Reutilizacion de agua en la industria

Dr. PEDRO CORDOVA MENDOZA

ICA-PERU

CURSO:

SIMULACIÓN Y MODELACIÓN AMBIENTAL

8 de Abril del 2013

TEMA:

REUTILIZACION DEL AGUA EN

LA INDUSTRIA (Recicleje)

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA

FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL Y

SANITARIA

1

Reutilización de Agua en la Industria

(Reciclaje)

15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 2

• En la industria ,en general, uno de los principales

objetivos es el ahorro en el consumo de agua .

• Idealmente sería lo mejor reciclar toda el agua que

se va utilizando, lo que evitaría el gasto por el

consumo de agua de suministro a la planta; sin

embargo, es necesario hacer varias consideraciones

dentro de las cuales se encuentran las que se

refieren a los costos de tratamientos del agua

residual para eliminar los contaminantes y dejarla

con la calidad necesaria para que pueda ser

regresada al proceso.

• A medida que se requiere un agua con menos

contaminantes, los tratamientos serán mas

numerosos y generaran un mayor costo.


• Entonces, si se decide no reciclar toda el agua

residual generada, debido al alto costo de su

tratamiento, de cualquier forma, se tendrá que

tratar el agua restante para cumplir con la

legislación ambiental del lugar que norma la

calidad del agua que se dispone a los cuerpos

receptores, tales como el drenaje municipal, ríos,

mares y otros cuerpos.

• Por tal razón, para obtener el costo total del

proceso de reciclaje, se deben tomar en cuenta el

costo de tratamiento para el efluente de la planta ,

el costo de tratamiento de agua de reciclaje y el

costo del agua de suministro, todo lo cual

dependerá de la taza de reciclaje (r) seleccionada.


PLANTA DE TRATAMIENTO PARA

RECICLAJE ($)

PROCESO Entrada de

contaminantes en el agua debido al proceso PLANTA DE

TREATAMIENTO PARA DESCARGA

EN EL RIO ($)

Perdidas de agua ( por torres de

enfriamiento , por el procesamiento

del producto , etc.)

AGUA DE (Fs) SUMINISTRO

($) P

AT

FR

FD

RIO

FIGURA1. Diagrama para Reciclaje y Disposición al río de agua residual generada industrialmente

Caudal de reciclaje (R)


Diagrama de flujo en sistema de producción de agua ultrapura HIDROGEL 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 6

Con base en lo anterior , el costo total diario para

cada reciclaje , estará dado por la siguiente suma de

costos:

d

$ suministro de agua Costo

d

$ reciclaje de agua to tratamiende Costo

d

$ planta efluente to tratamiende Costo

$ diarios totalCosto

d

Definimos la tasa de reciclaje (r) como la relación

entre el flujo o caudal de reciclaje (R) y el flujo de

alimentación o entrada al proceso (A), es decir:

A

Rr

REUTILIZACIÓN DEL AGUA EN LA INDUSTRIA

Ec. 1 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 7

En la figura 1 se muestra un diagrama que

describe lo que en general puede acontecer en

una industria que utiliza cierto flujo de agua de

suministro (Fs) , el cual se mezcla con un flujo

de reciclaje (R), para que formen la corriente

de entrada al proceso (A); el proceso puede

estar formado por uno o varios procesos de

producción, pero es importante señalar que se

generara cierta carga de contaminantes que

serán dispuestos en el agua residual del la

planta; esta tendrá un flujo (AT) el cual deberá

ser tratado.



Una parte de flujo (FR) se tratará en una planta

de tratamientos con la finalidad de que cumpla

con la calidad requerida para que pueda reciclarse

al proceso; el flujo restante (FD) deberá ser

tratado en cumplimiento con las normas de

calidad ambiental fijadas para su descarga en al

cuerpo receptor.

Es importante señalar que, para obtener dichos

flujos en las condiciones reales, se tendrá que

hacer un estudio detallado de balance de masa en

la industria donde se consideren las perdidas de

agua, las cargas de contaminantes, así como los

costos de tratamientos del agua residual para

alcanzar la calidad deseada, los costos del agua de

suministro, entre otros .



