FACTORES A SER CONSIDERADOS EN LA ESPECIFICACIÓN DE PLANTAS DESMINERALIZADORAS DE AGUA

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1 FACTORES A SER CONSIDERADOS EN LA ESPECIFICACIÓN DE PLANTAS DESMINERALIZADORAS DE AGUA

2 FACTORES A SER CONSIDERADOS EN LA ESPECIFICACIÓN DE PLANTAS DESMINERALIZADORAS DE AGUA Ing. Ricardo E. Pauer (*) (1996) Introducción El presente artículo resume una serie de elementos o factores a ser considerados en la especificación y/o diseño de plantas de desmineralización. Está orientado principalmente hacia aquellas personas, habitualmente usuarios de este tipo de plantas, que deben especificar los requerimientos correspondientes con el objeto de obtener por parte de los fabricantes o proveedores de equipos, un precio por el suministro en cuestión. Con frecuencia se encuentran en estas especificaciones datos contradictorios, información faltante o no clara, y a veces requerimientos que contribuyen a encarecer innecesariamente las plantas. El objetivo del presente trabajo estará logrado si a través de su lectura permite al responsable de especificar una planta, hacerlo adecuadamente, solicitando lo necesario en forma precisa, sin omisión de datos, y sin exagerar requerimientos que solo conducen al encarecimiento innecesario de la planta a diseñar y suministrar. Calidad del agua a tratar La calidad del agua cruda, o agua a tratar, es fundamental para el diseño de la planta, ya que de ella depende el tamaño de los equipos (cantidad de resinas o de membranas de ósmosis inversa). Se requiere un análisis completo con las concentraciones individuales de cationes y aniones, y otros datos tales como el ph, sólidos en suspensión, materia orgánica, SDI, temperatura, etc. Independientemente de las unidades utilizadas para expresar los análisis, estos deben cerrar. Es decir, la suma de los cationes debe ser igual a la suma de los aniones. Es frecuente encontrar análisis que no cierran, lo que obliga al diseñador a modificarlos a su criterio para que esto ocurra. La persona que especifica debería asegurarse siempre que los análisis que incluye en las especificaciones cierren. Otra cuestión frecuente es la inclusión de más de un análisis, por ejemplo máximo y mínimo. Si bien es habitual que la salinidad del agua cruda, sobre todo si proviene de río, varíe por épocas entre un máximo y un mínimo, debe indicarse el valor a considerar para el diseño. En efecto, en el caso del intercambio iónico existe una relación casi lineal entre la salinidad y la cantidad de resina a utilizar, lo que determina el tamaño de la planta. Supongamos un caso frecuente, con agua del río Paraná o de La Plata, donde la salinidad varía entre unas 400 y 600 ppm (como CO 3 Ca). La planta diseñada para 600 ppm es un 50% más grande, y por lo tanto más cara, que la diseñada para 400 ppm. Qué actitud [01]

3 asume el diseñador? Si no se le indica otra cosa es casi seguro que diseñará para 400 ppm, obteniendo así una planta mas barata. Pero el cliente que compra esta planta estará la mayor parte del tiempo con carreras mas cortas que las solicitadas, y no por culpa del proveedor: el tomó, a falta de mayor especificación, el valor que mas le convino. Es muy difícil pensar que alguien pueda tomar el valor máximo, u otro sensiblemente mayor que el mínimo, pues al encarecer la planta le resta posibilidades en una competencia de precios. La especificación debe definir con exactitud el análisis a considerar para el diseño. Esto permite también que todas las ofertas sean en este aspecto técnicamente equivalentes. Al fijar el análisis de diseño tampoco debe caerse en la tentación de adoptar el máximo, pues en este caso se dispondrá de una planta que estará sobredimensionada gran parte del tiempo. Si se dispone de un análisis máximo y otro mínimo, para distintas épocas del año, se sugiere fijar como análisis de diseño el promedio de ambos e informar los valores máximos y mínimos. En estos casos es útil solicitar que el diseño incluya una curva de duración de las carreras en función de la salinidad, entre los valores máximo y mínimo. Obviamente para el valor de diseño la carrera debe ser la especificada; se acortará hacia la salinidad máxima y se alargará hacia la salinidad mínima. Se debe informar también el contenido de materia orgánica del agua a tratar pues un exceso de la misma trae problemas con las resinas aniónicas si no se tiene en cuenta este hecho en el diseño. También debe prestarse atención al contenido de cloro, que es perjudicial tanto para las resinas como para las membranas de ósmosis poliamídicas. Si se piensa en la utilización del proceso de ósmosis inversa en fundamental conocer el contenido de sílice y también el de algunos elementos, tales como el bario o el estroncio, que normalmente no existen, pero a veces aparecen y son problemáticos aún en muy bajas concentraciones. Es común encontrar análisis donde solo se informa alcalinidad, cloruros y sulfatos, y dureza. En este caso hay que inventar la distribución de calcio y magnesio. Calidad del agua a obtener Otra cuestión importante es fijar adecuadamente la calidad del agua a obtener de una planta desmineralizadora. En la mayoría de los casos el agua está destinada a la alimentación de calderas, en otros casos puede estar destinada a ciertos procesos. Nos referiremos al primer caso, aunque el segundo puede tratarse de modo similar. Cuando mayor es la presión de trabajo de la caldera, mayores son los requerimientos de calidad del agua. Sin embargo, la concentración admisible de sales dentro de la caldera es normalmente muchísimo mas alta que la del agua de aporte. Esta concentración depende del aporte de sales y demás elementos que se producen no solo a través del agua de aporte(mínimos), sino de lo que arrastra el condensado. Este aporte será mayor o menor según el estado del sistema, la existencia o nó de tratamiento de condensado, el tipo de tratamiento, etc. Finalmente, el incremento de la concentración se frena a través de la purga. Una mejor calidad de agua de aporte puede bajar algo las purgas. [02]

