Departamento de Ingeniería Química Industrial 7mo Ciclo
Flujo de fluidos y partículas 6to Informe de laboratorio
“Ósmosis Inversa”
Estudiante: Tenazoa Ramírez, Carlos
Profesor: Gusukuma Higa, Marco
Lima, noviembre 2016
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ÍNDICE 1. Introducción…………………………………………….........................4 2. Objetivos…………………………………………………………..........4 3. Procedimiento experimental………………………................................5 4. Resultados y discusión………………………….....................................7 5. Cuestionario………………………………………………………….....8 6. Conclusiones…………………………………………………………..15 7. Bibliografía……………………………………………………………15
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1. INTRODUCCIÓN La ósmosis inversa es un proceso donde se separan soluciones miscibles de concentración diferente por una membrana que es permeable al solvente pero casi impermeable al soluto, si la difusión del solvente ocurre desde la solución menos concentrada hacia la más concentrada, donde la actividad del solvente es menor se llama ósmosis. Pero si se aplica una presión más alta que la presión osmótica, el solvente se difundirá desde la solución más concentrada a través de la membrana dentro de la solución diluida y este proceso inverso se conoce como ósmosis inversa. Dicho fenómeno puede aprovecharse para la desalinización del agua del mar o para concentrar o purificar las aguas de reflujo. En el presente laboratorio, con la finalidad de conocer como este proceso es llevado a cabo a escala piloto y definir los parámetros para que el proceso sea lo más eficiente posible se utilizó la planta piloto de ósmosis inversa ubica en el laboratorio L204 de la universidad, la cual se muestra en la figura 1.
Figura 1. Planta piloto de ósmosis inversa
2. OBJETIVOS Familiarizarse con el uso de la planta piloto y todos los principios de la ósmosis inversa.
Analizar el efecto de la concentración de sales en el agua con respecto al caudal de descarga del producto (agua desmineralizada).
Calcular la presión osmótica y la resistencia específica de la membrana de ósmosis. 4
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a. En primer lugar, el profesor hizo una breve introducción a la planta piloto, explicando el nombre y función de cada parte del equipo.
D1: Tanque de alimentación, capacidad de 90 L D2: Tanque de recogida del permeado, capacidad 60 l F2: Membrana de ósmosis F1: filtro FT1: caudalímetro G1: Bomba de alimentación de émbolos Válvula de seguridad Conductímetro Líneas de conexión y válvulas Lámpara UV para la esterilización del permeado Tablero de control eléctrico para el manejo de la planta
b. Se conectó el suministro de agua potable al tanque de alimentación y se puso en marcha la operación del equipo. c. Se esperó hasta que el tanque de alimentación llegue a su límite en llenado con ayuda de la boya para no sobrepasarlo.
Figura 2. Tanque de alimentación D1 y una boya adentro. 5
d. Usando el panel de control, se varió la presión desde 10 bar a 35 bar en intervalos de 5 y en cada intervalo datos como la conductividad iónica del agua, el flujo inicial y final; y la temperatura del agua fueron anotados.
Figura 3. Panel de control de la planta piloto e. Una vez obtenida una cantidad considerable de agua desmineralizada en el tanque de recogida D2, con ayuda de baldes se descargó toda el agua osmotizada al tanque de alimentación para iniciar nuevamente el mismo proceso. f. Nuevamente, se varió la presión desde 10 bar a 35 bar usando el panel de control y los mismos datos fueron anotados. g. Una vez terminado todo el proceso, el producto (permeado) fue descargado a la alcantarilla del laboratorio y la planta piloto fue desconectada.
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4. RESULTADOS En las siguientes tablas se muestran los datos recogidos para la ósmosis del agua potable para obtener agua desmineralizada y la ósmosis del agua desmineralizada para determinar la resistencia especifica de la membrana donde sólo se varía la presión de funcionamiento.
Tabla 1. Resultados de la ósmosis del agua potable variando la presión de funcionamiento
Presión de Conductividad Flujo de Flujo de Temperatura funcionamiento iónica (μS) alimentación descarga (°C) (bar) (L/h) (L/h) 10 15 20 25 30 35
18 13.75 10 10 8 8
865 865 857 848 846 834
58.5 89 119 143.25 174.5 200
25 25 25.38 25.84 26.22 26.8
Tabla 2. Resultados de la ósmosis del agua desmineralizada variando la presión de funcionamiento.
