Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Química Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica Autor: Ana Pérez García Tutor: Alicia Ronda Gálvez Pedro Garcia Haro Dpto. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Química Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica Autor: Ana Pérez García Tutor: Alicia Ronda Gálvez Pedro García Haro Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Trabajo Fin de Grado: Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica Autor: Ana Pérez García Tutor: Alicia Ronda Gálvez Pedro García Haro El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal A mis amigos, familia y maestros que me apoyan y se alegran de mis logros. Agradecimientos Llegados a este punto, que pensé que nunca existiría, solo me queda agradecer a cada una de las personas que han estado conmigo desde el primer grupo de WhatsApp, formado por 100 personas, con ganas e ilusión de entrar en la Universidad, hasta los últimos compañeros; de todos ellos he aprendido. En especial a mis buitrops, sin ellos la Etsi no hubiera sido lo mismo. A Irene por acompañarme desde el primer día hasta las cervecitas en los 100 montaditos de Barqueta. A mis Elenas por enseñarme que la vida tiene muchos puntos de vistas, que hay que reírse de lo malo y que juntas todo es mejor, más divertido. A Angela y Marta por llegar para quedarse, mis mayores apoyos en estos años y mis compañeras de vida. A mis trece+2, por saber que la amistad del colegio es para toda la vida. A mis padres, porque sin ellos no hubiera sido posible nada de esto, por saber acompañarme en todo momento, por confiar en mí, por estar orgullosos y por toda la ayuda prestada: desde los tuppers mañaneros hasta las segundas matrículas. A mi tata y mis hermanos. Tengo que agradecer a mis tutores; Alicia y Pedro, por toda la ayuda ofrecida y tiempo dedicado durante la elaboración de este proyecto, porque cuando más negro ví el camino supieron animarme para seguir hacía delante. Ana Pérez García Grado en Ingeniería Química Sevilla, 2019 2.2.10 Tabla resumen baños 25 2.3 Características de las aguas 26 2.4 Porcentaje retenido en las piezas 27 2.5 Seguridad frente a los tratamientos superficiales 28 3. Caracterización de las aguas a depurar 29 3.1 Aguas de enjuague alcalinos 29 3.2 Aguas de enjuague ácidos 30 3.3 Cuantificación de los contaminantes en los baños de lavado 31 3.4 Forma de operación 31 4.Diagrama de flujo del proceso 35 5.Diseño detallado de equipos 37 5.1 Cálculo de la dosificación agente reductor 37 5.2 Cálculo de la dosificación de hipoclorito 38 5.3 Clarificador 39 5.3.1 Adicción de Coagulantes 39 5.3.2 Adicción de Floculantes 40 5.3.3 Tiempo mínimo para la sedimentación de las partículas 40 5.3.4 Clarificador Secundario 43 5.4 Secador 44 5.7 Tabla resumen de resultados 46 6.Diseño del sistema de control básico 49 7. Implantación y distribucción en la planta 51 7.1 Busqueda de la localización 51 7.2 Implantación 52 8. Planificación de las tareas de ejecución 55 Referencias 59 III. Planos Anexo I. Tablas propiedades del agua I Anexo II. Balance de materia III ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Principales riesgos del NaOH [6]. 4 Tabla 2: Principales riesgos del Cr [7]. 5 Tabla 3: Clasificación de los recubrimientos de las superficies [15]. 8 Tabla 4: Capas de conversión. Características y aplicación [9]. 9 Tabla 5: Calidad enjuague [11]. 10 Tabla 6: Valores Límites de Emisión del Cr (VI) [4]. 11 Tabla 7: Composiciones del baño de Desengrase Alcalino [11]. 21 Tabla 8: Características más relevantes de los baños de la planta de tratamientos superficiales. 26 Tabla 9: Parámetros Agua Tipo A [27]. 26 Tabla 10: Concentración en g/L de los contaminantes de los baños de agua tras tratamientos. 31 Tabla 11: Actividades del Diagrama de Pert para la forma que trabaja las cubas. 33 Tabla 12: Tabla resumen resultados equipos del diagrama de proceso 47 Tabla 13: Actividades y duración que se llevan a cabo en el proyecto. 55 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Esquema de un tratamiento superficial en la industria aeronáutica [2] y [3]. 2 Figura 2: Esquema de una instalación de desengrase de vapor [12]. 6 Figura 3: Comunidades autónomas que predominan en el sector de la aeronáutica en España. 15 Figura 4: Consumo de agua anual (m3/año) en tratamientos superficiales en la industria aeronáutica [2]. 16 Figura 5: Diagrama de bloques de la planta de tratamientos superficiale [2] y [3]. 19 Figura 6: Ciclo electrolítico del anodizado [3]. 24 Figura 7: Técnica de Enjuague simple [2]. 27 Figura 8: Piezas utilizadas en la planta. 28 Figura 9: Equilibrio de una solución de cloro, ácido hipocloroso e hipoclorito sódico a 25 ºC [32]. 29 Figura 10:Diagrama de Pourbaix del Cromo [33]. 30 Figura 11: Diagrama de Pert de la gestión de las cubas. 32 Figura 12: Diagrama del proceso de depuración de las aguas residuales 17 Figura 13: Tanque de almacenamiento. 38 Figura 14: Fracción molar para un pH de 9,5. 38 Figura 15: Coeficientes de rozamientos para esferas, discos y cilindros [6]. 42 Figura 16: Modelo de temperaturas en un secador adiabático continuo en contracorriente [35]. 45 Figura 17: Diagrama de instrumentación de la planta depuradora de las aguas 50 Figura 18: Localización de la calle Torre de los Herberos con respecto a las vías de acceso desde Sevilla y Dos Hermanas. 51 Figura 19: Emplazamiento del terreno en calle Torre de los Hebreros, número 3. 52 Figura 20: Diagrama de Gantt del proceso. Fuente: Propia. 56 ÍNDICE DE ANEXOS Tabla X1: Propiedades del agua saturada (líquido-vapor): Tabla de presiones [42]. I Tabla X2: Calores específicos de diveros líquidos y sólidos [42]. II Tabla X3: Calores específicos para gas ideal en el aire, nitrógeno y oxígeno [42]. III Tabla Y1: Balance de materiade la planta depuradora de agua de la corriente 1 hasta la 12. IV Tabla Y2: Balance de materiade la planta depuradora de agua de la corriente 13 hasta la 24. V Notación Amin Ap CD Cin CpH2O Cpaire Cu DC Dp g Gmin H mp nHipoclorito Área mínima (m2) Área transversal de la partícula (m2) Coeficiente de rozamiento (-) Concentración de sólidos a la entrada (g/L) Calor específico del agua (kJ/kgK) Calor específico del aire (kJ/kgK) Concentración de fangos a la salida (g/L) Diámetro del clarificador (m) Diámetro de las partículas (m) Aceleración de la gravedad (m/s2) Flujo mínimo descendente (g/m2h) Altura del clarificador (m) Masa de la partícula (kg) Moles de hipoclorito (mol/L) nH2O Moles de agua (mol/L) nNaOH Qo Moles de NaOH (mol/L) Caudal de líquido de entrada (l/h) Rep TinH2O Tinair Toutair tR Tvap uo ut Número de Reynold para las partículas (-) Temperatura de entrada del fluido líquido (ºC) Temperatura de entrada del aire (ºC) Temperatura de salida del aire (ºC) Tiempo mínimo de sedimentación (s) Temperatura de vaporización del agua (ºC) Velocidad del fludio (m/s) Velocidad terminal del fludio (m/s) Letras griegas λ ρ ρp 𝑚󰇗𝐻2𝑂 𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒 Calor de vaporización del agua (kJ/kg) Densidad del fludio (kg/m3) Densidad de la partícula (kg/m3) Caudal másico del agua (kg/h) Caudal másico de aire (kg/h) µ Viscosidad del fludio (kg/m∙s) I. CONTEXTO Contexto del proyecto 6 1.3.1 Pretratamiento Antes de proceder al recubrimiento superficial de la pieza, se necesita un tratamiento previo de preparación de la superficie para eliminar los restos de grasas e impurezas superficiales que contiene. Por ello la primera operación previa debe consistir en un pulido mecánico, es decir conseguir un alisado y eliminación de ásperas para tener una superficie uniforme. El pulido mecánico suele hacerse mediante granallado, o chorreado de arena a presión sobre el espacio. Este chorreado abrasivo puede ser seco o húmedo. Seguidamente en este apartado se dividen en dos los pretratamientos a seguir: El desengrasado químico y el decapado o desoxidado [11]. 1.3.1.1 Desengrasado La finalidad de este pretratamiento es no contaminar los baños posteriores eliminando los restos de grasas y aceites de protección, marcas de tintas y sellos de identificación. Esta operación se puede llevar a cabo de diferentes formas: • En fase vapor. • Por inmersión en baño químico. El desengrasado en fase vapor consiste en la condensación de un flujo de vapor, normalmente vapores calientes de solventes de cloruro o de fluoruro, sobre la superficie de las piezas a desengrasar arrastrando la suciedad aceitosa. La instalación se puede ver en la Figura 2, la cual no entra en el alcance de este proyecto. Figura 2: Esquema de una instalación de desengrase de vapor [12]. 