4 Son los fabricantes de las calderas quienes establecen normalmente la calidad del agua requerida. Debe tenerse en cuenta que ellos tenderán a solicitar calidades mejores que las realmente necesarias. Dentro de rangos amplios, puede obtenerse la calidad requerida sin mayores problemas. Pero a partir de ciertos valores el proceso requerido cambia totalmente. Los parámetros que definen la calidad del agua tratada son: Conductividad; ph; total de sales disueltas; alcalinidad; Sílice. Estos parámetros no son totalmente independientes, sino que algunos se relacionan entre sí. El desconocimiento de este hecho ha llevado a especificar calidades imposibles de lograr. En ocasiones, para poder cumplir el requisito exigido se han debido agregar sistemas absurdos y de difícil regulación, además de totalmente innecesarios. Así por ejemplo, en un tren catión-anión operando correctamente, solo debe considerarse a la salida una cierta fuga de sodio. Esta fuga se transforma en hidróxido de sodio al pasar por el anión. En estas condiciones son válidas las siguientes relaciones: a) Relación conductividad-fuga de sodio Conductividad( S/cm)= 5 x fuga de sodio(ppm como CO 3 Ca) b) Relación ph-fuga de sodio (y conductividad resultante) 1 ppm de Na produce un ph = 9.4 (C= 5 S/cm) (C=10 S/cm) (C=15 S/cm) (C=20 S/cm) Con sistemas regenerados en co-corriente es difícil lograr fugas menores de 2 ppm de sodio, por lo que simultáneamente es muy difícil poder garantizar conductividades menores de 10 S/cm, aún con consumos altos de reactivos. Para lograr una mejor calidad es necesario pasar a sistemas regenerados en contracorriente. Hoy día estos equipos son simples de construir y de funcionamiento económico, pero hasta no hace muchos años esto no era así. Los equipos que trabajaban en contracorriente eran complejos y caros. Entonces, la diferencia de especificar una calidad que implique una fuga de 1 ppm (5 S/cm) en vez de 2 ppm (10 S/cm) implicaba el cambio total del concepto de diseño, con las implicancias económicas aparejadas. En muchos casos no existía una razón valedera para especificar 1 ppm en vez de 2 ppm. Otras veces se ha pedido que el ph sea 7. Tal cosa es imposible. La única forma de lograrlo es mediante la inyección de algo de agua decationizada en la salida del anión, pero la regulación de este sistema es muy difícil, además de inútil. Otro punto a considerar es que a medida que el tren se agota, la conductividad tiende a subir. Normalmente las tablas de diseño están hechas para una fuga media. El punto de corte es habitualmente un valor aprox. tres veces superior. Si se especifica que la fuga no puede ser superior a un dado valor en todo momento, esto implica diseñar para una fuga media tres veces menor! Los sistemas regenerados en contracorriente con bloqueo mecánico de las resinas permiten lograr cómodamente calidades mejores que 1 S/cm durante mas del 80% de la carrera. [03]

5 Si el nivel de calidad requerido para el agua es aún mayor, como sucede con las calderas de alta presión y un solo paso, o en ciertos procesos industriales, entonces debe agregarse un lecho mixto. La salida del lecho mixto sí tiene un ph alrededor de 7. Fácilmente se logran conductividades por debajo de 0.5 S/cm, y fugas de sílice menores que ppm. Al especificar una planta se debería ser muy cuidadoso al fijar la calidad requerida, ya que la inclusión de un lecho mixto encarece la planta y aumenta la complejidad de la misma. Si se utiliza ósmosis inversa, la calidad especificada puede hacer que no sea suficiente un paso, sino que se necesite un segundo paso o un lecho mixto pulidor. Procesos a utilizar En el caso del intercambio iónico. el proceso a utilizar (co- o contracorriente) depende de la calidad de agua requerida. Antiguamente, si se requería una conductividad no menor de 10 S/cm, o si la planta incluía unidades de lechos mixtos, para el tren catión-anión se prefería la utilización de unidades regeneradas en cocorriente, a pesar de su menor eficiencia. Esto se debía a la complejidad que implicaban los sistemas de bloqueo por agua, y mas tarde por aire, que tendía a compensar las ventajas de la regeneración en contracorriente. Sin embargo, el desarrollo de nuevos procesos de regeneración en contracorriente con bloqueo mecánico, que se han popularizado a partir de la década del 80 (Amberpack de Rohm & Haas; Liftbet de Bayer; UFD de Degremont, UP-CORE de Dow, etc.), han desplazado totalmente al sistema de regeneración en cocorriente al permitir obtener las ventajas simultáneas de una mejor calidad, un menor consumo y equipos mas sencillos y económicos. Dependiendo de la composición del agua a tratar, la inclusión de resinas débiles mejora el consumo de reactivos, y con los sistemas actuales mencionados no implica una complicación adicional sensible como cuando debían implementarse tanques separados, con sus correspondientes cuadros de válvulas, etc. Otro elemento a ser tenido en cuenta, cuando el contenido de alcalinidad es importante, es la inclusión de una torre descarbonatadora. La torre permite eliminar la alcalinidad con un bajo consumo de electricidad, y simultáneamente permite que la unidad aniónica sea más chica y el consumo de soda disminuya apreciablemente. Por otra parte, implica un equipo adicional y un rebombeo del agua. No obstante, en la ecuación técnico-económica global, el resultado suele ser ampliamente favorable. Esta ventaja, sin embargo, era más importante con los sistemas antiguos. En la actualidad, con los menores consumos derivados de utilizar equipos regenerados en contracorriente con bloqueo mecánico, y con el requerimiento de efluentes autoneutralizables, las ventajas a veces se desdibujan, pero no deberían despreciarse sin un estudio adecuado. Si se utiliza el proceso de ósmosis inversa, es importante considerar la recuperación de diseño de la instalación. Quienes especifican tienden a solicitar altas recuperaciones con el argumento de una mayor eficiencia en el consumo de electricidad. Sin embargo, una mayor recuperación implica simultáneamente una mayor concentración de sales en el rechazo, y esto puede ser problemático con algunos elementos, principalmente la sílice. Si bien es cierto que hoy existen antiescalantes eficientes, estos productos son caros. Por otra parte, se debe considerar siempre la posibilidad de que algunas veces los operadores [04]

