Reutilizacion de agua en la industria

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA

FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL Y
SANITARIA

CURSO:
SIMULACIÓN Y MODELACIÓN
AMBIENTAL
TEMA:
REUTILIZACION DEL AGUA EN
LA INDUSTRIA (Recicleje)
Dr. PEDRO CORDOVA MENDOZA

ICA-PERU 8 de Abril del 2013 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 Córdova Mendoza
15/04/2013 DR. Pedro
un mayor costo. 3

• 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.

Caudal de PLANTA DE
reciclaje (R) TRATAMIENTO PARA
RECICLAJE
($)

FR
PROCESO
Entrada de
contaminantes AT
en el agua
AGUA DE (Fs) debido al
SUMINISTRO proceso PLANTA DE
($) TREATAMIENTO
P
PARA DESCARGA
Perdidas de agua EN EL RIO
( por torres de
FD
($)
enfriamiento , por
el procesamiento
del producto , RIO
etc.)
FIGURA1. Diagrama para Reciclaje y Disposición al río de agua residual generada industrialmente

Diagrama de flujo en sistema de producción de agua ultrapura HIDROGEL

REUTILIZACIÓN DEL AGUA EN LA INDUSTRIA
Con base en lo anterior , el costo total diario para
cada reciclaje , estará dado por la siguiente suma de
costos:
$ $
Costo total diarios    Costo de tratamiento efluente planta   
d  d
$
Costo de tratamiento agua de reciclaje   
d
$
Costo agua de suministro  
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:
R
r Ec. 1
15/04/2013 A
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 . Córdova Mendoza
15/04/2013 DR. Pedro 9


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


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)


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


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:

15/04/2013 ChA = A*CA


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


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

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.


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


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


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!!!!!!!

Cel. 956-041243

Gracias

15/04/2013
pcordovam@hotmail.com

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