Los costos, como es obvio, dependerán del flujo

reciclado; por tal razón se tendrán que realizar

diferentes cálculos sobre costos de diferentes tasas de

reciclajes (r). Esto permitirá encontrar el menor costo

total. Lo anterior se muestra en el siguiente ejemplo,

que resolveremos con la ayuda de MATLAB.



EJEMPLO DE RECICLAJE DE AGUA EN LA INDUSTRIA



PROGRAMA RECICLO

Se pretende reciclar agua en una industria y, con este fin, se

dispone obtener la taza de reciclaje (r) mediante la cual se obtenga

el menor costo total. El proceso de la industria se puede

representar utilizando el diagrama de la figura 1 respecto a

MATLAB, es importante señalar que existe una ventana principal

del titulo MATLAB que aparece inmediatamente después de

cargarlo con el siguiente mensaje:



En esta ventana llamada Command Window es donde se

corren los programas que se deberán guardar como

archivos.m (M-Files), denominados así porque se guardan

con el nombre del archivo y la terminación .m. Para

elaborar y guardar el programa como archivo.m, se realizan

los siguientes pasos:

En la ventana principal del MATLAB, aparece el botón File;

al seleccionar este con el cursor, se muestran varias opciones

dentro de las cuales se encuentran New, la cual a su vez, al

escogerla con el cursor, muestra otras opciones, entre ellas la

de M-File; si esta se oprime con el botón del ratón, aparece

una nueva ventana que tendrá en la parte superior el nombre

de Untitled1:



es aquí donde se deberán guardar los programas; y así lo

haremos para el caso que se examina; Al guardar el

programa, el nombre de la ventana cambia: de Untitled1 pasa

a tomar el nombre del programa deseado; al nuestro lo

guardaremos con el nombre de Reciclo. Por default estos

cambios quedaran guardados en una carpeta denominada

Work.

Después de introducir el programa en esta ventana, y de

guardarlo, para correrlo, es necesario primero teclear su

nombre (el que hemos escogido de Reciclo) en la ventana

principal MATLAB – visualmente tendremos la indicación del

prompt (>>) precediendo lo que vamos a escribir- ; a

continuación pulsaremos la correspondiente tecla enter;

>>Reciclo



Después de esto, el programa, comenzará a correr. Los

mismos pasos, sus equivalentes según cada caso, se realizaran

para correr los diferentes programas. Explicaremos ahora

como se realiza este primer programa denominado Reciclo,

que nos va a servir para obtener la tasa de reciclaje (r)

correspondiente al menor costo diario de reciclaje para

determinada industria. Es importante definir ya los

parámetros conocidos del sistema de la siguiente manera:

Cf = concentración de contaminantes en agua de suministro

(kg/m3)

A = caudal de entrada al proceso (m3/h)

CA = concentración de contaminantes permitida en agua de

proceso (kg/m3) 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 15


P = caudal de pérdidas de agua (m3/h)

CaP = carga de contaminantes aportado por el proceso (kg/h)

CaD = carga de contaminantes permitidos en la descarga (kg/h)

Cosum = costo del agua de suministro ($/m3)

Para comenzar a dirigir el programa, como se señaló

anteriormente, los parámetros conocidos se introducen en un

archivo.m utilizando el botón File. La opción New y, de ahí,

seleccionar M-File, después de esto aparece la ventana donde se

introducen, renglón a renglón, las siguientes instrucciones:



% programa reciclo

% parámetros de entrada para el sistema de reciclo de agua

Cf = input (‘concentración de contaminantes en agua de suministro (kg/m3): …… ..’);

A = input (‘caudal de entrada al proceso (m3/h): ’);

CA =input (‘concentración de contaminantes permitida en agua de proceso (kg/m3): ’);

P =input (‘caudal de pérdidas de agua (m3/h): ’);

CaP = input (‘carga de contaminantes aportado por el proceso (kg/h): ’);

CaD = input (‘carga de contaminantes permitidos en la descarga (kg/h):’);

Cosum = input (‘costo del agua de suministro ($/m3):’);

for r = 0.0:.01:0.85

format short g



Es importante señalar que se deben respetar los signos de coma

(,), paréntesis (()) (||) corchetes, punto y coma(;), entre otros,

para evitar errores. Nunca el texto del código irá con la

acentuación que sí usamos en español. Además, el signo de

porcentaje (%) que precede a los comentarios – por ejemplo,

hemos escrito %Programa Reciclo y %Parámetros de entrada –

se utiliza en el programa para señalar que son comentarios, sin

embargo, no tienen efecto en los cálculos del programa. El

comando input sirve para introducir valores desde el teclado,

valores que requerirá para realizar cálculos; la indicación (´´)

permite introducir el texto correspondiente al parámetro que se

requiera.