6 no utilicen el antiescalante. Este problema tiene características insidiosas. En efecto, la disminución de la dosis, o simple y llanamente la no dosificación del antiescalante, no manifiesta consecuencia observables en plazos cortos o medianos. Esto resulta tentador para el operador o supervisor que no comprenda claramente el problema, pues solo ve el ahorro inmediato. La real consecuencia de esto la verá al año, cuando deba cambiar las membranas que deberían haber durado por lo menos otro año. Es común encontrar usuarios (de plantas) que se quejan por que el diseño contemplaba altas recuperaciones, lo que los obliga al gasto mayor de antiescalantes y al peligro del ensuciamiento de las membranas, cuando preferirían haber tenido una planta con una recuperación menor, aún con un consumo algo mayor de electricidad y de agua. Consumo de reactivos y energía eléctrica El consumo de reactivos, normalmente ácido sulfúrico y soda cáustica, es un detalle que debe ser cuidadosamente considerado. El consumo de ácido y soda en una planta de intercambio iónico bien diseñada puede llegar a cifras del orden del 50% del costo de la instalación al año (incluyendo en el costo de la instalación la obra civil y montaje). En la evaluación de una oferta debe considerarse en forma realista el precio de la instalación y el costo anual del consumo de reactivos, energía eléctrica, etc. Esta forma de evaluación debe además estar bien definida en las especificaciones. De no ser así, el diseñador tenderá a ofertar equipos mas baratos pero de mayor consumo. En general, puede decirse que a mayor nivel de regeneración se obtiene mayor capacidad operativa en las resinas, y por lo tanto equipos mas chicos y menos costosos. Pero simultáneamente, con el incremento del nivel de regeneración baja la eficiencia (capacidad/nivel de regeneración), con lo que el consumo por metro cúbico de agua tratada aumenta. Es útil que quien especifica los requerimientos suministre los valores a considerar para la comparación de las ofertas (costo de los reactivos a utilizar, energía, agua cruda, etc.). Un ejemplo típico podría ser el siguiente: Para la comparación de las ofertas se utiliza el precio de la planta mas el costo del consumo durante 5 años. Este último valor puede afectarse de un coeficiente de utilización o factor de servicio del 80%, y se trae a valor presente con una tasa del 12% anual. Autoneutralización de los efluentes Excepto casos particulares poco frecuentes, toda planta de desmineralización por intercambio iónico debe estar provista del equipamiento necesario para la neutralización de los efluentes de la regeneración. Dado que normalmente los reactivos utilizados para la neutralización son los mismos que los empleados para la regeneración, es conveniente establecer el requerimiento de autoneutralización. Esto no implica, sin embargo, prescindir del equipamiento necesario [05]

