranas pueden soportar hasta 70 bar).

Durante el ciclo de limpieza la presión no excederá de 4 bar.

Ciclos operativos

Se prevén ciclos operativos de 24 h., divididos en :

– Operación : 20 h.

– Limpieza y mantenimiento : 4 h.

Ciclo de limpieza

El procedimiento de limpieza incluye varias fases, que describimos seguidamente:

Fase 1: Desplazamiento.

Se desplaza con agua/permeado hasta evacuar toda el agua azucarada contenida en el sistema.

Fase 2: Lavado alcalino. Se prepara una solución de NaOH + detergente no iónico en el tanque de limpieza (pH 10 – 10,5), a 50ºC, recirculando durante 30 min. Evacuar la solución y enjuagar con agua/permeado hasta pH neutro.

Fase 3: Lavado ácido.

Se prepara una solución de HCl en el tanque de limpieza (pH 2 – 2,5) a 50ºC, recirculando durante 30 min.

Evacuar la solución y enjuagar con agua/permeado hasta pH neutro.

Fase 4: Pasteurización.

Se calienta agua/permeado hasta 80ºC en el tanque de limpieza, recirculando durante 20 min. a esta temperatura.

La instalación queda lista para reanudar un nuevo ciclo operativo.

El concentrado obtenido por el proceso de osmosis inversa se podrá enviar al sistema de evaporadores a vacío del proceso productivo de azúcar (punto 7 del esquema)

Esquema producción de azúcar a partir de caña:

PROCESOAZUCAR

Concentración de azúcares a partir del rechazo de la ósmosis inversa

Si se desea separar la producción de este azúcar recuperado por temas de calidad o por la capacidad del sistema productivo, se dispondrá de un proceso independiente de concentración hasta obtener un producto comercial.

El tratamiento se compone básicamente de:

  • Bombeo de concentrado procedente de la Osmosis inversa
  • Evaporación a vacío
  • Cristalización
  • Centrifugación
  • Secado con aire.

Según se observa en el diagrama de flujos anexo, en la etapa de evaporación a vacío llegamos a una temperatura adecuada (Aprox. 70 ºC) para obtener una concentración aproximada del 60 % de azúcar. (A esta temperatura se impide la caramelización de la sacarosa)

El producto resultante ya tendrá un aspecto geliforme que al vehicularse por un equipo cristalizador, permitirá obtener azúcar sólido, pero todavía húmedo por la presencia de jarabe. El proceso de Centrifugación, lavado y de secado con aire frío posterior, permitirán la obtención del sólido cristalino de azúcar comercial.

El permeado de osmosis inversa, contendrá un residual de azúcar de aproximadamente el 0,14 %, que, al diluirse con los condensados del evaporador y el cristalizador, se quedará por debajo del 0,1%. Este efluente recuperado podrá utilizarse en distintas fases de proceso y servicio de fábrica, con el consiguiente ahorro en el consumo de agua de red.

Los efluentes de la centrífuga y el secador tendrán una concentración azúcar relativamente elevada, aunque su volumen sea pequeño. Este efluente podrá recircularse a la entrada de la osmosis inversa o bien será desechado como purga del sistema.

Conclusiones

Observamos que, con esta tecnología, hemos transformado un vertido altamente contaminante bajo el punto de vista de elevada DQO, en un subproducto y en la recuperación del agua para proceso y servicios en fábrica. Por otro lado la depuradora de vertidos tendrá que tratar un DQO más baja, lo que permitirá reducir su tamaño, lo costes de explotación y minimizar el impacto ambiental.

Bibliografía:

www.ingenieriaquimica.net/articulos/412-el-proceso-de-obtencion-de-azucar-blanco

https://www.lens.org/lens/patent/044-233-153-943-24X

https://www.ecured.cu/Proceso_de_fabricación_del_azúcar_de_caña

Procedimientos para la extracción y tratamiento del níquel y cobalto en minería

SECCIONES

Introducción

El Cobalto y el Níquel se encuentran asociados mutuamente en la Naturaleza en gran número de yacimientos. La minería de estos metales, junto con otros tecnológicamente asociados a los avances electrónicos y especialmente en el campo de las baterías, la acumulación de energía y la disminución del volumen de estos elementos indispensables en nuestros móviles, ordenadores, los vehículos híbridos, los vehículos eléctricos, está volviéndose a activar para garantizar suministros crecientes. El precio internacional del cobalto se disparó un 127% en 2017, el del cobre  30%, el del wolframio 27%, el precio del litio casi se ha doblado desde 2015 y a estos indicadores es importante observar como determinados países van tomando posición física en determinados yacimientos, como la China en Katanga. Los procesos asociados a estos tratamientos extractivos han de evolucionar y a partir de optimizadas tecnologías hacer frente a los yacimientos con leyes inferiores. El cobalto y el níquel son dos elementos que toman posición en las nuevas tecnologías, especialmente en las que tienen una vinculación energética.  