El comando for se utiliza para realizar varios cálculos (bucles);

siempre se terminará con un comando end, que se introduce al

final del programa para permitir que se realicen las diferentes

operaciones dentro del bucle. Como se observa,

inmediatamente después del for aparece la instrucción r=

0.0:.01:0.85, la cual quiere decir que el cálculo se realizara desde

un valor de tasa de reciclaje r = 0 hasta r = 0.85, en pasos de

0.01; esto es, el calculo será para 0, luego para 0.01, seguido de

0.02, y así sucesivamente hasta 0.85. Continuando con la

introducción de comandos, se introduce después el comando

siguiente:

format short g



Este comando permite que los valores calculados aparezcan con

5 dígitos. También se puede utilizar el comando format long,

mediante el cual se presentarán hasta 15 dígitos. También se

puede utilizar, en ambos casos, al final e en lugar de g, esto

producirá que los resultados aparezcan de forma científica.

Veamos lo que se obtendría para el número 20.002456, con los

diferente formatos, al correrlos en la ventana principal del

programa MATLAB.

>>format short g >>20.002456 ans= 20.002



>>format short e >>20.002456 ans = 2.0002e + 001 >>format long g >>20.002456 ans=

20.002456

>>format log e

>>20.002456

ans=

2.0002456000000000+001

>> 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 21


El lector puede practicar lo anterior tecleando inmediatamente

después del prompt (>>) y pulsando enter ( ), después lo que

leemos como (ans =) significa que lo que sigue es el resultado.

Con estos comandos, podemos adecuar, para una mejor

presentación, los resultados que obtengamos.

Siguiendo con el programa Reciclo, podemos realizar los

balances para obtener los caudales del sistema de la figura 1.

Se supone una tasa de reciclaje (r), mediante la cual podemos

obtener el caudal de reciclaje (R) utilizando la figura 1 y con

base de la ecuación 1, de la siguiente forma:

R = r * A



El caudal de agua de suministro (Fs) por lo tanto será:

Fs = A - R

El flujo de agua que sale de la planta (AT), que será tratado para

reciclaje y disposición (véase figura 1), se calcula con base en el

flujo de alimentación (A) y al caudal de perdidas de agua en el

mismo (P) de la siguiente manera:

AT = A - P

Debido a que el flujo que entra a la planta de tratamiento para

reciclaje (FR), es igual al caudal de reciclaje (R), se tiene que:

FR = R 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 23


Por lo tanto el caudal que entra a la planta para tratamiento y

disposición en el rio será:

FD = AT – R

Lo anterior también se introduce en el mismo espacio de trabajo

(archivo.m), ahora de la siguiente manera:

% Flujos (m3/h) R = r*A; %flujo de reciclo Fs = A - R; %flujo agua de suministro AT = A - P; %flujo de agua para tratamiento FD = AT - R; %flujo de agua para tratamiento y descarga en el cuerpo receptor



Como ya se señaló, el signo de porcentaje (%) que precede a los

comentarios, se utiliza en el programa para introducir

justamente comentarios; sin embargo, no modifican los cálculos

del programa.