7 para neutralizarlos si por alguna mala maniobra o por cualquier otra razón resultara necesario. Este requerimiento debe incluirse junto con el de considerar los consumos, es decir que estos deben incluir lo necesario tanto para regenerar los trenes como para neutralizar los efluentes producidos. En algunos casos se han podido garantizar consumos menores simplemente por no considerar lo necesario para la neutralización, con el pretexto de que no estaba claramente indicado en la especificación. Cantidad de trenes, carreras, etc. Una de las primeras cuestiones a considerar es el caudal neto requerido y su distribución temporal. En plantas de magnitud importante se trabajan las 24 horas del día, sin modificación sensible del ritmo. Por lo tanto, el caudal neto requerido es uniforme durante todo el día. Uno o mas tanques de almacenamiento de agua desmineralizada son aconsejables como elementos de seguridad ante cualquier problema, o simplemente como amortiguadores ante variaciones momentáneas del caudal requerido, pero no estrictamente necesarios. En cambio, en una instalación de menor envergadura, es posible trabajar con una planta desmineralizadora durante, por ejemplo, dos turnos y parar por la noche. También es posible que durante la noche se reduzca la necesidad de agua por disminución del ritmo de trabajo general. En estos casos sería necesario contar con tanque/s de acumulación que permita/n almacenar durante las horas de trabajo de la planta de desmineralización, el agua necesaria para el período en que no trabaja. En otros casos, y siempre pensando en instalaciones pequeñas, es posible que se utilice un solo tren. En este caso también resulta imprescindible un tanque de almacenamiento, no solo para acumular el agua que se utilizará mientras dure la regeneración, sino también para acumular el agua desmineralizada necesaria para la propia regeneración. Con respecto al número de trenes, lo mas usual es instalar dos, pero el número aconsejable depende del caudal total a producir. La instalación de un solo tren es solamente considerada en instalaciones pequeñas. Debe tenerse en cuenta que ante un mantenimiento o un problema en el tren, toda la planta queda fuera de servicio. Por esta razón no es aconsejable instalar menos de dos trenes. Con dos trenes se puede operar en dos formas: uno de ellos en operación y el otro en regeneración o espera; o bien uno en operación mientras el otro se regenera, y el resto del tiempo hasta el agotamiento del primero con los dos trenes en operación. Hoy se puede considerar que el límite de caudal para cada tren está entre los 150 y los 200 m 3 /h. Si el caudal requerido es superior resultará necesario instalar mas de dos trenes. Instalando tres trenes, es posible tener una instalación con dos trenes operando continuamente mientras el tercero está en regeneración. Si el caudal requerido es aún mayor, habrá que instalar cuatro o más trenes. También es necesario considerar la duración de la carrera. Debe tenerse en cuenta que carreras muy largas exigen equipos grandes. Aparte del costo, que es aproximadamente [06]

8 proporcional a la duración de la carrera, un equipo sobredimensionado puede llegar a tener problemas por caudales específicos bajos. A la inversa, carreras muy cortas implican mucho tiempo muerto de los trenes, y mayor trabajo de regeneración. Lo común es trabajar con carreras de 12 horas cuando se trabaja con dos trenes, y de 8 horas trabajando con tres trenes. La duración de la regeneración depende del diseño particular, pero con cierto margen de seguridad y sistemas modernos puede tomarse un tiempo de unas 4 horas, que incluye la eventual neutralización de los efluentes y el desagote de la pileta de neutralización. Casos típicos muestran que con tres trenes se puede operar con carreras de 8 horas por tren y 4 horas para regeneración y descarga de los efluentes. Esto permite tener dos trenes en operación en forma permanente. Es importante definir y establecer claramente lo que se entiende por duración de la carrera, ciclo, tiempo entre regeneraciones, etc. Es muy común encontrar imprecisiones al respecto. En el caso mencionado anteriormente la "carrera" o "tiempo de operación entre regeneraciones" es de 8 horas; el "tiempo para regeneración, neutralización, desagote y margen de seguridad" es de 4 horas; y el "ciclo" o "tiempo entre regeneraciones" resulta de 12 horas. No importa la denominación que se utilice, sino que lo importante es que quede claro qué es lo que se especifica. Finalmente, y volviendo al caudal, los valores a fijar, y esto debe destacarse en la especificación, son los valores netos o útiles. Corre por cuenta del diseñador considerar los caudales reales para producir además el agua necesaria para la regeneración. En caso de que la planta incluya lechos mixtos, es habitual que se coloque uno por tren. Dado que estos equipos trabajan como pulidores, son regenerados semanalmente. Existen dos formas de trabajar con los lechos mixtos. Una de las formas, bastante difundida, consiste en que cada lecho mixto forma parte de un tren. Así, cuando el tren catión-anión esta en regeneración, el lecho mixto no opera. Este sistema presenta algunas desventajas: -cada vez que arranca puede ser necesario un enjuague para alcanzar calidad, lo que implica perder agua y tiempo. -Si un equipo debe salir de servicio, lo hace necesariamente el tren completo. -Cuando se regenera el lecho mixto, el tiempo total de regeneración (tren no operativo) puede duplicarse fácilmente. Por esta razón resulta aconsejable que los trenes catión-anión descarguen a un colector común, y de este se alimenten los lechos mixtos. Así, la operación de los lechos mixtos resulta independiente de la de los trenes catión-anión, y se evitan los inconvenientes mencionados anteriormente. En el caso de los trenes de ósmosis inversa valen consideraciones similares. Sin embargo es necesario tener en cuenta que mientras los trenes de intercambio iónico pueden operar a caudales variables dentro de un amplio rango, los de ósmosis operan a caudal fijo. Por ello, alimentando a un tanque de reserva, debe implementarse una lógica que arranque y detenga los trenes en función, por ejemplo, del nivel en el tanque. Si las detenciones previstas en el diseño son de alguna horas, es conveniente incluir un lavado automático al detenerse el equipo para evitar precipitaciones dentro de las membranas. [07]