El cobalto forma parte de superaleaciones de aceros que deben trabajar a alta temperatura y resistir procesos de desgaste por fluencia, imanes (Alnico, Fernico, Cunico..), esmaltes , recubrimientos, electrodos, baterías, cables de estructura para neumáticos. Los minerales más importantes del cobalto son la esmaltita CoAs2 y la cobaltita CoAsS, pero desde un punto de vista técnico las principales fuentes de cobalto son los “speiss”. Estos materiales son una mezcla de arseniuros que contienen cantidades apreciables de níquel, cobalto, hierro o plata. Las principales reservas de cobalto están situadas en Congo, Rusia, Perú, Canadá, Finlandia, Chile, Birmania, Marruecos y  Zimbaue. Normalmente el Arsénico también forma partes de los minerales de constitución.. El tratamiento inicial de estos arseniuros se produce mediante un triturado y concentrado por flotación o gravedad. Las partes enriquecidas en níquel, cobalto y a menudo también incluyen el hierro, son mezcladas con coque metalúrgico. Este coque se obtiene a partir del carbón bituminoso en hornos con atmósfera libre de oxígeno, retirando el contenido volátil y obteniéndose un carbón poroso apto para estos tratamientos metalúrgicos. La mezcla de la mena se realiza con óxido de calcio y sílice, produciendo una escoria. Este hecho permite separar la plata, una mezcla de materiales ricos en cobre, níquel y cobalto y un residuo escorificable. Esta mezcla rica en cobre, níquel y cobalto es lo que técnicamente se llama “speiss”. El recorrido de esta  mezcla al estado puro del metal es un proceso complejo. 

El níquel se encuentra en la Naturaleza normalmente combinado con el arsénico, el antimonio y el azufre como sulfuro. De forma aproximada el 65% de níquel se utiliza en la fabricación de acero inoxidable austenítico y otro 21% en la fabricación de superaleaciones. El resto se utiliza para la fabricación de otras aleaciones (Alnico, mu-metales, monel, nitinol) y catalizadores. Canadá, Cuba y Rusia producen el 70% del níquel en el mundo. Bolivia, Colombia y Nueva Caledonia tienen también importantes yacimientos. Los minerales fuentes de níquel son la millerita, NiS, aunque también hay depósitos de NiSb, NiAs2, NiAsS o NiSbS y la garnierita  Si4O13[Ni, Mg]2•2 H2O.  Los depósitos más importantes desde un punto de vista comercial son los de  garnierita, que es un silicato de magnesio y níquel de composición variable y combinado con la pirrotina (FenSn+1) que contiene de un 3 al 5 % de níquel. También se encuentra níquel procedente de meteoros aleado con el hierro. 

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PROCESOS PAL Y CARON

En general el tratamiento de níquel se basa en tratar los sulfuros de níquel mediante una tostación al aire para obtener el NiO. Este se reduce con carbón para obtener níquel metálico. La purificación del níquel se procede mediante el monóxido de carbono que se combina con el níquel impuro a 50ºC y presión atmosférica o con la mezcla de níquel y cobre , en condiciones más complejas, obteniéndose el Ni(CO)4, que es volátil. Por descomposición térmica a 200ºC se recupera el níquel puro con una elevada pureza. 

Cuando se habla de la metalurgia del níquel y cobalto, se ha de diferenciar diferentes tipos de yacimientos. En primer lugar los yacimientos lateríticos limoníticos. Son suelos situados en regiones cálidas que se caracterizan por baja concentración de sílice y un alto contenido en óxidos. Estos materiales se tratan habitualmente con métodos hidrometalúrgicos; proceso CARON (lixiviación generada por carbonato de amonio) y proceso PAL (lixiviación ácida de alta presión). El proceso metalúrgico PAL implica el precalentamiento del mineral y la lixiviación con ácido sulfúrico concentrado a altas temperaturas y presiones. Las especies químicas de níquel y  cobalto mediante proceso químico hidrometalúrgico en sales de sulfato solubles, y se recuperan de la disolución en un circuito de decantación a contracorriente (CCD). El CCD implica lavar el residuo y recuperar el níquel y el cobalto solubles. El ácido restante se neutraliza usando una suspensión de carbonato cálcico, que produce un precipitado de sulfato de calcio. Se puede inyectar sulfuro de hidrógeno para precipitar níquel y otros sulfuros. A partir de esto, hay una lixiviación posterior para eliminar el hierro y el cobre, y finalmente la precipitación de níquel mediante la adición de amoníaco, sulfato de amonio e hidrógeno. Uno de los procesos más utilizado para tratar “speiss” de níquel y cobalto es el proceso Sherrit-Gordon Mines Ltd. de Fort Saskatchewan Alberta, Canadá.