7 7 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica Por otro lado, el desengrase por inmersión en un baño bien contenga disolvente o detergente, se lleva a cabo de la misma manera. Se introduce la superficie de la pieza a tratar en la solución química durante un tiempo prefijado [13]. Existen sistemas de inmersión variados, desde la inmersión manual hasta instalaciones totalmente automatizadas [14]. La selección de los productos químicos y del proceso de desengrase a utilizar depende de los siguientes factores [15]: • Las características de las impurezas a limpiar • La naturaleza de la pieza. (Compatibilidad de los productos de desengrase con los materiales de la pieza). • El grado de limpieza requerido. • El coste económico. • El impacto sobre el medio ambiente. El aumento de temperatura favorece el desengrase. 1.3.1.2 Decapado o dexosidado Es el proceso encargado de eliminar las impurezas o acabados superficiales, como machas, oxidados u otras impurezas. El decapado consiste en aplicar químicos, ácidos, para eliminar la capa de óxido aplicada en procesos anteriores y reestablecer su estado original. Se usan agentes químicos como el ácido sulfúrico, ácido clorhídrico o el ácido fosfórico. Para contrarrestar la actuación del ácido sobre el óxido es importante usar productos inhibidores. El proceso se desarrolla introduciendo la pieza en ese baño ácido un tiempo estipulado y este se encarga de disolver la primera capa superficial. Es importante realizar un lavado adecuando una vez finalizada esta etapa ya que pueden producir corrosión las sales de hierro adheridas tras sacar el metal de los ácidos [16]. 1.3.2 Tratamientos Superficiales Las piezas metálicas suelen estar recubiertas, con pintura, chapeado u otros procesos. Esto se debe a unas principales razones [11]: • Mejorar el aspecto del producto. (Ej: Dar color o textura) • Protegerlas contra la corrosión del sustrato. • Reducir la fricción de la superficie y aumentar la resistencia al desgaste. • Mejorar la conductividad eléctrica. • Aumentar la resistencia eléctrica. • Preparar la superficie para un procesamiento posterior. • Reconstruir las superficies erosionadas durante el proceso. Contexto del proyecto 8 En la Tabla 3, se muestra la clasificación por grupos, de los tratamientos superficiales según el tipo de recubrimiento. Tabla 3: Clasificación de los recubrimientos de las superficies [17]. GRUPOS RECUBRIMIENTOS Orgánicos Pinturas, resina lacas, grasas, revestimiento de plástico o aislante. Metálicos Cincado, Niquelado, Cobreado Por conversión Fosfatado, Cromatado, Anodizado Especiales Vitrificados, cementos, termoplasticos Los recubrimientos orgánicos son resinas y polímeros producidos de forma natural o sintética, generalmente son líquidos que se secan o endurecen formando una película superficial [18]. Entre los recubrimientos metálicos, con el fin de proteger a otros metales de la corrosión se encuentran los metales más usados en la industria: (Cu, Ni y Cr). El cobre aumenta la conductividad y evita la corrosión por rozamiento; no se usa para fines decorativos. El níquel sirve como resistencia a la oxidación y es resistente a la temperatura; se emplea para revestimiento de instalaciones de productos químicos Por último, el cromo proporciona resistencia frente a la corrosión, incrementa su dureza superficial y facilita la limpieza del objeto; se puede usar con fines decorativos [19]. El recubrimiento por capa de conversión consiste en la transformación de la superficie del metal base a recubrir, se forma una capa protectora en ésta que presenta funciones protectoras que varían en función de la capa de conversión conseguida. Entre este tipo de recubrimiento se encuentran el fosfatado, cromatado y anodizado. El fosfatado es un tratamiento químico en el que una solución de fosfatos de ácidos de zinc, hierro o manganeso entra en contacto con piezas de hierro, acero preferiblemente [20]. Cuando ocurre un ataque químico contra un metal cuando se pone en contacto con una solución acuosa de ácido crómico o sales de cromos, se le conoce con el nombre de cromados, basado en la electrólisis, depositándose una fina capa de cromo metálico sobre la pieza [21]. Como tercer tipo de recubrimiento por capa de conversión se tiene el anodizado, el cual se basa en una envoltura de óxido estable mediante una reacción electroquímica. Tienen lugar las siguientes reacciones: • En el ánodo se origina una película, continua y porosa, principalmente de óxido de aluminio ya que se desprende oxígeno y se disuelve el metal. • En el cátodo se reducen especies oxidadas y se desprende hidrógeno [11]. 9 9 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica En la siguiente Tabla 4, se resumen las características y las aplicaciones de los diferentes tipos de recubrimientos por capa de conversión y así poder sus diferencias. Tabla 4: Capas de conversión. Características y aplicación [11]. CAPA DE CONVERSIÓN CARACTERÍSTICAS APLICACIÓN Fosfatado Absorbente Resistente al desgaste por fricción. Hierro y acero. Prepara la superficie para el pintado. Engranajes, levas, pistones Cromatado Resistencia corrosión atmosférica Tratamiento final de recubrimiento de cinc y cadmio Anodizado Capa de óxido en la superficie del metal Película gruesa anticorrosiva Superficies de Aluminio Para finalizar los tratamientos superficiales se tienen los recubrimientos que cumplen finalidades específicas, protegiendo piezas que deben permanecer muchos años en funcionamiento contra agentes de alta agresividad, reciben el nombre de recubrimientos especiales. Se puede distinguir entre los vitrificadores, formados por una capa de vidrio fundido y solificado sobre la base. Los vitrificadores se caracterizar por ser duros, tener una alta resistencia química y ser compactos y adherentes. Se usan sustancias bituminosas, como puede ser el alquitrán, para la protección de materiales contra microorganismos. Los termoplásticos también presentan unas buenas condiciones de aislantes de calor, característicos por deformarse por la acción del calor y volver a su estado sólido inicial al bajar la temperatura. En este grupo también entran los recubrimientos temporales, imprescindible a la hora de proteger la pieza durante su almacenamiento o transporte. 1.3.3 Postratamiento Una vez finalizado el tratamiento adaptado a la superficie de la pieza, se encuentran otros métodos para realizar un acabado final. Destaca el proceso de pasivación que se trata de renovar la capa pasiva, capa que protege al metal de la corrosión, mediante productos químicos. Se forma una película inerte sobre la base del material dejándolo cubierta contra la acción de agentes externos. “Pasivo” se define como menos afectado por factores ambientales. La pasivación no cambia la apariencia externa de la superficie del metal [22]. Contexto del proyecto 10 1.3.4 Aguas de enjuague Las necesidades de enjuague están relacionadas con el nivel de arrastre que producen la pieazas al pasar de una cuba a otra. Esto se se realiza para evitar que otros baños queden contaminados de los baños anteriores y para que la acción prolongada de electrolitos sobre la superficie de las piezas no suponga un deterioro de la pieza [13]. Las alternativas de enjuague tienen como objetivos: controlar el arrastre de los baños de procesos a los baños de enjaugues y minimizar el consumo de agua [13]. En la siguiente Tabla 5 se recogen los valores de calidad que se obtienen cuando las piezas pasan por el baño de enjuague para lo diferentes grupos de subprocesos; donde Co es la concentración del baño de proceso y Cr la concentración final máxima aceptable en el enjuague. Tabla 5: Calidad enjuague [13]. Tipos de Procesos Contaminante Valor Co (g/L) Valor Cr (mg/L) Preparación de superficies (desengrase, decapado, activado) Fe3+ 30 g/L 60-6 mg/L Acabados multicapa (Cu, Ni, Cr..) Ni2+ 10g/L 2-1 mg/L Zn2+ 5 g/L 1-0,5 mg/L Pasivación crómica Cr6+ 5 g/L 5-2,5 mg/L Fosfatación, Anodizado, Pavonado 𝑆𝑂4 2− 200 g/L 100-40 mg/L Enjuagues finales críticos Conductividad < 5µS/cm 1.4 Marco legislativo Existen varias normativas acerca de los vertidos de aguas residuales, la planta de procesos superficiales se encuentra en Andalucía, por lo tanto, este proyecto se basa en los límites de vertido proporcionados por el Decreto 109/2015 que la Consejería del medio ambiente y ordenación del territorio llevó a cabo el 17 de marzo, por el que se aprueba el Reglamento de Vertido al Dominio Público Hidráulico y al Dominio Público Marítimo- Terrestre de Andalucía. En el caso del presente proyecto, se intenta reutilizar las aguas de nuevo en la planta, para posteriores enjuagues. Como Dominio Público Hidráulico se considera las aguas continentales, ríos, lagos, embalses entre otros. 