9 Recipientes En la última década se han verificado avances notables en este tema. Los recipientes para las unidades aniónicas, catiónicas y de lechos mixtos se construyen habitualmente en chapa de acero al carbono, con diseño según código ASME, y revestidos interiormente con ebonita. Si bien en equipos chicos se ha llegado a utilizar revestimiento epoxi, el mismo no brinda una seguridad tal como el ebonitado. Últimamente se ha presentado como una posibilidad interesante la utilización de un revestimiento en base a resinas bisfenólicas, cargas minerales y microescamas de vidrio. Este sistema ha dado muy buen resultado aplicado sobre hormigón, y promete resultados aún mejores sobre acero dadas sus propiedades de dilatación térmica y adherencia sobre el metal. No obstante, solo se conocen aplicaciones en piezas de cañerías con ácido sulfúrico diluido. De dar resultado tendría la enorme ventaja de requerir un menor trabajo de amolado y permitir la aplicación in-situ y en frío, sin requerir procedimientos especiales con vapor para lograr la vulcanización del ebonitado, lo que limita la ejecución de este revestimiento a firmas o talleres de cierta magnitud. La utilización de mantos soporte (arena en las unidades catiónicas y antracita en las aniónicas) con colectores de caño perforado ha sido totalmente abandonada por los extensos lavados que se requerían. Resulta más simple y práctico utilizar falsos fondos planos o curvos. En el falso fondo se colocan toberas o strainers que distribuyen eficazmente el líquido. Si el falso fondo es plano, es necesario vincularlo mecánicamente con el cabezal para transmitirle los esfuerzos, en cambio si es curvo esto no resulta necesario. En cualquiera de estos casos es necesario revestir la cámara que queda entre el falso fondo y el cabezal, y dotarla de una entrada de hombre adicional, pero se obvia la utilización de distribuidores de caños. Además, los strainers son de plástico (polipropileno, ABS, etc.) con lo que no existen dentro del recipiente elementos metálicos en contacto con el fluido (Hastelloy, AISI 316, según el regenerante). La utilización de distribuidores, aunque se construyan de plástico, requiere grampas y bulonería de fijación. A veces se utilizan distribuidores construidos con caños perforados con mallas, o bien con caños y pequeños strainers, que se montan sobre el falso fondo plano. Esto permite reducir la superficie a ebonitar. En algunos diseños también se puede prescindir del cabezal inferior, soportando el falso fondo plano con perfiles soldados a una pequeña pollera del recipiente. Válvulas Para las válvulas principales de proceso se han utilizado tradicionalmente las válvulas a diafragma tipo Saunders. Esta válvula es muy noble y presenta la ventaja de tener solo dos partes en contacto con el fluido: el cuerpo y el diafragma. El cuerpo es generalmente de fundición, pudiendo estar revestido con ebonita, vitón o teflon. El diafragma puede ser de goma, vitón, teflon, etc. En diámetros no muy grandes (4" o menores) son siempre recomendable, tanto para agua como para ácido o soda diluidos o concentrados (el material del revestimiento y del [08]

10 diafragma debe estar de acuerdo al fluido a manejar). Pueden ser manuales, o automáticas con actuadores neumáticos. A medida que el diámetro aumenta, aumenta mucho el tamaño del cuerpo (peso) y el costo de la válvula. Además, el esfuerzo de cierre, al tener que vencer la presión del fluido contra el diafragma, también hace que los actuadores se agranden y encarezcan mucho, especialmente cuando son del tipo normal cerrado. En válvulas de 8" ya puede ser problemático asegurar el cierre con algunos bares de presión en la línea. Otra válvula muy utilizada, aunque no tanto en nuestro medio, es la mariposa. Esta válvula es más económica y requiere actuadores más simples y pequeños. Además, presenta pérdidas de carga mínimas. El cuerpo es generalmente de fundición, con o sin revestimiento. El eje y la clapeta frecuentemente se construyen en acero inoxidable. Su utilización más aconsejable es en las líneas principales de proceso (líneas de circulación de agua y drenajes). Bien construida brinda un cierre hermético sin problemas. Lamentablemente, en el pasado las válvulas mariposa de origen nacional han dieron resultados poco satisfactorios, por lo que muchos usuarios les tienen una gran desconfianza. Sin embargo este problema ha desaparecido. Para las líneas de transferencia de resinas se prefieren válvulas de paso total, preferentemente de tipo esférica, pero la experiencia ha demostrado que las a diafragma dan muy buen resultado en este servicio. Donde es necesario controlar un caudal mediante un lazo de control, se debe instalar una válvula de control. Cuando la válvula de control resulta de 2" o mayor, conviene instalar una de tipo mariposa, con su correspondiente actuador y posicionador electroneumático. Una válvula de tipo globo, por sus características constructivas, resulta muy cara y no brinda necesariamente una prestación superior. En diámetros menores de 2", la diferencia de costo no resulta tan importante y suelen utilizarse válvulas globo. En algunos casos se han llegado a utilizar válvulas a diafragma con un posicionador provisto de una leva o dispositivo equivalente que permita corregir la característica de la válvula, que es de tipo apertura rápida, llevándola a una de tipo igual porcentaje o lineal. La experiencia muestra que esto es solo una medida que puede tomarse ante una emergencia, pero no como una solución definitiva. Finalmente, para bloqueo de instrumentos o tomamuestras es frecuente utilizar pequeñas válvulas esféricas de inox., de _" o _". La utilización de válvulas de plástico (PVC, polipropileno, etc.), si son de buena calidad, es una solución económica. Pero debe considerarse muy bien el material a utilizar (tipo de plástico, origen, fabricante, etc.). Este es un rubro donde es muy fácil encontrar materiales aptos para instalaciones domiciliarias pero no para una industrial. Automatismo Este es un tema donde frecuentemente es necesario definir los alcances de los términos que se utilizan en las especificaciones, pues no se verifica un consenso o unidad de criterio para definir lo que se entiende por "planta automática", "semiautomática" o "manual". Lo mas seguro es explicar claramente lo que se desea. [09]