PROCESO SHERRIT-GORDON

Los procesos de la metalurgia de Níquel y el Cobalto empiezan con el tratamiento inicial del mineral, reconcentrándolo a través del triturado y la flotación/gravedad y obteniendo un “speiss”, rico en cobalto y níquel. El proceso empieza introduciendo el mineral asociado básicamente a sulfuro, en un reactor con ácido sulfúrico  y aire a presión. En este procedimiento se eliminan los sulfuros obteniendo sulfato de níquel (II) y sulfato e cobalto (II) en disolución. En esta primera etapa de disolución se elimina el sulfuro. 

NiS + 2O2 ⟶ NiSO4

CoS + 2O2 ⟶ CoSO4

El proceso de lixiviación tiene lugar con NH3, se ajusta el pH y se produce una primera precipitación del hierro. 

NH3 + H2O  ⟶  NH4OH

Fe+3 + OH   ⟶   Fe(OH)3 

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Se produce la precipitación del Fe3+ en forma de Fe2O3 y del SiO2. El hierro, habitualmente va asociado a los sulfuros de cobalto y níquel y es preciso separarlo. Regulando el pH a valores cercanos a 7, se produce su deposición. Posteriormente en las mismas condiciones de aires a presión y amoniaco, se produce la oxidación de Co2+ a Co3+

Las disoluciones de cobalto (II) en disolución acuosa y presencia de amoniaco se oxidan fácilmente a Co (III) con formación de complejos. La mayoría de agentes formadores de complejos son ligandos que provienen de ácidos débiles, es decir bases de Brönsted y por tanto el valor del pH es un factor crítico para la formación y estabilización del complejo. La concentración efectiva de ligando en la disolución, que viene determinado por el pH, afectará a la disolución del complejo. En general a valores de pH alto, la disociación del complejo es menor, pues a esos valores de pH predomina el ligando libre.  

Sin embargo, por un lado, la oxidación del Co(II) a Co(III) no es fácil ya que los compuestos de Co(II) son mucho más estables y por otra los compuestos de coordinación del Co(III) intercambian difícilmente los ligandos a diferencia de los de Co(II), por ello en la química a la gota que requiere un tiempo y no se puede aportar energía calorífica al sistema, casi siempre se obtiene una mezcla de los dos complejos, los de Co(II) y los de Co(III).Por este motivo el reactor se lleva a temperaturas de 80ºC y presiones de aire de 9 atmosferas.  La explicación se puede hacer considerando los datos de la siguiente tabla;

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En esta parte del proceso de lixiviación es preciso el aporte de temperatura, para la formación del [Co(NH3)6]3+

La formación del Co3+, según indica el diagrama de Pourbaix, esta favorecida por pH básicos y potenciales superiores a 1.2.

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En el siguiente paso se añade ácido sulfúrico de forma que se produce el sulfato de níquel y amonio( NiSO4 (NH4)2SO4.H2O ). Esta sal tiene una coloración verde y es poco soluble en aguade forma que se favorece la precipitación. En este paso se procede a evaporar y cristalizar esta sal, de forma repetida para aumentar la pureza de los cristales. Estos cristales de sulfato doble de níquel y amonio son tratados con una solución concentrada de NaOH, de forma que se obtiene Ni (OH)2. El hidróxido de níquel se disuelve con ácido sulfúrico y se obtiene sulfato de níquel, que por electrólisis permite la reducción del Ni2+ a Ni0. Las disoluciones de sulfato de amonio permiten la recuperación del amoniaco por stripping. 

Finalmente la disolución liquida que contiene [Co (NH3)6]3+, es reducida de Co3+ a Co2+, mediante polvos de Co0 (cobalto metálico). Finalmente, mediante hidrógeno se produce la reducción del Co2+ a Co0. Obteniéndose polvo de cobalto metálico.

A continuación se expone un diagrama con la secuenciación de las diferentes operaciones del proceso Sherrit-Gordon.

PROCESO CLORURACIÓN NÍQUEL

En la actualidad las grandes menas de cobalto y níquel están en proceso de franco agotamiento y las principales menas  de estos dos metales están constituidas por leyes menores y concentraciones minerales formadas por diferentes metales. Esto obliga en cada acaso a modificar los procesos extractivos de tratamiento del mineral. 

En este sentido, en el caso de “speiss” de cobalto y niquel con baja ley se procede con tratamiento en medio clorado;

Co2+ + Cl2 + ZnO (pH4; regulador de pH) ⟶ Co3+

Ni2++ Cl2 + ZnO (pH4; regulador de pH) ⟶Ni3+

Controlando adecuadamente el pH i el potencial de reducción, especialmente a pH básico de acuerdo al diagrama de distribución de especies químicas, el Ni(II)  se puede mantener en disolución y precipitar el Co(OH)3

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Mediante calcinación se puede transformar el  hidróxido de cobalto en óxido de cobalto. Este óxido de cobalto (III) puede estar impurificado con óxido de zinc, por lo cual deberá ser tratado a un pH débilmente ácido y separado convenientemente del cobalto. Finalmente el hidróxido de cobalto puede ser transformado por calcinación el óxido de cobalto (III).