11 11 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica En el capítulo II, “Autorización de vertido”, en la sección sexta, de este Decreto 109/2015, “Límites de emisión y objetivos y normas de calidad ambiental”, Artículo 24 muestra los límites de emisión. El punto 6 de este artículo expresa: “Los límites de emisión se refieren a concentraciones máximas, sin que pueda superarse el valor señalado en la autorización” [6]. Para fijar estos límites y parámetros se tiene en cuenta el estado de la técnica, las características del proceso, materias primas y la capacidad de absorción de la carga contaminante [6]. Los límites establecidos para el vertido de las aguas se ven reflejado en las tablas del Anexo IV, “Valores Límites de Emisión” de este Reglamento. El valor recogido del parámetro que interesa para este proyecto, Cr(VI), viene determinado según el tipo de agua en la Tabla 6. Tabla 6: Valores Límites de Emisión del Cr(VI) [6]. El punto 4, del Artículo 24 del mimo Reglamento especifica que “Podrán sobrepasarse los límites establecidos del Anexo IV en aquellos casos especiales en los que se apliquen las mejores técnicas disponibles (MTD) y siempre que pueda justificarse que la emisión de dichos vertidos no afecta al logro de los objetivos medioambientales de la masa de agua afectada” [6]. El presente proyecto se basa en un proceso físico-químico, donde, con la ayuda de adicción de sustancias coagulantes y floculantes, el principal contaminante, Cr(VI), precipita y tras un secado se obtiene un lodo que se trata fuera de la planta. El agua en cierta medida se intenta reutilizar dentro de la planta para posteriores tratamientos de las piezas de aluminio. El agua residual a la salida del baño de enjuague sobrepasa los valores máximo que se indican en el Anexo IV del Decreto 109/2015, unos 40 gCr(VI) /L, por lo que es necesario plantear un sistema de depuración para reducirlo hasta que se alcance 0,01 mgCr(VI)/L y se pueda verter en caso de que fuera necesario en las aguas superficiales. Parámetro Uds Aguas costeras y de transición Aguas superficiales Valor mensual Valor diario Valor puntual Valor mensual Valor diario Valor puntual Cr(VI) mg/L 0,03 0,033 0,036 0,01 0,011 0,012 Contexto del proyecto 12 13 2 ESTUDIO ECONÓMICO-FINANCIERO egún el periódico El País, en una publicación del 28 de agosto del 2016, “España es uno de los diez países del mundo capaz de poner en vuelo un avión”; en España existen 351 empresas dedicadas al sector de la aeronáutica, dato referente en el año 2016, de las que el 96% son pymes, empresa pequeña o mediana en cuanto a volumen de ingresos [23]. Las comunidades autónomas que predominan en este sector se tratan de Madrid, País Vaco y Andalucía. En la Figura 3, se representan los lugares donde predominan el sector de la aeronáutica en España. Figura 3: Comunidades autónomas que predominan en el sector de la aeronáutica en España. Dicho sector tiene un gran consumo de agua, tanto durante el proceso de fabricación de las distintas piezas que componen el avión como durante el tratamiento superficial de dichas piezas. La Figura 4, muestra el consumo de agua anual (m3/año) que consumen las empresas en España.Ya que en el TFG se ha visto que las cubas necesarias son menores de 30 m3, el consumo de agua del sector aeronáutico estaría dentro de las empresas sombreadas en oscuro (Figura 4). Además, se podría determinar que por media las empresas de menos de 30 m3 generan alrededor de 15.000 m3/año. S Estudio económico-financiero 14 Figura 4: Consumo de agua anual (m3/año) en tratamientos superficiales en la industria aeronáutica [2]. En los tratamientos superficiales, el agua que se consume es similar al agua que se genera, ya que el agua que se consume en mayor medida es el agua de enjuague de las piezas; este agua actualmente es vertida al medio. Dado que estas aguas tienen valores de contaminantes por encima de los permitidos por la ley, el Artículo 289, del Capítulo II, “Canon de control de vertido” del Real Decreto 606/2003 del 23 de mayo, por el que se aprueba el Reglamento del Dominio Público Hidráulico, muestra que “Los vertidos al dominio público estarán gravados con una tasa destinada al estudio, control, protección y mejora del medio receptor, se denomina canon de control de vertidos”. El Artículo 291, del mismo Real Decreto, específica cuál es el importe de este canon de control, donde se calcula el volumen del vertido por un precio unitario de control de vertido. Este precio unitario se trata de 0,03005 €/m3 para aguas residuales procedentes de industrias [24]. Es decir, se estima que el gasto de la planta en aguas residuales es de unos 451 €/año. El sistema de tratamiento propuesto permite tanto el ahorro en el consumo de agua al reutilizar un agua residual como el ahorro económico de no tener que pagar el canon de vertido. El sector aeronáutico se encuentra en continuo movimiento, se valora que el crecimiento en los próximos veinte años sea de un 5% [25]. Por ello, se tiene en cuenta en el proyecto una posible ampliación, si fuera necesaria, en caso de ampliar la zona de producción y el sistema propuesto está diseñado para que la depuración sea más exigente debido a que bajen los límites de emisión en la normativa. II.MEMORIA TE CNI CA 2 Descripción del proceso 22 22 sucesivo proceso. Se realiza tras el enjuague alcalino procedente de la limpieza alcalina y el enjuague ácido procedente del decapado ácido. En caso de no conformidad la pieza deberá reprocesarse hasta que pase la prueba. Se trata de que al sacar la pieza del enjuague por inmersión se tenga una inspección visual de la progresión de la película de agua formada. El caso afirmativo ocurrirá cuando se observe una película continua de agua durante unos 30 segundos. Cuando no ocurre esto es debido a que sigue existiendo impurezas, restos de aceites y grasas, así que el agua se frenará y se romperá en pequeñas gotas [26]. 2.2.4 Decapado Alcalino Esta cuba construida en acero inoxidable está constituida por un producto comercial denominado Turco Aluminech, entre unos límite de concentración, 45 g/L de mínimo y 75 g/L de máximo. Se trabajará en un punto nominal aproximadamente de unos 58 g/L de Turco en el agua de calidad de tipo A. En este producto está compuesto mayoritariamente por NaOH por ello su carácter alcalino. El intervalo de temperatura a la que se encuentra este baño oscila entre los 54-63 ºC. El tiempo de inmersión de las piezas en él lo fija el factor de ataque, el cual se realizará diariamente, debe comprenderse dentro de los límites 1-2µm/min/cara. Este tiempo de inmersión será 5-6 minutos por pieza, mayores tiempos puede causar daños en la superficie de la pieza. La finalidad del decapado alcalino es la eliminación de material para una posterior inspección de grietas [3]. La composición mayoritaria del Turco Aluminetch es la siguiente [28]: • NaOH: 80-90% • Ortofosfato trisodico: 1-10% De nuevo este baño constará de un volumen del 13.500 litros y dimensiones de 6,45x0,89x2,35 metros con una inclinación de las paredes de 0,5%. 2.2.5 Prueba del factor ataque Son ensayos que se deben de efectuar diariamente y trata de sumergir una fracción de metal, con las mismas composiciones y características que las piezas que se quieren tratar, durante un tiempo prefijado y así visualizar, mediante equipos especializados en medidas de espesores, los µm de superficie de la pieza por unidad de tiempo que son eliminados en ese baño. También mediante instrumentos de medidas de pesos se observa el cambio de masa que se adhiere transcurrido ese tiempo. Esta prueba marca el período que tienen que estar las piezas introducidas en el baño para una correcta ejecución y un perfecto acabado del tratamiento. 