Para las cargas de contaminantes (kg/h), es preciso realizar los

balances correspondientes. Debido a que se conoce la

concentración de contaminantes que tiene el agua de suministro

(Cf), su carga de contaminantes (Chf) estará dada por:

Chf = Fs*Cf

Por las características del proceso, se conoce la concentración de

contaminantes permitidas en el agua que entra en el proceso

(CA); por lo tanto la carga de contaminantes a la entrada del

proceso (ChA) se puede calcular de la siguiente manera:

ChA = A*CA 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 25


Entonces, la carga de contaminantes en el caudal de reciclaje

(ChR) deberá ser:

ChR = ChA-Chf

Así mismo, la carga total de contaminantes en el agua que sale

de la planta (ChAT), se calcula con base en la carga que aporta

el proceso, o los diferentes procesos de la industria (CaP),

mismos que deben ser obtenidos de las bases de diseño de los

diferentes procesos o, en su caso de la caracterización de los

efluentes de la diferentes plantas o planta. De este modo

tenemos que:

ChAT = CaP + ChA



La carga de contaminantes (ChRT) que tendrá el caudal que se

recicla se puede obtener a partir de la relación de caudales de

reciclaje y caudal que sale de la planta (FR/AT), y de la carga

(ChAT), de la siguiente manera:

ChRT= ChAT*(FR/AT);

Y por diferencia, se puede obtener la carga en el caudal que se

trata para disposición al río (ChD):

ChD=ChAT-ChRT

Lo anterior puede ser introducido en el mismo programa de la

siguiente forma:



%Cargas Chf = Fs*Cf; % Carga de contaminantes en el agua suministro ChA = A*CA; % Carga de contaminantes en el agua de entrada al proceso ChR = ChA-Chf; % carga de contaminantes en el reciclo ChAT = CaP + ChA; % Carga de contaminantes en el agua residual para tratamiento ChRT = ChAT*(FR/AT); % Carga de contaminantes en el reciclo de entrada a tratamiento ChD = ChAT-ChRT; % Carga de contaminantes en el caudal para tratamiento y descarga en cuerpo receptor



Después de obtener las cargas de contaminantes en

los diferentes puntos del sistema, es posible calcular

los porcentajes de remoción en la planta de

tratamiento de reciclaje y en la planta de tratamiento

para disposición. Efectuamos la diferencia entre la

carga que entra (ChRT) y la que sale de planta para

reciclaje (ChR), o sea:

ChrR = ChRT – ChR

Y ya el porcentaje de remoción (PR1) se calcula con

base en esa diferencia como sigue:

PR1=100*ChrR

ChRT 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 29


Los cálculos anteriores se introducen en el programa

de la siguiente manera:

% Remoción de contaminantes

% porcentaje de remoción en:

% reciclo:

ChrT – ChR; % carga de contaminantes removida

del agua de reciclo

PR1 = 100*ChrR/ChRT; % porcentaje

if PR1<=0 PR = 0; else PR=PR1; end 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 30


Como se observa, también se introdujeron los

comandos if, else y end. El comando if, permite

probar una condición que servirá para decidir los

cálculos que se realizarán después. En este caso, se

prueba si PR1 es menor o igual que cero (<=0); en

caso de que se cumpla, PR1 valdrá cero, evitando

que se tengan valores negativos. Esto significa que se

requerirá tratar esta corriente, ya que tiene menor

contaminación de la requerida para el reciclaje y por

lo tanto no generará costo alguno de tratamiento. En

caso contrario, es decir, que no se cumpla lo anterior,

entonces se mantiene el valor de PR1, para continuar

con el cálculo, para la cual se utilizo el comando

else. Siempre se tendrá que terminar con el comando

end después de empezar con el comando if, igual

que en el caso de comando for. 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 31


El mismo procedimiento se aplica para obtener la

carga ( ChrD), que será removida para disponer el

agua tratada en el río y su porcentaje de remoción

(PD). Las instrucciones en el programa se introducen

como sigue:

% descarga río:

ChrD = ChD - Cad; % Carga de contaminantes

removida del caudal para

% descarga

PD = 1OO*ChrD/ChD; % porcentaje Ya con estos porcentajes es posible calcular los costos

por el tratamiento del agua para ambos casos.



Supongamos que el costo de tratamiento por metro

cúbico de agua ($/m3), en función del porcentaje de

remoción de contaminantes (PR O PD), corresponde

al parámetro que vamos indicar.