11 Trataremos de explicar algunos de estos términos, pero debe considerarse que pueden existir personas que los usen en forma diferente. En primer lugar es necesario considerar que una planta desmineralizadora admite tres estados diferentes: detenida o parada; en operación; o en regeneración. Cuando la planta está parada, solo se requiere que las válvulas estén cerradas. Ninguna otra acción o control es necesaria. Cuando la planta está en operación, las válvulas están posicionadas de una determinada manera y tampoco se modifica esta situación mientras la planta está operando. Cuando los trenes se han agotado es necesario regenerarlos, para lo cual la planta es llevada primero a estado de parada, y luego se inicia la regeneración. Esta consiste en una serie de etapas, cada una con un conjunto de válvulas abiertas y otras cerradas, bombas en operación o paradas, etc. La cantidad y duración de estas etapas, y qué se hace en cada una de ellas, depende del tipo de regeneración que se emplee y del diseño particular de la planta. Es sin embargo importante considerar que esta secuencia de etapas es fija, es decir que no depende de situaciones derivadas de la misma planta. Trataremos de aclarar algunos conceptos: PLANTA MANUAL: Es una planta donde todas las decisiones y acciones son tomadas por el operador. Es él quien abre y cierra las válvulas que corresponda, arranca o apaga las bombas, etc. Para ello debe recorrer la planta a efectos de accionar in-situ cada uno de estos elementos. Una mejora, sobre todo en equipos grandes, podría ser la inclusión de actuadores neumáticos para la operación de las válvulas, los que a su vez pueden comandarse a través de solenoides. Puede disponerse de contactos de fin de carrera en las válvulas, y fácilmente implementarse un tablero o panel de control, con o sin mímico, desde donde el operador puede accionar todos estos elementos, e incluso verificar el cumplimiento de la orden. Esto facilita la tarea del operador ya que no necesita desarrollar el esfuerzo físico de abrir y cerrar las válvulas, ni debe trasladarse continuamente al pié de cada elemento a operar. No obstante, estas alternativas no cambian el concepto de planta manual, ya que todas las acciones son decididas y ejecutadas por el operador. Adicionalmente existen algunas funciones de control que pueden estar implementadas sin modificar el concepto de planta manual. Cuando una planta entrega agua a un consumo variable, es frecuente instalar un lazo de control de caudal que mantiene a esta variable en su valor prefijado o lo modifica en función de algún parámetro externo, como por ejemplo el nivel del tanque de almacenamiento. Cuando se utiliza una torre descarbonatadora es habitual instalar un lazo de control que regula el caudal a través del catión en función del nivel en la cisterna de agua descarbonatada. Estos controles pueden ser on-off o preferiblemente proporcionales. A veces, el caudal de agua requerido para la dilución de los reactivos durante la regeneración también es regulado por un lazo de control. Es común incluir un enclavamiento que evita la dosificación de ácido o soda concentrados si el caudal de agua de dilución cae por debajo de ciertos valores. [010]

12 Nuevamente, estos controles no cambian el concepto de planta manual. Se consideran regulaciones mínimas que evitan tener que disponer todo el tiempo de operadores controlando válvulas en función de un nivel o un caudal. PLANTAS AUTOMATICAS Y SEMIAUTOMATICAS: Son plantas donde todas la acciones (apertura y cierre de válvulas, arranque y parada de bombas, etc.) son tomadas por una lógica automática. Mas adelante se explicarán las diferencias entre semiautomática y automática. Una planta operando en estas condiciones tiene la ventaja de no requerir operadores en forma permanente. El operador asignado a la planta solo supervisa el accionar del sistema mientras puede desarrollar otras actividades. En su inicio las lógicas de accionamiento se implementaban con programadores a levas o a cinta perforada y temporizadores. Posteriormente se utilizaron lógicas con relays y temporizadores. Estos sistemas eran favorecidos por el hecho de que una vez adoptadas, las secuencias son fijas. Sin embargo, algunas modificaciones que surgían durante la puesta en marcha obligaban a veces a modificaciones de cableado en la lógica que no eran simples. Un avance posterior fueron los programadores electromecánicos a tambor, mucho más versátiles. Sin embargo, con el advenimiento de los PLC, todos estos sistemas fueron superados. Al utilizar un PLC la secuencia se establece por software, no requiriéndose ningún cableado para ello. Cualquier modificación posterior se realiza también sobre el software. Esta simplicidad ha permitido incluir en forma simple algunas acciones adicionales tales como la denominada detección de "discrepancia de estado". Esto significa que cada vez que la lógica da una orden (abrir o cerrar una válvula, arrancar o parar una bomba, etc), espera un cierto tiempo (suficiente para que se ejecute la orden) y verifica la ejecución de la misma. Si la orden no ha sido cumplida existe una "discrepancia" entre el estado real del elemento y el que debería tener. Es importante destacar que la experiencia indica, al menos en nuestro país, que cuando se tiene una indicación de discrepancia, la gran mayoría de las veces la falla está en el sensor y no en el elemento que debe actuar. Por ello es aconsejable que estas situaciones provoquen alarma pero no detengan la secuencia, excepto casos muy particulares. Estas lógicas de control que utilizan PLC, permiten hoy día construir paneles de control muy pequeños, además de brindar mucha información. Generalmente se utiliza una computadora tipo PC como interfase con el operador, y a través del teclado se pueden dar todas las órdenes necesarias. De la misma forma, a través de la pantalla se puede disponer de mucha información sobre el funcionamiento de la planta. Trataremos ahora de explicar las diferencias entre lo que definimos como "automático" o "semiautomático". En una planta "automática", la lógica saca de servicio el tren cuando esto es necesario, lo que resulta de una señal que puede ser por tiempo de operación del tren (duración de la carrera), por volumen de agua tratada (caudal integrado), por alta conductividad o por alto contenido de sílice. Una vez que el tren ha salido de servicio, la lógica desarrolla toda la secuencia de regeneración, quedando finalmente el tren regenerado y en espera. Al sacar un tren de servicio, la lógica pone en servicio el tren que estaba en espera. [011]