23 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica 2.2.6 Decapado ácido (Desoxidado) En el baño de desoxidado se quiere conseguir la eliminación de las partículas de óxido de la superficie y otras impurezas generadas en la limpieza alcalina, y así prepararlas para el próximo tratamiento, el anodizado. Esta cuba de dimensiones 6,45x0,89x2,35 metros, con una inclinación de las paredes de 0,5% y un volumen de 13.500 litros se componen de agua de clase tipo A y un producto comercial libre de cromo denominado “Turco Smut Go liqued” en unas concentraciones entre 200-245 g/L. Este producto se compone de [29]: • Sulfato férrico: 10-30% • Ácido Nítrico: 10-30 % • Hidrogenodifluoruro de potasio: 1-5% • Ácido sulfúrico: 0,1-1 % Este producto ayuda la reacción de ácido nítrico con óxido de aluminio ya que el ácido se encuentra disociado en la solución y la capa de alúmina (Al2O3) reacciona con los protones presentes [26]: 𝐻𝑁𝑂3→𝐻++𝑁𝑂3 − (R.1) 𝐴𝑙2𝑂3+6𝐻+→3𝐻2𝑂+2𝐴𝑙3+ (R.2) El tiempo de inmersión de las piezas lo marca el factor de ataque, estando alrededor de los límites 0,5-2,5 µm/h/sup, entre 5-10 min. Requiere agitación mediante soplantes. Se trabaja en temperatura ambiente estando entre unos 20-40 ºC. 2.2.7 Anodizado crómico Las piezas se introducen en un baño electrolítico, la oxidación anódica debe su nombre a que las piezas a tratar actúan anódicamente, ya que el proceso implica la formación de una capa de óxido formada del mismo material y no introduciendo otros metales o productos. El principio del anodizado es la electrólisis del agua, bajo los efectos de la corriente, los iones H+ y OH- del electrolito se dirigen hasta el cátodo y hacia el ánodo respectivamente. Se produce oxígeno naciente en el ánodo que al oxidar el aluminio le recubre de una película de óxido de aluminio. Esta película de alúmina es compacta, no deja pasar la corriente eléctrica, anhídrida y porosa con gran poder absorbente [30]. 2 Descripción del proceso 24 24 La composición de este baño se trata de [3]: • Cromo libre: 30-100 g/L • Cromo total: 50-100 g/L • Alúmina (Al2O3): 10g/L • Cloruros: 0,2 g/L (NaCl) • Sulfatos: 0,5 g/L (Na2SO4) La densidad de corriente que circula por la pieza se encuentra entre unos 0,3-1 A/dm2. Las medidas de esta cuba son 6,45x0,89x2,35 metros, con una inclinación de las paredes de 0,5% y un volumen de 13.500 L, se compone de agua de clase tipo A. El tiempo de inmersión de las piezas de aluminio es de aproximadamente 40 min. La temperatura se encuentra entre 32-37ºC. Uno de los aspectos importantes en el anodizado es el ciclo electrolítico ya que el espesor de la capa anódica es directamente proporcional tanto a la intensidad de corriente, como al tiempo que las piezas están sumergidas en el baño. El espesor de la capa anódica se encuentra entre 2 y 7 µm debido a la corriente de densidad y una tensión de 21− +1 V durante un tiempo de 40− +5min. En la Figura 6 se muestra el ciclo electrolítico del anodizado. Figura 6: Ciclo electrolítico del anodizado [3]. 2.2.8 Sellado Es el tratamiento de mayor importancia y el que condiciona la resistencia a la corrosión de la capa anódica. Consiste en cerrar herméticamente los poros de la capa mediante hidratación, el sellado con dicromato sódico tiene como misión hacer que cada molécula de alúmina anhidra tienda a fijar una molécula de agua, aumentando su volumen y cerrando los poros [3]. Las medidas de esta cuba son 6,45x0,89x2,35 metros, con una inclinación de las paredes de 0,5% y un volumen de 13.500 L. La temperatura que alcanza está entre los 97-100 ºC. Y el tiempo de inmersión de la pieza alrededor a 15 min. Las condiciones de trabajo tratan un pH de 5,5-6,5. 0 5 10 15 20 25 010 20 30 40 50 Voltaje (V) Tiempo transcurrido (min) 25 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica La composición de la cuba de sellado es: • Dicromato sódico: 50g/L • Cr (VI): 45ppm • Sulfatos: 440 ppm • Cloruros: 330 ppm Se realiza el proceso a una elevada temperatura de trabajo y se produce una gran evaporación de compuestos químicos, así que debe constar de un sistema de aspiración para evitar la emisión de productos perjudiciales para la salud del operario y del medio ambiente [3]. 2.2.9 Secado Para finalizar el proceso de anodizado de las piezas tienen que secarse con aire o en estufas de secado. El secado se produce por convección forzada de aire caliente sobre las piezas. Este aire está libre de agua, aceite y polvo. La estufa debe estar entre el rango de temperatura 45-60ºC. Y el tiempo de inmersión transcurre entre unos 20 min. Las medidas de esta cuba son 6,45x0,89x2,35 metros, con una inclinación de las paredes de 0,5% y un volumen de 13.500 litros. Tras el secado las piezas están libres de contaminación, incluido líquidos atrapados. Todas las cubas estarán construidas en acero inoxidable y dispondrán de dos tapas de accionamiento neumático. Los baños que lo requieran estarán recubiertos por un aislante. Se producirán los tratamientos superficiales de manera discontinua y la disposición de los baños estarán en paralelo. Todos los baños dispondrán de agitación mediante soplantes. 2.2.10 Tabla resumen baños En la Tabla 8 se muestra las características más relevantes de cada uno de los diferentes baños de proceso. 2 Descripción del proceso 26 26 Tabla 8: Características más relevantes de los baños de la planta de tratamientos superficiales. BAÑO PRODUCTO CONCENTRACIÓN TEMPERATURA (ºC) TIEMPO DE INMERSIÓN (min) Desengrase Alcalino Turco 6849 15% 61-70 5-10 Limpieza Alcalina Turco 4215 NCLT 50 g/L 50-60 10-15 Decapado Alcalino Turco Aluminetch 58g/L 54-63 5-6 Desoxidad Turco Smut Go 200-245g/L 20-40 5-10 Anodizado Crómico Cromo libre 40 g/L 32-37 40 Sellado Dicromato sódico 50g/L 97-100 15 Secado Aire - 45-60 20 2.3 Características de las aguas Todas las aguas presentes en la planta de tratamientos superficiales de esta industria aeronáutica son de calidad del agua grado/tipo A. En la siguiente Tabla 9 se refleja sus principales parámetros. Tabla 9: Parámetros Agua Tipo A [3]. PARÁMETROS AGUA TIPO A pH 5-7 Sólidos Disueltos totales 10 ppm Conductividad 10µs/cm Silicatos 2ppm Cloruros 1 ppm Dureza 10 mg/L 27 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica Las MTD sobre este sector recomienda que en las cubas donde se producen lo enjuagues: - Agitación con aire para que no se produzca espuma debido a los tensioactivos de las cubas anteriores. - Introducir el agua limpia por el fondo de la cuba - Fijar la salida del agua sucia en el extremo opuesto al de la entrada [2]. La forma de enjuague que se realiza en el proceso es el enjuague simple, como se refleja en la Figura 7; se trata de una sola cuba que cuenta con una entrada y una salida de agua; y la pieza transcurre de una a otra en serie. Figura 7: Técnica de Enjuague simple [2]. 2.4 Porcentaje retenido en las piezas Este cálculo de la cantidad de disolución del baño que queda retenido en las piezas es necesario para saber el caudal de llenado de los baños al final del día, y así cada cuanto tiempo hay que rellenarlo. Para ello se tiene que conocer el volumen total del baño y el volumen de las piezas que se introduce. El volumen total del baño es de 135 m3, el cual por seguridad se encuentra llenado ¾ , dejando ¼ vaciado para evitar el rebose. Las piezas son cuadradas, mide 3 metros cada uno de sus lados y un espesor marcado por la cantidad de disolución, suponiendo que sea de 3 mm. Ver Figura 8. Se obtiene al final un volumen por pieza de 0,027 m3. 2 Descripción del proceso 28 28 Figura 8: Piezas utilizadas en la planta. Queda retenido un 0,026% del baño. Si al día se supone que pasan alrededor de 400 piezas, un 10,5% de la disolución que contiene la cuba queda retenida en las diferentes piezas. Esto supone, que al final del día, es necesario 10,63 m3 de disolución para completar la cuba. Los baños se deben de analizar cada día para controlar las diferentes pérdidas de propiedades que se tiene por adherirse la solución a la pieza. 2.5 Seguridad frente a los tratamientos superficiales Ya que las cubas de aguas de enjuagues se encuentran descubiertas y las piezas retienen un tanto por cien del baño, se deben de tener unas ciertas de precauciones para proporcionar seguridad al trabajor. Los principales riesgos son: - Inhalacion de vapores desprendidos en los procesos. - Contancto con sustancias corrosivas y salpicaduras del líquido que conteniene dichas cubas. - Riesgo de explosión y/o incendio; puesto que muchos de las sustancias empleadas son inflamables. - Reboses de los tanques [31]. El estudio de los riesgos de los trabajores proporcionado por estos tratamientos no está al alcance de este proyecto. 