Conservación de agua y energía Gestión Ambiental Tema 4

Generación de residuos en el proceso de fabricación Durante el proceso de producción y en las operaciones de recuperación. Reducción de la generación de residuos mediante Empleo de catalizadores Uso de equipos más eficientes Pérdidas en los equipos y evaporación de orgánicos volátiles. Tanques de almacenamiento Contenedores abiertos Equipos Tratamiento de aguas

Tratamiento de aguas residuales Varían enormemente en cuanto a caudales y características. Producción continua o discontinua. Paradas durante el fin de semana. No pueden emplearse valores típicos en el diseño Mezcla de diferentes corrientes que dificultan su manejo  Necesidad de segregación

Opciones de tratamiento Las aguas residuales industriales pueden verterse en tres formas: Tratamiento en planta de tratamiento de aguas residuales industriales y vertido Descarga directa a colector municipal y tratamiento junto con las aguas urbanas Economía de escala Operación por trabajadores especializados Pretratamiento en la planta y posterior descarga a colector municipal

Vertido a colector Suele requerir neutralización Se prohíbe el vertido de : Explosivos Productos corrosivos Productos sólidos o viscosos (Obstrucción de tuberías) Aceites y productos no biodegradables Compuestos que generen gases tóxicos Metales pesados

Opciones de pretratamiento Procesos físico-químicos Neutralización (Adecuación pH a tratamiento) Sedimentación (Evitar depósitos en tuberías) Lo más adecuado es eliminarlos tan pronto como sea posible) Flotación (Eliminación de aceites libres) Coagulación (Eliminación de materia coloidal) Precipitación (Eliminación de metales pesados) Procesos de oxidación reducción Generar productos menos tóxicos, más fácilmente biodegradables o de más fácil adsorción

Opciones de pretratamiento (II) Procesos físico-químicos Tratamiento con carbón activo Carbón en polvo (PAC) Carbón activo Granular (GAC) Intercambio iónico (Eliminación de especies iónicas) Metales pesados, cianuros, arsenatos, cromatos Filtración (Eliminación de sólidos en suspensión) Empleo de filtros multicapa (arena y antracita) Procesos de membrana

Opciones de pretratamiento (III) Procesos biológicos. Degradación de materia orgánica Sistemas de lodos activos Operación en diferentes configuraciones Sistemas de biopelícula Lagunas Aplicación al terreno Procesos de baja velocidad Infiltración rápida Flujo sobre el terreno Wetlands Tratamiento del lodo

Control de contaminantes atmosféricos Control de partículas Sedimentadores Ciclones Filtros de mangas Scrubbers Precipitadores electrostáticos Eliminación de gases Scrubbers húmedos Adsorción Incineración

Segregación de corrientes

Reducción del consumo de agua Uso de agua para operaciones de limpieza y desengrasado tanto de materias primas como de productos finales. Proceso realizado mediante tanques de aclarado. Sólo sirve para eliminar materia soluble Tanque único Serie de tanques Serie de tanques con flujo de agua Tanques sin flujo son muy eficaces para aclarado inicial, pues permiten la recuperación de los metales arrastrados El uso de sprays puede mejorar la eficacia (aplicable a láminas)

Configuraciones de aclarado

Configuraciones de aclarado

Reducción de costes por reciclado

Proceso de niquelado

Tanque único de aclarado

Balance de materia QDCP + QRCR = QDC1 + QRC1 (C1 - Cp) QR = QD (CR – C1) Suponiendo que CP es mucho mayor que C1 y que C1 es mucho mayor que CR Cp QR = QD C1

Tanques de aclarado en serie

QDCn-1 + QRCR = QDCn + QRCn Balance de materia QDCP + QRCR = QDC1 + QRC1 QDCn-1 + QRCR = QDCn + QRCn La solución simultánea de este conjunto de ecuaciones proporciona QDn 1/n QR = CP Cn

Lavado en contracorriente QR = [(CP/Cn)1/n + 1/n]QD

Lavado en contracorriente con tanque muerto CD = (QDCP + QMCM)/QDQM

Una empresa de cromado opera con un baño con 85 Una empresa de cromado opera con un baño con 85.000 mg Cr/l y un arrastre de 0,06 L/min. ¿Con qué flujo de lavado debe operarse para mantener la concentración de Cr en el arrastre final de la pieza en 25 mg/L? Comparar los diferentes sistemas de lavado. Suponer una velocidad de evaporación de 0,01 L/min Si la empresa emplea un sistema de 3 tanques en contracorriente y pretende instalar un sistema de osmosis inversa para concentar el Cr en el circuito de lavado. Asumiendo que se recupera el 92% del Cr y filtra el 90% del agua, ¿Cuánto Cr se recuperará y cuál será su concentración?. ¿Cuál será la concentración de Cr en el efluente?