EXTRACCIÓN POR FORMACIÓN DE QUELATOS

Otro de los métodos más utilizados para el tratamiento  de mezclas metálicas concentradas es el tratamiento con agestes extractantes. En este proceso se trata una disolución  concentrada por lixiviación ácida (ácido sulfúrico) en especies como el níquel, cobre y hierro. En primer lugar se trata la elevada concentración de ácido sulfúrico con amina, con objeto de reducir su concentración. En una segunda fase, se produce el tratamiento de ajuste de pH a un valor entre 3 y 4 que facilita el precipitado de hierro. En disolución se mantiene el cobre y el níquel. Mediante solvente extraemos el cobre. Los tipos de solvente utilizados en este proceso son substancias orgánicas como las oximas, el dietilditiocarbamato, butilacetatos, cetoximas…). Estos solventes forman quelatos con la especie metálica en cuestión, en este caso el cobre, y permite su paso a la fase orgánica formando un compuesto organometálico. 

La fase acuosa se enriquece con NaCN con objeto de facilitar la formación de complejos del níquel en la fase acuosa y acentuar la diferencia entre las dos fases, de forma que las dos especies queden estabilizadas en sus fases respectivas. 

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Una vez separadas las disoluciones de níquel y cobre, se pueden recuperar los metales por recuperación electrolítica.

 

BIBLIOGRAFIA

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Tratamiento de aguas en la industria de bebidas refrescantes

SECCIONES

ÁMBITO DE APLICACIÓN

El sector industrial de alimentación y bebidas representa un consumo anual del orden del 22% del total del agua  y dentro de este sector se encuentra incluido el de las bebidas refrescantes.

Este tipo de industrias básicamente prepara y embotella las bebidas de acuerdo con protocolos de calidad muy exigentes, que conllevan un consumo de aguas de proceso y servicios elevado, además del propio agua que contienen los productos como componente principal.

Para conseguir estos progresos, se han optimizado las tecnologías de los equipos de proceso y servicios auxiliares, con lo que se ha incrementado su rendimiento y reducido los consumos de agua y energía (CIP, dilución de azúcar, pásters. mezcladoras, cadenas de embotellado, lavadoras…etc.), y, además, se han realizado controles e inversiones en las fábricas que han permitido obtener notables mejoras y ahorros.

Los sistemas más utilizados para conseguir estos objetivos han sido básicamente los siguientes:

  • Disposición de contadores de agua en los distintos puntos de consumo para una correcta evaluación y control.
  • Optimización de procesos CIP en frio para reducción de consumos de agua y energía, recuperación de reactivos de limpieza y NaOH.
  • Sustitución de deslizantes de cadenas de embotellado por otros menos contaminantes.
  • Recirculación de algunos lavados de las plantas de tratamiento de aguas y optimización / sustitución de sistemas de depuración.
  • Recirculación de aguas de pasteurización y otros procesos de fábrica.
  • Reutilización parcial de efluentes depurados para aguas de servicios.
  • Racionalización de consumos de aguas de servicios y potable.

Además, Hemos de tener en consideración que en algunas zonas es posible reciclar agua procedente de la depuradora de vertidos hasta los acuíferos, con lo que se ha conseguido realimentarlos y reducir el efecto sequía.

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REUTILIZACIÓN DE EFLUENTES EN UNA EMBOTELLADORA DE BEBIDAS REFRESCANTES

Aunque cada fábrica de refrescos puede embotellar distintos productos, y el agua de aportación puede tener orígenes diferentes (superficial, pozo y red), existen una serie de procesos comunes en sus líneas de fabricación, que nos permiten generalizar un esquema básico con relación a los consumos de aguas de distinta calidad (lavados, servicios, proceso…etc.). En los anexos se adjunta el esquema 1, en el que se plantean las tres fuentes habituales de agua de aportación y los tratamientos a que se somete esta agua para hacerla alcanzar los parámetros que exigen los fabricantes en sus procesos productivos.ESQUEMA1

Las distintas firmas embotelladoras tienen sus propios protocolos e incluso marcan las líneas de tratamiento de agua a seguir, a fin de homogeneizar la calidad de sus productos y cumplir con los parámetros exigidos por la legislación sobre aguas potables. Se suele seguir un denominado tratamiento multi – barrera, consiste en realizar la depuración por etapas.

2.1 Pretratamiento

Si seguimos el esquema 1, observamos que, dependiendo de la fuente de abastecimiento, el agua se somete a un pretratamiento más o menos complejo; así, si partimos de un agua superficial (río, pantano, lago…), se deberá comenzar por separar los sólidos en suspensión y el material coloidal que habitualmente contiene.