29 3. CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS A DEPURAR ómo se ha visto en el apartado anterior, después de cada baño de proceso se dispone de un baño enjuague para conseguir una limpieza de los restos de sustancias aportados del tratamiento anterior y poder pasar al siguiente de manera óptima. Existen dos tipos de aguas: de carácter alcalino, con un pH más elevado y de carácter ácido, con un pH bajo. En este capítulo se habla de manera más específica de cada una de ellas y de sus contaminantes; finalizando con un pequeño subcapítulo que trata de la forma de trabajar de las cubas, reflejandolo en un Diagrama de Pert que tiene en cuenta la limpieza y los tanques de reservas. 3.1 Aguas de enjuague alcalinos Las aguas de carácter alcalino de la planta se caracterizan porque su principal contaminante es el NaOH procedente de los detergentes o productos químicos añadidos en los baños de limpieza como desengrase, limpieza alcalina o decapado alcalino. El pH propiamente alcalino se encuentra alrededor de 11-12. Las medidas de esta cuba son 6,45x0,89x2,35 m y un volumen de 13.500 L. El agua que contiene es de calidad tipo A. El tiempo de inmersión en este fluido es de 3-5 min. Este baño se encuentra a temperatura ambiente. Para poder conseguir el tratamiento de este tipo de agua y eliminar los contaminantes es necesario elevar el pH hasta aproximadamente 9,5, para ello, se le adiciona hipoclorito sódico. En la Figura 9 se muestra el diagrama de las diferentes formas en la que se encuentra el cloro dependiendo del pH en el equilibrio. Figura 9: Equilibrio de una solución de cloro, ácido hipocloroso e hipoclorito sódico a 25 ºC [32]. C 3. Caracterización de las aguas a depurar 30 30 3.2 Aguas de enjuague ácidos Estas aguas vienen procedentes de un baño ácido con una elevada concentración de contaminantes, ya que en él se produce el anodizado crómico del aluminio. Tienen un pH muy ácido aproximadamente alrededor de 2. Las medidas de esta cuba son 6,45x0,89x2,35 m y un volumen de 13.500 litros. El agua que contiene es de calidad tipo A. El tiempo de inmersión en este fluido es de 5-10 min. El baño se encuentra a temperatura ambiente. Esta agua es característica por contener Cr(VI) en mayor proporción, perjudicial para la salud. Se requiere un tratamiento para reducirlo a cromo trivalente, ya que este compuesto no es tan nocivo como el anterior. Dejará de ser totalmente perjudicial una vez completado el método de depuración. Esta eliminación de Cr(VI) se lleva a cabo a través de un proceso de reducción. La Figura 10 muestra las diferentes formas en las que se encuentra el cromo. Figura 10:Diagrama de Pourbaix del Cromo [33]. El cromo con estado de oxidación 6 se encuentra de la forma de Dicromato (𝐶𝑟2𝑂7 2−) con un potencial elevado y un pH entre 2-6. Estas aguas bajan su estado de oxidación con la adicción de agentes reductores, por ejemplo: ión bisulfito (𝐻𝑆𝑂3 −), produciéndose así un proceso de oxidación-reducción. Mientras que el cromo se reduce, el bisulfito se oxida. 31 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica 3.3 Cuantificación de los contaminantes en los baños de lavado Las aguas de lavado contienen varios de los contaminantes procedente de los baños de tratamientos. La sesión de depuración de estas aguas se basará en la depuración de dos de los grandes contaminantes principales: en las aguas ácidas: Cr(VI) y en las aguas alcalinas: NaOH. La Tabla 10 resume las concentraciones de estos baños. Tabla 10: Concentración en g/L de los contaminantes de los baños de agua tras tratamientos. Siendo: - Baño 1: La cuba de limpieza tras el desengrase alcalino. - Baño 2: El baño tras el tratamiento de limpieza alcalina. - Baño 3: Las aguas tras el decapado alcalino. - Baño 4: Lavado procedente del desoxidado. - Baño 5: El baño de enjuague después del anodizado crómico. - Baño 6: El enjuague tras el sellado. Las aguas de carácter alcalino corresponden a la de los baños 1,2 y 3 mientras que las aguas ácidas incumben a los baños 4, 5 y 6. El baño 5 es el que mayor concentración de Cr(VI) contiene, el principal contaminante para eliminar. Por lo contrario, en el baño 4 no existe Cr(VI). 3.4 Forma de operación La forma de trabajar de las cubas en la planta es de manera discontinua; es decir, existen tiempos de paradas por limpieza o por cambio de turno. En la siguiente Figura 11, se representa el Diagrama de Pert de la gestión de las cubas, una herramienta para la gestión llenado de las diferentes cubas. Quedan excluidos los procesos de llenado de los equipos posteriores al tanque de mezcla, el clarificador y el secador. BAÑOS NaOH(g/L) Cr(VI) (g/L) 1 40 - 2 - 3 49,3 - 4 - - 5 - 40 6 - 0,045 TOTAL 89,3 40,045 37 5.DISEÑO DETALLADO DE EQUIPOS l principal objetivo del proyecto es el diseño de un proceso de depuración de las aguas residuales de una industria aeroespacial, para ello es necesario diseñar los diferentes equipos que componen dicha planta de depuración. Como se ha explicado en el capítulo 5, el proceso consta principalmente cuatro etapas. Por tanto, en primer lugar, se tiene que calcular la dosis de agente reductor que hay que añadir para la reducción del Cr(VI) a Cr(III), seguidamente la dosis de hipoclorito que hay que añadir en el baño para reducir el pH de las aguas alcalinas. Se dimensiona también el decantador o clarificador con su respectiva adicción de coagulante y floculante, para este diseño se tiene en cuenta la velocidad terminal de las partículas sedimentables con su respectivo Reynold. Por último, se estima el caudal de aire necesario para secar el lodo generado del equipo anterior 5.1 Cálculo de la dosificación agente reductor Como agente reductor se ha elegido el bisulfito de sodio. Cuando este compuesto se añade al baño es capaz de reducir Cr(VI) en forma de dicromato a Cr(III), según la Reacción 3. 𝐶𝑟2𝑂7 2− +5𝐻++3𝐻𝑆𝑂3 −⟷3𝑆𝑂4 2− +2𝐶𝑟3+ +4𝐻2𝑂 (R.3) Siendo ésta la reacción global formada por una semirreacción de Oxidación, Reacción 4, y una semirreacción de Reducción, Reacción 5. 𝐶𝑟2𝑂7 2− +14𝐻++6𝑒−⟷2𝐶𝑟3+ +7𝐻2𝑂 (R.4) 𝐻𝑆𝑂3 −+𝐻2𝑂⟷𝑆𝑂4 2− +3𝐻++2𝑒− (R.5) Como se sabe que la concentración de contaminante es el tanque es de 40 gCr(VI)/L, es decir la concentración de 0,8 M Cr(VI). Este tipo de Cromo se encuentra como dicromato, así que se tiene 0,4M 𝐶𝑟2𝑂7 2−. Por tanto y siguiendo la estequiometria de la Reacción 3: Un mol de Cr(VI) equivale a dos moles de Cr(III), 0,8M Cr(III). Tres moles de dicromato equivalen a uno de bisulfito, entonces se tiene que añadir 1,2 M de bisulfito de sodio para reducir esta cantidad de contaminante. Según la normativa empleada en la industria aeronáutica se selecciona un tanque de dimensiones 6,45x0,89x2,35 m, en forma de pirámide invertida, con un volumen de 13.500L, ver Figura 13. E 5.Diseño detallado de equipos 38 38 Figura 13: Tanque de almacenamiento. Según las mejores técnicas disponibles (MTD), se considera que el diseño de los tanques debe de: - Disponer de una doble pared para almacenar materiales con riesgo. - Siempre que sea posible, fabricadas con materiales resistentes a los productos y corrosión. - Dotarlas de elementos impermeabilizados. - Se recomienda, para poder permitir la inspección por debajo de ellas, que las cubas se dispongan a unos 30 cm del suelo [22]. 5.2 Cálculo de la dosificación de hipoclorito A continuación, es necesario subir el pH para conseguir uno propiamente alcalino, mayor de 7, 9,5 aproximadamente, [34], en la curva de equilibrio de la solución de Cl2, HOCl e NaOCl a 25 ºC, ver Figura 14, para conseguir un pH tan alto hay que añadir una fracción molar de 0,95 de NaOCl. Figura 14: Fracción molar para un pH de 9,5. 39 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica El eje de coordenadas indica la fracción molar de lo que hay que añadir a la solución para alcanzar el pH deseado. Viene determinado por la siguiente Ecuación 1 y 2. (𝑛𝑁𝑎𝑂𝐶𝑙 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠)=0,95 [Ec. 1] 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 =𝑛𝑁𝑎𝑂𝐶𝑙 +𝑛𝐻2𝑂 +𝑛𝑁𝑎𝑂𝐻 [Ec.2] Siendo nNaOCl los moles/L que hay que añadir a la solución y el ntotales la suma de los moles/L presentes en el baño: NaOCl, H2O y NaOH. El baño parte de una concentración de NaOH de 89 g/L y se está dando la siguiente Reacción 6. 