13 Como puede verse, el operador no tiene injerencia en el funcionamiento normal de la planta, limitándose solo a vigilar los parámetros de interés. En una planta "semiautomática", en cambio, se le reservan al operador algunas decisiones trascendentes. Estas decisiones, como máximo llegan a tres: sacar de servicio el tren; poner el tren en servicio; iniciar la secuencia de regeneración. La experiencia indica que esta última alternativa es mas aconsejable. Tiempo atrás, cuando comenzó a promocionarse en los EEUU el diseño de plantas totalmente automáticas, se observaron una serie de inconvenientes derivados de la falta de confiabilidad de los instrumentos. En efecto, era frecuente que señales espurias de conductímetros o silicómetros sacaran de servicio trenes no agotados, con los consiguientes problemas: consumo innecesario de reactivos, trenes parados esperando turno para regeneración y por lo tanto bajo caudal de producción. Si bien la instrumentación actual ha evolucionado mucho, lo que permite evitar estos problemas, se considera mas versátil el concepto de planta semiautomática. En efecto, el operador puede en ciertos casos decidir si saca el tren agotado de servicio, o si por necesidad de agua, o por algún impedimento para la inmediata regeneración, le conviene operarlo durante un tiempo adicional. La mayor carga de trabajo para el operador es realmente despreciable, limitándose a tres pulsaciones de un comando por cada carrera de un tren. En los equipos de ósmosis inversa es usual que estos arranquen o paren con una señal de la lógica de control, en función del nivel de agua en el tanque de reserva. El operador también puede arrancar y parar los equipos. Cuando resulta necesario efectuar un lavado químico o CIP, es el operador el que toma estas decisiones. Instrumentación La instrumentación requerida depende del tipo de planta (automática o manual), de cuanta información se desea disponer, y fundamentalmente de cuanto dinero se puede invertir. En los recipientes catiónicos, aniónicos o de lechos mixtos conviene contar con manómetros a la entrada y salida. En el caso de recipientes con mas de una cámara puede ser útil disponer de al menos un manómetro en cada placa de separación entre cámaras. En los equipos que operan con bloqueo mecánico es conveniente disponer de una medición de presión diferencial con alarma. Lo mismo es aconsejable para las trampas de resinas. Eventualmente puede disponerse de una sola medición que incluya recipiente y trampa. En todos los casos es interesante poder determinar, ante una situación de alarma, qué cámara, placa o trampa es la responsable del incremento de la pérdida de carga. Esto puede hacerse disponiendo de mediciones independientes dedicadas (caro), o de una medición dotada de un juego de válvulas que permita seleccionar el sector (cámara, placa o trampa) cuya pérdida de carga se desea medir. Debe tenerse en cuenta que existen tres posibilidades para la medición de presión diferencial: [012]

14 1) Transmisor de presión diferencial, habitualmente electrónico, con indicador local y transmisión de señal a panel donde puede obtenerse la señal de alarma. 2) Celda tipo Barton, con indicador local y contacto para alarma. 3) Presóstato diferencial. Las dos primeras posibilidades son de costo similar, por lo que si se dispondrá de instrumentación electrónica, la primera es mas aconsejable pues permite tener las señales en panel y leerlas. La tercera posibilidad mencionada es mas barata pero no permite leer la pérdida de carga, sino solo obtener la señal de alarma. La experiencia demuestra que es muy poco probable el taponamiento de los strainers de las placas, por lo que estas mediciones pueden prescindirse. Por otra parte, las trampas de resina se tapan o no, sin situaciones intermedias, por lo que no es importante conocer el valor de la pérdida de carga cuando se ha tapado, sino solo detectar esta situación. Lo que sí puede ir incrementando su pérdida de carga en función del tiempo son las cámaras con resina, por lo que allí sí es aconsejable poder determinar el valor correspondiente. Es normal que las bombas centrífugas estén provistas de manómetros, pero carece de sentido exigir manómetros en bombas dosificadoras (alternativas), excepto que se instalen amortiguadores de pulsaciones. La medición del caudal de producción es importante. Resulta igual si se mide el caudal de agua desmineralizada producida o el de agua cruda ingresante, pues no existe posibilidad de derivación intermedia (excepto cuando se utiliza una torre descarbonatadora compartida por dos o más trenes). Esta medición puede ser una simple lectura local o, si se dispone de una instrumentación mas elaborada, puede ser transmitida a un panel para registro e integración. Si hay un controlador de caudal esta medición es necesaria para alimentar el controlador. Si se utiliza torre descarbonatadora, es necesario contar con un lazo de control de nivel en la cisterna de agua descarbonatada. Para controlar la calidad del agua obtenida se utilizan conductímetros que se instalan a la salida del anión. Si se implementa un proceso con recirculación debe tenerse el cuidado de ubicar la toma, o la celda, en un punto tal que pueda sensar el agua producida por el anión en las dos circunstancias, recirculación o producción. Es normal registrar esta variable. La medición del ph de salida es a veces solicitada, con su correspondiente registro, aunque no es importante (puede ser mas útil disponer de un phmetro portátil para usos generales). Otra medición utilizada frecuentemente como control de calidad es la de sílice, con registro y alarma. Sin embargo, el elevado costo de este instrumento y el alto factor de indisponibilidad observado en la mayoría de las plantas que lo poseen (fundamentalmente por falta de un mantenimiento adecuado), hace que la recomendación sea pensarlo muy bien antes de solicitar su inclusión (puede ser suficiente con algunos ensayos periódicos en laboratorio). La medición del ph en la cisterna de neutralización es necesaria cuando se dispone de un sistema automático de neutralización. En plantas manuales puede ser suficiente con el equipo portátil mencionado anteriormente. La inclusión de contactos (fines de carrera) en las válvulas solo se justifica en instalaciones grandes, para indicación en el mímico o para determinar discrepancia de estado en la lógica de control. [013]