El primer paso, es el Pretratamiento que consiste en la separación de los sólidos y contaminantes más groseros. Se suele iniciar con sistemas de desbaste (rejas de distinta luz), desarenado y eliminación de flotantes, si procede. A continuación, se realiza una primera dosificación de un agente oxidante tipo NaOCl, y acto seguido, se procede a un tratamiento físico – químico, consistente en coagular, flocular y decantar las sustancias contaminantes en suspensión.

El proceso de Coagulación se produce al descargar de su polaridad a las micelas coloidales que se encuentran dispersas en el agua y, para ello, se utilizan sustancias de carga opuesta que se adhieren a ellas; habitualmente se viene utilizando sales de Aluminio como el Al2(SO4)3, el PAC (policloruro de aluminio), o bien sales de Hierro, como el Fe3Cl o el FeSO4, por su coste asumible y reducida toxicidad. En ocasiones, se deberá ajustar el pH para que la coagulación sea la óptima. El resultado es la aparición de pequeños grumos de sólidos en suspensión resultantes de la agrupación de los coloides.

El proceso de Floculación se produce generalmente en una cámara independiente y posterior a la de coagulación. Los agentes floculantes son polímeros de cadena larga que adhieren a su estructura a los pequeños coágulos formándose grumos esponjosos (flocs) de mayor o menor consistencia y tamaño en función del origen de los coloides y el tipo de reactivos utilizados.

Dada la muy probable presencia de materia orgánica, se dosifica un reactivo esterilizante, habitualmente NaOCl, por su bajo coste y elevada eficacia, pero cada vez se tiende más a utilizar otros oxidantes como el O3, para reducir la formación de cloro derivados como los trihalometanos, compuestos éstos muy restringidos en las aguas potables (< 50 ppb).

La separación de los flocs se realizará, en función de su densidad por decantación o flotación.

Los clarificadores o decantadores, podrán ser de tipo convencional o de tipo lamelar, dependiendo del espacio disponible y de la densidad de los flóculos a separar. Habitualmente se utilizan estos equipos para este tipo de aguas de aportación, pero se dan casos en que se producen flóculos de baja densidad y se requiere de un sistema de flotación, para lo que se utilizan los DAF (flotadores por aire disuelto) o los CAF (flotadores por aire cavitado).

La masa de sólidos separados se denomina fango, y tienen una concentración del orden del 1% en los decantadores y sobre el 3% en los flotadores, lo que nos da idea de la necesidad de reducir el volumen de estos fangos para poderlos enviar a vertedero. Estos residuos se suelen someter a una concentración previa en un equipo espesador, pero con estos equipos difícilmente se superarán concentraciones de fangos del 5 – 8 %. La deshidratación, se consigue con sistemas de centrifugación (Decanters centrífugos) o con tecnologías de compresión mecánica mediante filtros banda o filtros prensa. Para optimizar el proceso de secado, se suelen dosificar floculantes específicos o cal. El agua drenada resultante de la concentración del fango será rica en contaminantes y difícilmente aprovechable, por lo que se enviará a la depuradora general de efluentes de la fábrica. Los fangos resultantes tienen una sequedad del orden el 30 % y se envían a vertedero.

El agua clarificada aún tendrá un contenido de sólidos en suspensión que le darán una Turbidez superior a las 10 NTU (Nephelometric Turbidity Unit), lo que exigirá de un proceso complementario que se aplica en la siguiente fase del tratamiento multi barrera: La Filtración.

Las aguas de red suelen tener niveles de turbidez del orden de las 10 NTU que equivalen aproximadamente a un SDI (Silt Density Index) de 5, lo que supera, en muchos casos, los valores exigidos para las siguientes barreras de tratamiento. Las aguas de pozo suelen tener valores de turbidez inferiores (< 5 NTU), en cualquier caso, se acostumbra a hacer un tratamiento de filtración como medida preventiva en ambos casos.

En algunas ocasiones, las aguas procedentes de la red de abastecimiento público pueden requerir de la dosificación de agentes coagulantes para mejorar la filtración.

Existen varios sistemas de filtración que se han venido aplicando, como son los filtros de arena, los filtros duales y los filtros multicapa; cada uno de ellos tiene sus peculiaridades, pero tienen en común que funcionan por percolación al hacer circular el agua bruta a través de un lecho compuesto por uno o varios materiales filtrantes. Estos filtros consumen un volumen importante de agua de lavado, aunque parte de ella se puede reutilizar.

En el proceso de retrolavado de estos filtros es habitual utilizar, además de agua ya filtrada, el aire procedente de un grupo moto soplante, así se reduce en forma notable el consumo de agua de lavado y se mejora su eficacia.

Este es un punto de posible impacto contaminante, por lo que se lava con agua fuertemente clorada.