2𝑁𝑎+2𝐻2𝑂→2𝑁𝑎𝑂𝐻+𝐻2 (R.6) Por estequiometria se tiene los mismos moles/L de agua que de NaOH; es decir 2,22 moles/L de agua y 2,22 moles/L NaOH. Con estos valores y las Ecuaciones 1 y 2 se tiene una adicción de 84,4 M (moles/L) de hipoclorito de sodio. Se añade 6,3 kg de NaOCl en nuevas cubas, pero con el mismo volumen que las de agua ácidas de 13.500 L, con dimensiones de 6,45x0,89x2,35 m, en forma de pirámide invertida. Ver Figura 13. 5.3 Clarificador Este método de separación de partículas en suspensión de un líquido por gravedad debido a las condiciones de sedimentación se utiliza en gran medida convirtiendo partículas finas en partículas más gruesas debido a la adicción de agente floculantes y coagulantes. Este proceso se realiza en tanques grandes abiertos llamados clarificadores o espesadores [35]. De este equipo se obtiene dos corrientes: la suspensión concentrada es filtrada por otro equipo posterior; mientras que el líquido limpio o casi limpio de partículas es utilizado para vertido o cualquier utilidad para el agua con estas características. 5.3.1 Adicción de Coagulantes Cuando los sólidos en suspensión son principalmente partículas individuales de diminuto diámetro, la velocidad de sedimentación por gravedad será muy lenta, por ello, se ha de conseguir que las partículas formen aglomeraciones o agregados de partículas que sedimenten a una velocidad razonable [35]. Estos flóculos no se definen con facilidad, por tanto, el diseño de los espesadores se va a basar en la medida de la velocidad de sedimentación [35]. La coagulación y floculación sedimentan partículas entre 10-4-10-9 m [33]. La coagulación consiste en la agregación de partículas en suspensión [33]. El coagulante elegido para añadir a los baños para reducir los sólidos en suspensión es el cloruro de hierro. 5.Diseño detallado de equipos 40 40 La cantidad de dosificación escogida ha sido según una práctica de laboratorio en la que se añade 70-80 mg de coagulante para 250 mL de muestra, formada por agua y cromatos [34]; si el tanque o cuba en el que se añade es de 135 m3, el valor de este experimento se extrapola a esta cantidad de agua, siendo necesario la adicción de 37,8 kg FeCl3/L. 5.3.2 Adicción de Floculantes De la misma manera que los coagulantes, la adicción de floculantes para aumentar los flóculos. El floculante elegido es el poliectrolito en forma líquida, ya que presentan una toxicidad oral baja y no presentan ningún problema anormal en su manipulación, también se trata de una alternativa de bajo costo [36] [37]. En la práctica se añade 1 mL por cada 250 mL de muestra; [32] extrapolando dicho dato se ha de añadir 540 L de floculantes para una cuba de 135 m3. 5.3.3 Tiempo mínimo para la sedimentación de las partículas Para conocer el tiempo mínimo que tardan las partículas en irse al fondo del clarificador se necesita saber la velocidad terminal o de sedimentación de las partículas y la altura del tanque. La caída del sólido o sedimentación se debe al efecto de la gravedad al que se someten las partículas que se encuentran en suspensión en un fluido [38]. El tamaño de las partículas influye a la hora de calculas la velocidad mínima de sedimentación. Con esta velocidad se podrá calcular el diámetro mínimo que debe de tener el decantador para que sedimenten las partículas. Para caracterizar el movimiento de las partículas en el fluido hay que calcular en número de Reynolds (Re); es un número adimensional, ver Ecuación 3. 𝑅𝑒𝑝=𝜌𝑢𝑜𝐷𝑝 µ [Ec.3] Donde: - Re es el número de Reynold para las partículas. (Adimensional) - ρ es la densidad del fluido en kg/m3. - uo es la velocidad del fluido en m/s. - Dp es el tamaño de las partículas en m. - -µ es la viscosidad del fluido en kg/m∙s. Estimando un valor de partículas de 100µm, en forma de aglomeraciones esféricas, una velocidad del fluido de 0,01 m/s y tomando el fluido como si fuera agua pura en condiciones normales de, se tiene una densidad de 1000 kg/m3 y una viscosidad de 10-3 kg/m∙s se tiene un valor del número de Reynold de 1∙10-4. Al ser un Reynold menos que 2000 se trata de un flujo laminar [39]. 41 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica La velocidad máxima que puede alcanzar la partícula se denomina la velocidad terminal que viene dada de forma general por la Ecuación 4. 𝑢𝑡=√2𝑔(𝜌𝑝−𝜌)𝑚𝑝 𝐴𝑝𝜌𝑝𝐶𝐷𝜌 [Ec.4] Donde: - ut es la velocidad terminal del fluido en m/s. - g es la constante de gravedad, m/s2 - ρp es la densidad de la partícula en kg/m3. - ρ es la densidad del fluido en kg/m3. - Ap es el área de la partícula en m2. - CD es el coeficiente de rozamiento, adimensional. - mp es la masa de la partícula en kg. En un movimiento de partícula esféricas de diámetro Dp, la masa y el área transversal vienen definidas según la Ecuación 5 y 6. 𝑚=1 6𝜋𝐷𝑝 3𝜌𝑝 [Ec.5] 𝐴𝑝=1 4𝜋𝐷𝑝 2 [Ec.6] Al sustituir la masa y el área transversal, Ecuaciones 5 y 6 en la ecuación general, Ecuación 4, se tiene la Ecuación 7. 𝑢𝑡=√4𝑔(𝜌𝑝−𝜌)𝐷𝑝 3𝐶𝐷𝜌 [Ec.7] Existen dos casos límites para la velocidad terminal, para valores del coeficiente de rozamiento, para valores muy elevados o muy bajos, este último caso es el de este proyecto. Para valores muy bajos de número de Reynold de la partícula, el coeficiente de rozamiento varía inversamente proporcional al este, según la Ecuación 8 [35]. 𝐶𝐷=24 𝑅𝑒𝑝 [Ec 8] En la Figura 15, se representa los coeficientes de rozamiento par esferas, discos y cilindros contra el número de Reynolds. Y se verifica que, para Reynold pequeños, estimando un Reynold de partículas pequeño se obtiene número de coeficiente de rozamientos muy elevados. 5.Diseño detallado de equipos 42 42 Figura 15: Coeficientes de rozamientos para esferas, discos y cilindros [6]. La velocidad terminal, por tanto, viene determinada por una forma de la Ley de Stokes, ver Ecuación 9, utilizada para Reynold inferiores de 1 [35]. 𝑢𝑡=𝐷𝑝 2(𝜌𝑝−𝜌)𝑔 18µ [Ec.9] Donde Dp es el diámetro de la partícula en µm; g es la constante de gravedad en m/s2; ρ es la densidad del fluido, en este caso agua; 1000 kg/m3; ρp la densidad del sólido; considerando que el sólido tiene la misma densidad que el floculante utilizado, polielectrolito; 1200 kg/m3 [39]. Se tiene una velocidad terminal de 0,002 m/s. La utilización de la teoría de Stokes presenta una serie de inconvenientes [41]: • El peso específico de todas las partículas no es el mismo al tratarse de sólidos de diferentes composiciones. • Las partículas no son totalmente esféricas y cada una de ellas diferentes. Una vez conocida la velocidad terminal y conocida la altura del clarificador se puede conocer el tiempo mínimo que tarda la partícula en llegar al fondo del equipo. Los valores típicos de altura se encuentran entre 2-4 m; [42] para el proceso se precisa el caso más desfavorable de una altura de 4 m. Según la Ecuación 10, se obtiene el tiempo mínimo requerido para la sedimentación del contaminante. 𝑡𝑅=𝐻 𝑢𝑡 [Ec.10] Siendo: - tR el tiempo mínimo que tarda una partícula en llegar a la parte inferior del clarificador en segundos. - H es la altura del clarificador en m. - 𝑢𝑡 es la velocidad terminal del fluido en m/s. 43 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica Obteniéndose un tiempo mínimo de caída de 200 segundos. 5.3.4 Clarificador Secundario Este tipo de equipo posee un símil con el clarificador primario, ya que permite sedimentar la corriente teniendo dos salidas, una corriente de sólidos y otra de agua clarificada. El objetivo de la decantación es reducir los sólidos que se encuentran en suspensión bajo la acción de la gravedad [41]. Por ello, solo se pretende separar los sólidos sedimentables y la materia flotante. Los decantadores circulares normalmente consisten en una cuba construida de hormigón, en donde la alimentación se realiza por la parte central, y la salida se lleva a cabo a través de un vertedero periférico [41]. Para el cálculo del área y el diámetro se hace un pequeño balance de materia en el que entran unos 101,5 m3/h divididos en 101 m3 de agua que llena el decantador suponiendo que se llena ¾ del tanque de mezcla y 0,54 m3 de floculantes añadidos. Esta cantidad de agua contiene 40 g/L de contaminantes y se quiere llegar a una concentración de salida óptima para poder conseguir un agua aceptada para poder ser vertida posteriormente, para ello se le añade 37,8 kg de coagulante, así se tiene una concentración a la salida de 3788 g/L de sólidos. La velocidad terminal de las partículas se considera la calculada en el apartado anterior de 0,002 m/s es decir 7,2 m/h. El flujo mínimo descendente (Gmin) viene determinado según la Ecuación 11. 