Presión de Conductividad Flujo de Flujo de Temperatura funcionamiento iónica (μS) alimentación descarga (°C) (bar) (L/h) (L/h) 10 15 20 25 30 35
5 5 4 3 3 3
876 859 855 851 840 828
60.31 91.56 120 150.5 180.1 209
26 26.3 26.67 27 27.5 27.9
Con respecto a la conductividad iónica del agua puede ser visto que cuando se tenía agua potable la conductividad era mucho mayor en comparación a la conductividad del agua desmineralizada porque los minerales presentes en el agua potable poseen conductividad considerable, en cambio en el agua destilada se extrae la gran cantidad de minerales y por lo tanto la conductividad disminuye considerablemente.
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5. CUESTIONARIO a. Identificar los elementos del diagrama de flujo de la figura 4.
Figura 4. Diagrama de flujo del proceso de ósmosis inversa
D1: Tanque de alimentación, capacidad de 90 L D2: Tanque para recoger el producto, capacidad 60 L F1: Microfiltro G1: Bomba de alimentación de desplazamiento positivo, caudal máximo de 700 L/h; presión máxima de 60 bar. PSV1: Válvula de seguridad ajustada en 40 bar PSW1: Presóstato de seguridad para detener la bomba G1, regulado en 45 bar. F2: Contener para membrana de ósmosis UV: Lámpara ultravioleta para la esterilización del producto. IT: indicador de temperatura P1: indicador de presión PC: controlador de presión CE: medidor de conductividad FI1: Caudalímetro de área variable para el agua de alimentación FI2: Caudalímetro del área variable para el permeado FI3: Caudalímetro de área variable para la descarga del concentrado PV1: Válvula neumática para el control de la presión FV1: Válvula neumática para el control del flujo de descarga de concentrado 8
b. Graficar el caudal de producto (FI2) vs. la caída de presión a través de la membrana (PI1) para el agua potable y el agua destilada, determinar la resistencia de la membrana y analizar ambas curvas
Utilizando los datos de la tabla 1 se grafica el caudal de descarga vs la caída de presión a través de la membrana para el agua potable. 250
) h / L ( a g r a c s e d e d o j u l F
y = 5.6471x + 3.6476 R² = 0.9989
200
150
100
50
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
P (bar)
Figura 6. Caudal del producto vs la caída de presión para el agua potable.
Utilizando los datos de la tabla 2 se grafica el caudal de descarga vs la caída de presión a través de la membrana para el agua desmineralizada.
250
) h / L ( a g r a c s e d e d o j u l F
y = 5.9404x + 1.586 R² = 0.9999
200
150
100
50
0 0
5
10
15
20
25
30
35
P (bar)
Figura 7. Caudal del producto vs la caída de presión para el agua desmineralizada.
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Determinación de la resistencia de la membrana: Usando la ecuación 1 y relacionándola con la ecuación de la recta de la figura 6 es posible obtener la resistencia de la membrana. ∆ = = ()
Donde: J: flujo másico por unidad de área, m/s A: área de la membrana, 2.8 m 2 μ: viscosidad dinámica, 0.891x10 -3 kg/m.s ∆P: caída de presión a través de la membrana R m: resistencia de la membrana, s 2/m2 Despejando la ecuación 1 se tiene:
=
∆ ()
La ecuación de la recta de la figura 6 es: y = 5.9404x + 1.586 Igualando la pendiente de la recta con la pendiente de la ecuación 2 se tiene:
A μR A
= 5.9404
= 5.94x10
A
m
1bar
1Pa kg Pa.s m. s −
μR
x
bar. s 10 Pa −
μR
m
= 5.94x10
x
m . s kg
(2.8 ) = . − (5.9410 )(0.89110− ) . = . −−
Usando la ecuación 2 y la resistencia de la membrana calculada anteriormente, es posible obtener la presión osmótica relacionando la ecuación 2 con la ecuación de la recta.
=
=
10
∆
()
Despejando la ecuación 2:
=
=
∆
∆
()
La ecuación de la recta de la figura 5 es: y = 5.6471x + 3.6476 Igualando la intersección de la recta con la intersección de la ecuación 4 se tiene:
= 3.6476
3.6476 (0.89110− )(5.2910− − ) . = 2.8 = . − El signo negativo de la presión osmótica comprueba que el solvente (agua) se
difunde desde la solución más concentrada a través de la membrana dentro de la solución diluida. Analizando las rectas obtenidas de las figuras 5 y 6 puede ser visto que el caudal de descarga del producto es directamente proporcional a la caída de presión, porque al aumentar la presión se favorece a que la solución más concentrada (agua con minerales) se difunda más rápido a través de la membrana dentro de la solución diluida (agua desmineralizada). c.