2.2 Tratamiento aguas para servicios y proceso

El agua pretratada, tiene dos destinos básicos en las industrias de bebidas refrescantes: aguas para servicios y aguas para proceso. Con relación al agua de servicios, se utiliza como agua de alimentación a calderas, páster. lavadoras, CIP, frío industrial, circuitos de refrigeración y varios. El agua debe estar descalcificada para impedir problemas de incrustaciones, lo cual ha venido realizando mediante cambiadores de cationes regenerados con NaCl. El vertido que se genera es abundante y de elevada salinidad.

Otros efluentes son básicamente: las purgas de calderas, los enjuagues y lavados de los pasteurizadores, los CIPs y enjuagues de los circuitos y máquinas de fabricación y embotellados de productos, y el vertido resultante de lavado de botellas, que no se recicla en las propias lavadoras.

Con relación al agua de proceso, recibe un tratamiento exhaustivo para acondicionarla a la preparación de los productos de fábrica. En esta sección, se suelen utilizar tratamientos de intercambio iónico para reducir la dureza temporal y la alcalinidad (HCO3)- del agua de aportación (descarbonatación) con resinas de tipo carboxílico alimentario. En muchos casos en los que la salinidad total de agua (TDS) es superior a la exigida por los estándares del fabricante, se utilizan tratamientos con membranas semipermeables, como la Osmosis Inversa o la Nanofiltración. Estos tratamientos han demostrado ser altamente eficaces, pues además de separar la mayor parte de las sales, reducen el resto de los contaminantes, entre ellos los biológicos; no obstante, y aunque se ha evolucionado en estas tecnologías, como, por ejemplo, con la ósmosis forzada, se debe evacuar un caudal de agua importe con los contaminantes y concentrados (Rechazo).

Es interesante disponer de balsas de acumulación de agua tratada de gran volumen, de tal forma, que se puedan realizar tareas de mantenimiento, regeneración o limpieza de las plantas de tratamiento de aguas, sin que ello afecte al ritmo de la producción de la fábrica, a la vez que aseguran la cobertura de las puntas en la demanda de caudal, pero ello también trae consigo un incremento del riesgo de contaminación especialmente biológica; por este motivo se hace precisa una esterilización que suele requerir altas dosis de oxidante y un sistema de homogeneización eficaz en su interior.

2.3 Postratamiento

El agua tratada tendrá un exceso de oxidante (normalmente Cl2), que deberá ser eliminado antes de llegar a Producción, pero además también pueden existir residuos, como restos poliméricos o monómeros de las resinas de intercambio iónico, o algún tipo de micro contaminante que no ha podido ser separado por el tratamiento con membranas semipermeables.

El carbón activo ha venido desempeñando un importante papel en este sentido, al ser capaz de catalizar el Cl2 y retener por adsorción las micro partículas; sin embargo, también debe tenerse en cuenta que en las zonas inferiores de las columnas que albergan el carbón activo, se quedan puntos en las condiciones ideales para desarrollar una contaminación biológica: alta superficie, ausencia de oxidantes y posible abundancia de nutrientes por la acción adsorbente del carbón activo; por este motivo, debe realizarse periódicamente la sanitización del lecho de carbón activo con vapor, o con soluciones de NaOH, Estos procesos de regeneración representan consumos importantes de agua de enjuague.

Como medida de seguridad adicional, se suele vehicular el agua procedente de los filtros de carbón, a través de equipos de irradiación de rayos ultravioleta (UVA), de tal forma que se garantiza la ausencia de contaminación biológica y, tras ellos, se acostumbran a disponen filtros de cartuchos con luces de filtración del orden de 1 – 20 micras absolutas para asegurar la ausencia de micro cuerpos, pirógenos y cualquier otro tipo de contaminante que pudiera llegar a la bebida.

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En el proceso productivo se utilizan distintos tipos de envases para la comercialización de las bebidas refrescantes, como son las botellas, El PET y las latas. Es frecuente utilizar una misma línea de embotellado para distintos productos, por lo que deberá eliminarse por enjuague cualquier vestigio de la fabricación anterior, con el correspondiente consumo de agua tratada y generación de efluentes contaminados.

El agua potable para consumo interno de la fábrica se suele tomar del agua tratada, o bien del agua de la red. Los efluentes que se generan son aguas sanitarias que deberán tener su red separativa.

PLANTAS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES

Los vertidos que no se recuperan se envían a una planta de tratamiento de efluentes que los depurará para alcanzar los límites que se exigen por la Ley de Aguas en el punto de vertido, según se trate de un dominio público (río, pantano… etc.) o bien de un colector que los lleve a una depuradora general.

El hecho de reducir los volúmenes de vertido por su aprovechamiento parcial favorece el incremento de la concentración de las sales y de la DQO (Demanda Química de Oxígeno). Así la DQO que habitualmente se movía años atrás en valores del orden de 1500 a 3000 mg/l O2, en ocasiones, se ve ampliada hasta valores que pueden superar los 4000 mg/l O2.