𝐺𝑚𝑖𝑛 =𝑢𝑡 1 𝐶𝑖𝑛−1 𝐶𝑢 [Ec.11] Siendo: - Gmin el flujo mínimo descendente en g/m2h. - vt la velocidad terminal de las partículas en m/h. - Cin es la concentración de sólidos a la entrada en g/L. - -Cu es la concentración de fangos a la salida en g/L. - Se tiene un flujo mínimo de 288,3 g/m2h. Con este flujo se determina el área mínima requerida para este clarificador secundario, según la Ecuación 12. 𝐴𝑚𝑖𝑛 =𝑄𝑜𝐶𝑖𝑛 𝐺𝑚𝑖𝑛 [Ec.12] Donde: - Amin es el área mínima requerida en m2. - Qo es el caudal de líquido de entrada en L/h; estimándose un valor de 1000 L/h. - Cin es la concentración de sólidos a la entrada en g/L; 40 g/L. - Gmin es el flujo mínimo descencente en g/m2h obtenido anteriormente; 288,3 g/m2h. Se requiere un área de aproximadamente 139 m2. Aplicando un coeficiente de seguridad de 1,35 [42], se tiene un área de aproximadamente de 188 m2. 5.Diseño detallado de equipos 44 44 Con esta nueva área se puede hallar el diámetro con la Ecuación 13. 𝐴𝑚𝑖𝑛 =𝜋 4𝐷𝑐 2 [ Ec.13] Siendo Amin en m2 de 139 m2 y Dc el diámetro en m igual a 16 m. Según la Escuela de Organización Industrial, EOI, en una publicación sobre la sedimentación/aguas verifica que dicho diámetro pertenece en el rango de las normas generales de diseño de los decantadores circulares [41]. - La mayor parte de los fabricantes han normalizado que los diámetros de los tanques circulares oscilan entre 5 y 60 m [40]. - La altura útil se encuentra entre 2,5 y 4,0 m [41]. 5.4 Secador Una vez que se obtiene un residuo con un tanto por ciento de agua del decantador se elige la opción de separar ese líquido y recircularlo de nuevo al interior de la planta para poder conseguir una mayor cantidad de agua residual. Para ello se utiliza un equipo de secado de sólidos. El secado, por lo general, es la etapa final de una serie de procesos y el producto extraído suele ser un producto final, en este caso los lodos o fangos obtenidos se enviarán a un posterior tratamiento que no entra en el alcance de este trabajo de fin de carrera [35]. El secado consiste básicamente en una corriente de gas que circula a través del sólido en contracorriente con una velocidad suficiente para que se pueda llevar a cabo la separación [35]. Para poder llevar a cabo esta separación se tiene que controlar la temperatura que depende de la naturaleza y contenido de líquido del material de alimentación, de la temperatura del medio de calentamiento, del tiempo de secado y de la temperatura que soportan los sólidos [35]. El patrón de temperatura, ver Figura 16, para el secador adiabático en contracorriente. El sólido se calienta rápidamente hasta la temperatura de evaporación del líquido, en este caso del agua, hasta unos 100°C, esta temperatura puede variar a lo largo del secado. Transcurridos el tiempo de secado, los sólidos pueden calentarse a temperaturas mayores que la de evaporación en una longitud relativamente corta del secador ya que requiere menor energía calentar los sólidos secos. El gas caliente, aire, entra al secador con alta temperatura, con poca humedad, y sale a una temperatura menor debido a la transferencia de calor hacia el sólido [35]. El secado de sólidos húmedos es entonces un proceso térmico. 45 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica Figura 16: Modelo de temperaturas en un secador adiabático continuo en contracorriente [35]. La alimentación del calentador que se encuentra en la planta depuradora de las aguas procedentes de tratamientos superficiales de la industria aeronáutica viene determinada por un caudal de sólidos de 37,8 kg/h de los cuales un 60% se trata de agua [2], según las mejores técnicas disponibles; es decir, el lodo tiene un contenido en agua de 22,68 kg/h . Al ser agua líquida pura, el calor específico en kJ/kg∙K a una temperatura media de entrada, suponiendo temperatura ambiente 25°C y una temperatura de salida igual al cambio de fase de agua líquida a gas, 100°C, tiene un valor de 4,2 kJ/kgK, ver Tabla X2 del Anexo I [43] La energía necesaria para conseguir evaporar esta agua, es decir el calor de vaporización a presión atmosférica es de 2257 kJ/kg, valor obtenido de la Tabla X1 del Anexo I [43]. Del mismo modo el calor específico del aire, para una temperatura de entrada de la corriente gaseosa de 150°C y una temperatura de salida estimada de 50°C, es de 1,2 kJ/kgK, ver Tabla X3 del Anexo I [43]. Estos valores son sustituidos en las siguientes Ecuación 14, para así poder ofrecer un caudal estimado de aire que se ha de introducir en el equipo para poder llegar a eliminar la mayor cantidad de agua del sólido. 𝑚󰇗H2OCpH2O(Tvap −TinH2O)+𝑚󰇗H2OλH2O =𝑚󰇗aireCpaire(Tinair −Toutair) [Ec.14] Siendo: - 𝑚󰇗𝐻2𝑂 el caudal másico de agua en kg/h - 𝐶𝑝𝐻2𝑂 es el calor específico del agua en kJ/kgK. - 𝑇𝑣𝑎𝑝 la temperatura de vaporización del agua en °C. - 𝑇𝑖𝑛𝐻2𝑂 la temperatura de entrada del fluido líquido en °C. - λ es el calor de vaporización del agua a presión atmosférica, kJ/kg - 𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒 el caudal másico de aire en kg/h. - 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 el calor específico del aire en kJ/kgK. - 𝑇𝑖𝑛𝑎𝑖𝑟 la temperatura de entrada del aire en °C. - 𝑇𝑜𝑢𝑡𝑎𝑖𝑟 la temperatura de salida del aire en °C. 7. Implantación y distribucción en la planta 52 52 El factor fundamental a tener en cuenta en la elección de la localización del solar es el clima; la temperatura media anual en Sevilla es de unos 19 ºC [46]. Una temperatura idónea para los procesos que requiere la planta, ya que los procesos de depuración se llevan a temperatura ambiente. Los meses de inverno son más lluvioso que los de verano, pero no es una ciudad característica por las lluvias. La velocidad media corresponde a brisa débil; es decir de 12-19 km/h [47]. El terreno seleccionado se encuentra cerca de un afluente del río Guadalquivir, el río Guadaíra, según se muestra en la Figura 19, se trata de una imagen del Plano II, que se encuentra en el bloque III. El terreno tiene una expasión 41.200 m2. Otros de los aspectos que predomina es la accesibilidad externa al terreno; es decir, la ubicación se encuentra cerca del puerto de Sevilla, cerca de la estación de trenes y es accesible por carretera. Se dispone de energía eléctrica y otros servicios básicos. Figura 19: Emplazamiento del terreno en calle Torre de los Hebreros, número 3. 7.2 Implantación Para la implantación y distribución en planta, Plano III del Bloque III, se ha tenido en cuenta 6 zonas diferenciadas. 1. Zona de entrada y salida de camiones y vehículos lo suficientemente espacioso para que los camiones eviten dar la vuelta o tener que hacer maniobras. Las zonas de carga de productos terminados y descarga de la pieza que se ha de tratar se encuentra de tal manera que los camiones tengan que pasar el menor tiempo posible en la planta. Para facilitar el flujo de camiones, la recogida de fangos, tratandos fuera de 53 53 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica la planta, se realiza por una nueva entrada/salida de caminiones colocada en uno de los laterales del terreno. 2. Zona de proceso: Se encuentra en el único edificio de la planta; éste se divide en dos partes; la zona de personal, donde se encuentra la recepción, las diferentes oficionas destinadas a la gestión de la planta, los laboratorios, vestuarios y aseos, y entrada a la planta de procesos. Y la zona de proceso, donde se realizan los tratamientos superficiales de las piezas, esta zona consta de 13 baños, un lugar para la llegada de las piezas que se deben tratar en la planta, y uno para las piezas ya tratadas y su posterior recogida. La zona de proceso dispone de dos puertas traseras que la comunican con la zona de depuración de las aguas. 3. Zona depuración de aguas residuales: Se ha situado en el alteral de la zona de proceso con el objetivo de que las aguas contaminadas puedan pasar a la zona de depuración de una manera fácil. Esta zona se compone de cada uno de los equipos que intervienen para la depuración de las aguas. Una vez depuradas son recirculadas de nuevo a la planta, por ello el secador se encuentra cerca de la parte de proceso, para evitar largos tramos de conductos o tuberías. Se ha considerado que esta zona no estará dentro de ningún edificio, pero si con una cubierta para proteger la línea de depuración de las posibles condiciones climáticas. El almacenamiento de fango se encuentra fuera de esta cubierta. 