Para el reciclaje:

Costo ($/m3) = 0.0012*PR2 + 0.0047

Para la disposición:

Costo ($/m3)= 0.0012*PD2 + 0.0047

Entonces, las indicaciones que vamos a introducir

serán:

% Costos en $/ m3 a = 0012; b = 0127; c = 0.0047;



Remo = ((a*PR ^2)+ b*PR + c);

Desc = ((a*PD^ 2) + b*PD + c);

Para obtener el costo total diario es necesario

multiplicar el valor calculado anteriormente por el

caudal a tratar para cada caso y por 24 para

transformar a días. Lo cual se introduce como

veremos:

Para el costo total del tratamiento para el reciclaje

por día (Ltre):

Ltre = FR* 24* Remo; % costo reciclo



Para el costo total del tratamiento para la

disposición al río por día (Ltrder):

Ltdesr = FD*24* Desc; % costo disposición

En este caso, como en la parte anterior del cálculo de

las cargas, también se utilizan los comandos if, else y

end evitando que se tengan valores negativos, lo cual

se hace introduciendo las siguientes instrucciones en

el programa:

If Ltdesr < 0 % no requiere tratamiento para

descarga al rio

Ltdes=0;

else

Ltdes = Ltdesr;

end 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 35


El costo diario por el agua de suministro, se calcula

de forma similar, pero con base en el valor del costo

$/m3 del agua de suministro, es decir:

costosum = Cosum* Fs* ,24, % costo suministro

El costo total por los tres rubros (Costotal)

obviamente será la suma de cada una de ellos; vamos

ahora a introducir las correspondientes indicaciones

en el programa:

Costotal = (Ltre + Ltdes + costosum); % costo total

Veamos las que se introducen para graficar los datos:

xlabel(‘r’);

ylabel(‘costo total ($/d)’);

plot(r,costotal, ‘k+’ )

hold on 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 36

Los comandos xlabel y ylabel se para utilizan ponerles los títulos

(r) y (costo total) ($/d) a las coordenadas x & y respectivamente. El

comando plot sirve para crear la grafica, en este caso las

dimensiones, x & y, donde se especifican la letra ‘r’ y el costotal,

respectivamente; también se introduce una ‘k’, la cual sirve para

darle el color a los puntos que aparecerán como signo (+). En el

caso de que se quiera realizar otra corrida con diferentes datos, se

puede utilizar una letra ‘o’, en lugar del signo mas (+), para

diferenciar las corridas; si se hace así, los puntos aparecerán como

círculos.



Estos puntos y su color pueden cambiar; por ejemplo, si se utiliza

una letra ‘r’ en lugar de una ‘k’, el punto será de color rojo; si se

utiliza en lugar del símbolo ‘+’ la letra ‘s’, el punto cambia a un

cuadrito. A continuación se muestran mas caracteres para crear

otros colores y tipos de puntos.

Para los colores:

g: véase de

b: azul

r: rojo

y: amarillo

w: blanco

k: negro



Para los puntos:

s: cuadrado

d: rombo

< : triangulo hacia la derecha

^ : triangulo hacia arriba

> : triangulo hacia la izquierda

V : triangulo hacia abajo



El comando hold on evita que la grafica que se crea se borre

cuando aparecen los nuevos puntos de la segunda corrida. Esto

permite sobreponer las diferentes graficas.

El comando disp permite que aparezcan comentarios en

pantalla, y se introduce:

disp (‘ r costo total ($/d)’),

Lo cual indicara el valor de tasa de reciclo (r) y el costo total

($/d).



Resultados del programa reciclo

Para presentar los resultados numéricos en pantalla

correspondientes a los valores de tasa del reciclaje (r) y el costo

total (costotal), en una matriz denominada R, se hará del siguiente

modo:

R = [ r , costotal ]

Se le sugiere al maestrante que, como ejercicio practico, vaya él

entrando el total de comandos que corresponden al programa

completo y que presentamos todos juntos a continuación para que

se vaya familiarizando con los mismos. Recuerde que debe

salvarlo con el nombre por el elegido: nosotros habíamos optado

por el de Reciclo.


Tenemos que cuidarlo esta en nuestras manos!!!!!!!

Gracias

Cel. 956-041243

[email protected] 15/04/2013 DR. Pedro Córdova Mendoza 42

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