Como es conocido, el dimensionado de la Depuradora (EDAR), tiene relación directa con el caudal, pero, tanto el consumo energético, como el volumen de las balsas de oxidación biológica y la producción de fangos, dependen básicamente de la carga orgánica (DQO).

REUTILIZACIÓN DE EFLUENTES

En el esquema 2, se indican los efluentes que habitualmente se recuperan a fin de reducir el consumo de agua de aportación y el volumen de vertidos.ESQUEMA2Si pensamos en el agua de proceso, las aguas de los últimos enjuagues de los filtros suelen tener una turbidez baja si la comparamos con la del agua de aportación, lo que permite mezclarlas en el tanque de agua bruta de fábrica. Lo mismo ocurrirá con los últimos lavados de los filtros de carbón activo, los últimos enjuagues de los distintos envases (latas, PET y botellas) y los de los pásters. Estos efluentes se pueden enviar a la balsa de agua de aportación a fábrica y se reprocesan en las instalaciones de tratamiento de agua.

Una parte de efluentes recuperados, junto a otros como el rechazo de los tratamientos con membranas (OI/NF), que implican una elevada concentración de sales, pero poca concentración orgánica y de SS, pueden reutilizarse como aguas de servicios auxiliares, y a ellos se suelen adicionar los efluentes del lavado final de los descalcificadores y descarbonatadores. El agua resultante de la mezcla puede tener una calidad apta para los primeros lavados de los filtros, o los de las botellas retornables, así como destinos poco exigentes en fábrica como la limpieza y baldeos o la jardinería, la red contraincendios, o los circuitos de refrigeración y frío.

Los vertidos no aprovechables o en exceso se enviarían a la estación depuradora de aguas residuales (EDAR), junto con los drenajes y concentrados y los vertidos de proceso, que suelen contener una elevada carga contaminante, sobre todo por efecto de la alta concentración de DQO. En este sentido, y a fin de no aumentar más la carga de DQO del vertido, las fábricas acostumbran a enviar sus productos caducados o defectuosos a tratadores externos.
Los vertidos que se evacúan de la depuradora deberán estar acondicionados según se ha indicado en puntos anteriores, y en muchos casos se podrán utilizar como aguas de riego o para inyectar en los acuíferos y humedales.
Los fangos generados en el tratamiento biológico se conducen a un espesador, de ahí a un secado mecánico y una vez secos, a un vertedero autorizado.

Las purgas de calderas se pueden aprovechar para generar vapor de baja presión en los denominados balones de expansión, o para aprovechar su energía en cambiadores de calor.

TENDENCIAS ACTUALES PARA LA MINIMIZACIÓN DE VERTIDOS: VERTIDO CERO

Con las medidas indicadas se ha llegado a un índice de recuperación de efluentes elevado (aprox. 15%) desde el año 2010, pero en muchos casos, las instalaciones se han complicado y se han hecho inversiones importantes en balsas, bombas y circuitos, con sus correspondientes controles de caudal, nivel, turbidez, conductividad, materia orgánica, pH…etc. En la actualidad, la mayoría de las fábricas del sector, tienen asumidos sus objetivos en el sentido del mínimo impacto ambiental con su actividad y están apostando por las mejoras en las tecnologías disponibles que, aunque representen un coste de implementación relativamente elevado, confieren seguridad y simplicidad a los procesos y se amortizan a corto y medio plazo.

Como ejemplos citaremos:

En lugar de filtros de arena, o multicapa, se tiene a instalar plantas con membranas de microfiltración / ultrafiltración con lo que se aseguran cortes de filtración mucho mejores (aprox. 0,02 micras) y una reducción sustancial de materia orgánica y sólidos en suspensión. El rendimiento operativo de estas instalaciones es elevado (aprox. 95%), el espacio ocupado muy inferior a la de los filtros y también se reduce considerablemente el consumo de reactivos.

En muchas ocasiones nos podemos ahorrar la decantación previa para aguas superficiales, pues existen tipos de membranas de µF/UF que funcionan bien con elevadas cargas de SS y así se reduce también la producción de fangos.
El tratamiento a efectuar para obtener el agua de proceso o servicios dependerá sobre todo de su salinidad; así para aguas de proceso se podrá utilizar OI/NF con preferencia sobre el intercambio iónico, pues se minimiza el consumo de reactivos al no existir regeneración de resinas, y se asegura la eliminación de materia orgánica y otros micro contaminantes. Dado que el caudal de agua de rechazo suele ser del orden 25% del caudal de aportación (conversión= 75%), y el factor de concentración (FC) es: (1/0,25) = 4, lo que nos indica que la concentración de sales del rechazo es del orden de 4 veces la del agua de aporte.