4. Zona de almacenamiento de fangos: Se encontraría fuera de la zona de proceso y de depuración. En este caso no se ha considerado ningún tipo de cubierta. Además, cuenta con un acceso individual para la recogida de los lodos con el fin de no tener que cruzar el resto de la planta. 5. Zona de ampliación: cuenta con unas zonas distribuidas a lo largo del solar sin construir para posibles ampliaciones. 6. Zona de personal: además de la zona incluida en el edificio de proceso, se dispone de una zona de aparcamiento para vehículos personales y descanso. La sala de control se debe construir en un lugar que permita a los operadores parar la unidad en caso de emergencia y que no esté expuesta a incendio y explosión [48]. En el Plano IV del Bloque III, se muestra la implatación con el terreno y los edificios principales acotados. 54 7. Implantación y distribucción en la planta 54 55 8. PLANIFICACIÓN DE LAS TAREAS DE EJECUCIÓN l objetivo de este apartado es establecer los plazos de ejecución del proyecto. Se hace una breve introducción de las diferentes actividades del proceso, su duración y las suposiciones que se han tenido en cuenta y se ilustra a raíz de un diagrama de Gantt en el cual se refleja la duración total del proyecto, así como el camino crítico, es decir la ruta que marca la duración de éste [49]. El proceso tiene un total de 25 actividades que se divide en cinco etapas: la primera etapa en la que se suministra el agente reductor a las aguas de carácter ácidos, la segunda se trata de la dosificación de hipoclorito a las aguas alcalinas, en la tercera etapa se ajusta el pH, la cuarta etapa engloba el clarificador secundario y en la quinta etapa se instala el secador; se tiene en cuenta los equipos eléctricos, como son los transmisores y el cableado y conexión. En todo el proceso se tiene un seguimiento de la medida correctoras, gestión de residuos y seguridad y salud. En la Tabla 13, resumen cada una de las actividades que se realiza en estas etapas y su duración. Tabla 13: Actividades y duración que se llevan a cabo en el proyecto. Nº Actividad Nombre Duración Etapa 1: Dosificación del Agente Reductor 1 Obra civil Tanque 101 11 días 2 Transporte del Agente Reductor 4 días 3 Llenado del Tanque 101 3 días. 4 Obra civil Tanque 102 11 días 5 Obra civil Tanque 103 11 días Etapa 2: Dosificación de Hipoclorito 6 Obra civil Tanque 104 11 días 7 Transporte de Hipoclorito de Sodio 3 días 8 Llenado Tanque 104 2 días 9 Obra civil Tanque 105 11 días 10 Obra civil Tanque 106 11 día E 8. Planificación de las tareas de ejecución 56 56 Etapa 3: Ajuste del pH 11 Obra civil Tanque 107 11 días 12 Obra civil Tanque 108 11 días 13 Obra civil Tanque de Mezcla 109 11 días 14 Llenado de Tanque de Mezcla 2 días 15 Transporte Cal 1 días 16 Transporte NaOH 3 días Etapa 4. Clarificador Secundario 17 Obra civil clarificador 28 días 18 Transporte Coagulante 2 días 19 Transporte Floculante 2 días Otros 20 Conexión y conexión 27 días 21 Equipos eléctricos 9 días 22 Medidas correctoras y seguimiento ambiental 77 días 23 Gestión de residuos 77 días 24 Seguridad y Salud 77 días 25 Puesta en Marcha de la planta 15 días Se tiene en cuenta a la hora de hacer la planificación de ejecución los siguientes aspectos: - La demanda de materia prima y su correspondiente transporte a la planta ocurre desde el día que se inicia el proyecto. - Los tanques son llenados tras la construcción. - Comienza la construcción de un tanque y se supone que a los 7 días ya se comienza con la construcción del siguiente. - Los tanques de almacenamiento y tanques de reserva se introducen en las etapas de las aguas que les corresponden. 57 57 Ingeniería básica de una planta de depuración de aguas residuales en la industria aeronáutica - Tras la construcción de la planta, comienza la automatización y el control, por ello, se implementan el cableado y la conexión y los equipos eléctricos. Los equipos eléctricos comienzan a instalarse a mitad del cableado. - Una vez, terminada la construcción e instalación de la planta, se inicia la puesta en marcha, la cual se estima su duración de 15 días. Teniendo en cuenta todas las tareas y los aspectos comentados anteriormente, se obtiene que para la realización del proceso es necesario un total de 92 días (aproximadamente 3 meses). Además, se prevé que empiece el día 2 de septiembre del 2019, para evitar el cierre por vacaciones, por lo que finalizaría su última tarea el 7 de diciembre de 2019. Para finalizar con la planificación del proyecto se incluye el Diagrama de Gantt, ver Figura 20, en él se muestra que las etapas de mayor duración es la obra civil del clarificador y la puesta en marcha de la planta al final de su construcción. 58 Figura 20: Diagrama de Gantt del proceso. 59 REFERENCIAS [1] Estrategia Española de Economía Circular. Secretaria de Estado Ambiente. Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental y Medio Natural. Ministerio de Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente. Gobierno España. Abril 2018. https://www.navarra.es/NR/rdonlyres/8CC787B5-044E-4923- 981C-D58521C8FEA3/413997/EstrategiaEspanolaEcCircular_MAPAMA.pdfn (Último acceso: 09/06/2019) [2] Guía de Mejores Técnicas Disponibles (MTD) en España del Sector de Tratamiento de Superficies Metálicas y Plásticas. Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino. Gobierno de España. (2009) http://prtr-es.es/Data/images/MTD-SUPERFICIES-METALICAS.pdf. (Último acceso: 09/06/2019) [3] Reingeniería de una planta de tratamientos superficiales para piezas mecanizadas de aluminio y acero. Capítulo 2. Proyecto Fin de Carrera. Agustín Sánchez Jiménez.2004. Escuela superior de ingeriros industriales. Universidad de Sevilla. [4] Recytrans-Soluciones globales parael reciclaje. (2015). https://www.recytrans.com/blog/aguasindustriales/ (Último acceso: 09/06/2019) [5] España, P. R. T. R. (2017). Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes. http://www.prtres.es/informes/industrialactivitypollutant.aspx (Último acceso: 09/06/2019 [6] Boletín Oficial de la Junta de Andalucía (BOJA). (2015) Núm.89 página 22 Anexo VI https://www.juntadeandalucia.es/boja/2015/89/BOJA15-089-00174-7748-01_00068899.pdf (Último acceso: 09/06/2019) [7] Ecured- Hidróxido de Sodio. https://www.ecured.cu/Hidr%C3%B3xido_de_Sodio (Último acceso: 09/06/2019) [8] Hoja de datos de seguridad para materiales peligrosos. Hidróxido de sodio. Mexichem (2010) http://www.aniq.org.mx/pqta/pdf/Sosa%20Caustica%20estandar%20(MSDS).pdf (Último acceso: 09/06/2019) [9] Lenntech. Propiedades químicas del Cromo- Efectos del Cromo sobre la salud- Efectos ambientales del romo. (1998-2019) https://www.lenntech.es/periodica/elementos/cr.htm (Último acceso: 09/06/2019) [10] Cromo- Wikipedia – La enciclopedia libre. (2019)https://es.wikipedia.org/wiki/Cromo (Último acceso: 09/06/2019) [11] Procesamiento de Superficies. (2016-2017) Alicia Ronda Gálvez. Departamento Ingeniería Mecánica y Fabricación Universidad de Sevilla. [12] Desengrase por vapor. Desengrase de superficies metálicas. Instituto Nacional de Seguridad,salud y Bienestar en el Trabajo (INSSBT). Miniesterio de Empleo y Seguridad Social. Gobierno de España.. 65 66 67 68 I ANEXO I. TABLAS PROPIEDADES DEL AGUA A continuación, se muestra la Tabla X1 empleada para determinar el flujo de aire que se necesita en el secador, en concreto para obtener el calor de vaporización del agua a 1 bar. Y la Tabla X2 y X3 que muestran los calores específicos del agua y del aire respectivamente. Tabla X1: Propiedades del agua saturada (líquido-vapor): Tabla de presiones [43]. II Tabla X2: Calores específicos de diveros líquidos y sólidos [42]. Tabla X3: Calores específicos para gas ideal en el aire, nitrógeno y oxígeno [42]. III ANEXO II. BALANCE DE MATERIA En este segundo Anexo, se adjunta un balamce de materia por componente de la planta; reflejado en la Tabla Y1 y Tabla Y2. La planta dispone de 24 líneas de corrientes: de las cuales las corrientes de entradas son la corrientes 1,2,9 y 10 y las corrientes de salidas la 21, el agua a reutilizar en la planta y la corriente 24 de lodos. Tabla Y1: Balance de materiade la planta depuradora de agua de la corriente 1 hasta la 12.