Buscar una instalación comercial de ósmosis inversa, determinar el equipo principal, los equipos secundarios y los insumos necesarios para su correcta operación.
Se escogió el equipo comercial de ósmosis inversa en 5 etapas EUR 50 de la empresa Bb agua.
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Figura 8. Equipo EUR 50. Los componentes del equipo principal son: 1. Filtro de Sedimentos 5 micras: elimina las partículas en suspensión en el agua de red 2. Filtro carbón granular: elimina el cloro presente en el agua 3. Filtro carbón block. 4. Carcasa membrana (colocar membrana). 5. Postfiltro Gac.: elimina el posible sabor residual que pudiera resultar del paso de agua por las membranas. 6. Salida a grifo agua purificada 7. Conexión a depósito presurizado 8. Entrada agua de red Los equipos secundarios son:
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9. Depósito presurizado: tanque de agua presurizado, cuyo fin, es el de almacenar el agua tratada y cuya capacidad máxima irá en función de la presión de entrada. 10. Collarín desagüe. 11. Membrana: este cartucho es el elemento más sofisticado, siendo el responsable de la reducción de sales presentes en el agua. 12. Bomba
Figura 9. Diagrama de flujo del proceso de ósmosis inversa del equipo EUR 50.
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d. ¿Por qué las membranas del equipo de ósmosis inversa podrían perder su capacidad? La principal causa por lo que las membranas podrían perder su capacidad es el ensuciamiento que se produce en ellas. El cual se da de diversas maneras:
Acumulación de depósitos en la superficie de la membrana de costras o escamas de carbonato cálcico, silicatos, etc. Sedimentos de partículas como coloides, productos de la corrosión del hierro de las conducciones, precipitados, algas, etc. Bioensuciamiento debido al crecimiento de microorganismos en la superficie de la membrana. Ensuciamiento debido a compuestos orgánicos como aceites o grasas presentes en las aguas residuales industriales.
e. ¿Cuál es el mantenimiento que se le debe realizar a las membranas del equipo de ósmosis inversa?
Utilizar ácidos clorhídrico, fosfórico o cítrico y agentes quelantes como EDTA con la finalidad de eliminar costras de precipitados salinos y ácido oxálico para eliminar los sedimentos de hierro. Agregar álcalis combinados con surfactantes a la membrana para eliminar microorganismos, sedimentos y compuestos orgánicos. Esterilizar la membrana con soluciones de cloro para eliminar microorganismos. Si bien limpiezas sucesivas terminan por degradar las membranas, si se establece un buen programa de limpieza, el tiempo de vida de la membrana se puede prolongar hasta 3 años.
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6. CONCLUSIONES
La interacción con la planta piloto de ósmosis inversa contribuyó a profundizar mejor en el aprendizaje de todos los principios teóricos estudiados en clase. Además, al analizar la función de cada parte del equipo ayuda a comprender la necesidad del porqué ese componente debe est ar ahí y porqué su función es irrelevante en el proceso.
El efecto del caudal de descarga del producto sobre la caída de presión es directamente proporcional, porque al aumentar la presión se favorece a que la solución más concentrada (agua con minerales) se difunda más rápido a través de la membrana dentro de la solución diluida (agua des mineralizada).
La resistencia de la membrana R m varía con la caída de presión, debido a que la velocidad del líquido más alta causada por una caída de presión hace que partículas adicionales de sólidos penetren en el medio filtrante de la membrana. Experimentalmente, la resistencia de la membrana se determina relacionando en un diagrama la caída de presión ∆P en función del caudal Q. La relación entre ambas variables será una línea recta.
El signo negativo obtenido en la presión osmótica comprobó que el solvente (agua) se difundió desde la solución más concentrada a través de la membrana dentro de la solución diluida.
7. BIBLIOGRAFÍA
W. Mc Cabe. J. Smith y P. Harriot. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 7a ed. Ciudad de México, D.F., México: McGraw-Hill Interamericana, 2007.
Y. Cengel and J. Cimbala. Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones, Primera edición. New York: McGraw-Hill, 2006.
Bb agua, especialistas en tratamiento de agua. Manual de instrucciones Ósmosis inversa 5 etapas, 2015.
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