Las tecnologías actuales permiten trabajar a valores de conversión más elevados (80-85%) y consecuentemente el FC, pasará a ser de 5 ó 6,7 respectivamente, luego el ahorro en el consumo de agua es evidente, pero también la elevación de la concentración salina del rechazo; esto limita la posibilidad de reaprovechamiento de estos efluentes para conseguir agua regenerada o para mezclarlos con los vertidos, pues se llegan a superar los límites establecidos por la Ley de Aguas. En este sentido se plantea la solución de reducir salinidad a base de separar las sales concentradas por un proceso de Evaporación con la posibilidad de llegar a obtener un sólido prácticamente anhidro en un Cristalizador. Esta tecnología es la que nos acerca más al pretendido vertido cero y además el condensado se podrá reciclar como agua de aportación.

En el esquema 3, se ha detallado la fase de reducción de residuos sólidos persiguiendo la meta prevista de llegar hasta un 10% de los envíos de residuos a vertedero para 2030, según el informe del FIAB indicado al comienzo de este artículo. Observamos que el rechazo de las plantas de RO/NF se concentraría mediante un proceso de osmosis inversa de alto rendimiento (RRO), seguido de un sistema de evaporación. En estas condiciones, se obtendría un residuo sólido de las sales a una concentración aproximada del 25- 30%, y si pretendemos reducir aún más el volumen del residuo, se podría utilizar un sistema de cristalización.ESQUEMA3Los fangos procedentes de la EDAR biológica, se podrían enviar por separado al vertedero, o bien se podrían mezclar con el residuo salino obtenido en la Evaporación / Cristalización; para ello deberían caracterizarse estos residuos y ver cuál sería la opción técnica y económica más conveniente.

El consumo energético de los procesos indicados es relativamente elevado, pero cuando se cuenta con excedentes energéticos y con superficie y condiciones suficientes como para instalar pequeñas plantas generadoras de energías renovables, se hacen perfectamente viables y recomendables.

Con relación a los agentes esterilizantes, se procura utilizar el O3 o los sistemas de radiación UV, frente al NaOCl, y si se usa éste, se procura evitar la presencia de Bromatos presenten en el reactivo industrial, (muy limitados en la normativa de aguas potables). Últimamente se opta por instalar equipos de generación de NaOCl “in situ”, a partir de NaCl para solventar este problema.

Los filtros de carbón se siguen manteniendo como barrera de seguridad, pero también existe la tendencia de eliminarlos por ser fuente de problemas de contaminación en las últimas capas de los lechos que contienen, según se ha explicado antes. La alternativa es utilizar el O3 y UVA se está imponiendo.

En lo relativo a las depuradoras de vertidos, Dada la elevada DQO de los efluentes y su naturaleza, la tendencia es a utilizar tratamientos de depuración anaerobios del tipo UASB, Pakes o EGSB, que tienen bajo consumo energético y alta eficacia de depuración (85 – 90% de reducción de la DQO); de esta forma, se podrá entrar en los parámetros que habitualmente exigen las depuradoras de los polígonos industriales y en las plantas de tratamientos de vertidos municipales( aprox. 1.000 ppm O2 de DQO), por otro lado, los fangos producidos no solo no representan un coste por su tratamiento, secado y gestión en el vertedero, sino que hoy en día existe un mercado que los valora bien y llegan a dejar de ser un coste. Un aspecto menos positivo para el proceso anaerobio es que debe trabajar como mínimo a 25ºC, para tener un rendimiento correcto, pero los efluentes calientes de fábrica (Lavado botellas, purgas de calderas, efluentes de pásters, etc.), pueden paliar en buena parte esta cuestión) y las calderas que se utilizan `para calentar el efluente suelen ser de consumo mixto de biogás / fuel, que representan poco coste energético.
Cuando el vertido tenga que enviarse a un cauce público, deberá tratarse complementariamente en una depuradora biológica aerobia, al ser sus límites mucho más exigentes.

En las depuradoras biológicas aerobias, se está sustituyendo la decantación o flotación de fangos por el sistema de membranas MBR con el que se obtienen efluentes de muy baja carga contaminante tanto biológica como de SS.
Estos efluentes tratados son reciclados en muchos casos a la alimentación de acuíferos o aguas de riego de acuerdo con el RD 1620/2007 de 7 de diciembre) sobre el régimen de reutilización de las aguas depuradas.

CONCLUSIONES

Es evidente que se ha conseguido avanzar de forma notable en la reducción de los vertidos y los residuos de las empresas fabricantes de bebidas refrescantes con las tecnologías disponibles, pero, se entra en una tendencia asintótica. El hecho de que países como los Estados Unidos estén reutilizando algunos efluentes de las fábricas, debidamente tratados, como agua regenerada apta para el consumo humano, le da una nueva dimensión a los ciclos del agua y a la reducción de contaminantes.

Por otro lado, el futuro se orienta al vertido cero, con lo que los procesos de concentración / evaporación y cristalización de residuos y sales se irán imponiendo en la medida en que la legislación medioambiental se haga más exigente y las tecnologías evolucionen.

Todo ello se traducirá en el beneficio de las condiciones climáticas y, por lo tanto, de un mejor futuro para nuestro planeta.