Análisis Pinch Técnica de análisis empleada para minimización de residuos por la industria. Desarrollada inicialmente para minimizar el consumo energético, ha sido adaptada para optimizar el uso de agua y reactivos Mediante un diseño holístico, basado en la integración de procesos, en el que los procesos se conciben como un sistema integrado de unidades y corrientes interconectados y no como una serie de etapas individuales e independientes Los materiales o energía necesarios en una etapa pueden ser suministrados por otra etapa Basado en principios termodinámicos empleados para predecir el flujo de materia y energía a través del proceso

Red de cambiadores de calor Integración de procesos Transferencia de calor entre corrientes  ahorro de energía y menores emisiones Mayor T  Transferencia calor más rápida Mayor T  Mayor desperdicio calor útil Área cambiador = f(Tmin)

Análisis térmico La optimización Pinch en sistemas térmicos se basa en el análisis riguroso de todas las fuentes y sumideros de calor en el proceso en términos de entalpía y Tª. Todas las corrientes se dibujan en un diagrama H-T Las curvas se separan mediante una T seleccionada como la fuerza impulsora mínima para transferir calor de forma eficiente. Esta T mínima se denomina temperatura Pinch

Corrientes frías La línea compuesta representa los sumideros de calor del proceso como función de la carga térmica frente a la Tª.

Corrientes calientes La línea compuesta representa las fuentes de calor del proceso como función de la carga térmica frente a la Tª.

Combinación de las curvas

Combinación de las curvas El área entre las dos curvas indica la cantidad potencial de calor que puede transferirse desde la fuente caliente a la fría. El punto de mínima separación vertical es el pinch y representa la mínima diferencia de Tª entre las dos curvas. El pinch indica el punto óptimo de la red donde debe colocarse el cambiador. Las dos curvas no se sobreponen, por lo que no pueden cubrirse todos los requerimientos de calor. Existen unos requerimientos mínimos de calentamiento y enfriamiento. Existe un valor mínimo de T para que la transferencia de calor tenga lugar con un tamaño adecuado de cambiador. Este valor dependerá de decisiones ingenieriles

Imposibilidad termodinámica de transferencia de calor

Análisis pinch para aguas La demanda de agua fresca y la producción de aguas residual puede reducirse mediante: mejoras en la operación Incrementando la reutilización La reutilización puede realizarse: Directa Tratamiento previo (Eliminación de contaminantes molestos) Para maximizar la reutilización de agua debe conocerse: Máxima concentración de contaminante a la entrada Máxima concentración de contaminante a la salida

Uso de agua en proceso industrial

Concentraciones máximas en la entrada y salida Mínima fuerza impulsora para la transferencia de materia Máxima solubilidad Necesidad de evitar precipitación de sales Ensuciamiento Corrosión Flujo mínimo para evitar deposiciones

Ejemplo

Composición de las curvas

Cantidad mínima de agua necesaria: 90 m3/h Diferentes métodos para determinar el diseño final: Máxima fuerza impulsora Mínimo número de fuentes de agua

Máxima fuerza impulsora Dividir la curva en intervalos “verticales” de carga, basado en cambios en la pendiente Diseñar una red basada en esos intervalos Se emplea un diagrama de cuadrícula En cada intervalo se divide la corriente de agua en tantas corrientes como procesos contribuyen a la carga. Se realiza de forma proporcional al flujo de agua limitante para cada proceso. El sistema puede ser algo complejo

Máxima fuerza impulsora

Simplificación del diseño

Mínimo número de fuentes de agua Se emplea la técnica de bypas y mezcla En lugar de intervalos de carga másica se definen intervalos de concentración. En cada intervalo se emplea sólo la cantidad de agua para mantener el funcionamiento del sistema. Se sigue la curva compuesta y se minimizan las fuerzas impulsoras en cada intervalo Si existe más agua de la necesaria, se bypasa y se mezcla más adelante.

Mínimo número de fuentes de agua

Simplificación del diseño

Uso de agua con recirculación

Uso de agua tras regeneración