15 Es importante disponer de tomamuestras que permitan obtener muestras de agua cruda y tratada, aún en etapas intermedias, y de los reactivos diluidos utilizados para la regeneración. Para el primer grupo por lo general se utilizan las válvulas de purga de los manómetros. Para el ácido y la soda diluidos es necesario instalarlos. A veces, la muestra es conducida a una especie de probeta fija, construida en inoxidable, donde se dispone permanentemente de un densímetro. Normalmente solo se requiere que el operador verifique la densidad en alguna oportunidad durante la regeneración. En caso de diseños mas sofisticados (no frecuentes) suele controlarse la concentración de los reactivos diluidos mediante mediciones de conductividad o de densidad, que son transmitidas al panel de control, eventualmente registradas y/o utilizadas con alguna función de control o alarma. Es necesario contar con mediciones de caudal de agua de dilución para el ácido o la soda, que pueden ser simples rotámetros en plantas manuales pequeñas, o ser mediciones con función de control en instalaciones de mayor envergadura. En todos los casos es importante disponer de una señal de bajo caudal para enclavar la inyección de reactivos concentrados si falla o baja demasiado el caudal de agua de dilución. Un termostato en la línea de ácido diluido, con la misma finalidad, puede ser aconsejable como segundo elemento de seguridad. Otras mediciones como temperaturas, presiones, etc. pueden ser aconsejables según el caso particular que se analice. En los equipos de ósmosis inversa es conveniente medir los caudales de agua de alimentación, permeado y rechazo. También es necesario contar con un conductímetro para control de la calidad del permeado, y eventualmente con un silicómetro. Se instalan manómetros en la salida de las bombas de alta presión, en el permeado y entre los arreglos de membranas. Los filtros a cartucho deben disponer de presóstatos diferenciales para alarma. Es útil que las salidas de permeado de cada tubo de presión dispongan de válvulas tomamuestras. [014]

16 Lay out y edificio El lay out o distribución de equipos en la planta depende de cada diseño particular, y debe prever espacios de paso y acceso suficiente para poder efectuar en forma cómoda la operación y las tareas de mantenimiento que puedan requerirse. Consideramos de interés comentar algunos puntos particulares. En zonas templadas, excepto la sala de control y ambientes para los operadores, las plantas desmineralizadoras se construyen totalmente a la intemperie, sin ningún tipo de cerramiento. Los equipos están montados sobre bases de hormigón y se dispone de una platea del mismo material para piso. En cambio, en zonas donde la temperatura suele ser muy baja, con temperaturas cercanas o por debajo del 0 º C durante bastante tiempo, resulta inevitable proveer a la planta de un cerramiento, y eventualmente de algún sistema de calefacción para impedir problemas de congelamiento en equipos parados o en espera, además de brindar un ambiente mas confortable a los operadores y personal de mantenimiento. (Los equipos operan a la temperatura del agua, no produciéndose una disminución sensible de la temperatura a lo largo del tren aunque las temperaturas ambientales sean muy bajas. Esto se debe a que el área de intercambio es muy pequeña frente al caudal involucrado. Pero el equipo que no opera sí puede llegar a congelarse). Si el agua está muy fría puede llegar a ser necesario un precalentamiento de la misma antes de entrar a las unidades catiónicas. No resulta conveniente trabajar con temperaturas por debajo de los 10 º C pues la capacidad de las resinas se resiente mucho. Debe considerarse que la soda cáustica puede presentar problemas con temperaturas por debajo de los 15 ºC. Por ello es conveniente aislar las cañerías de soda concentrada y colocarle un tracing eléctrico. Los tanques, en zonas frías, también deben estar al menos aislados, y preferentemente contar con un sistema de calefacción o tracing. Si se utiliza torre descarbonatadora, la cisterna de agua descarbonatada se construye habitualmente de hormigón, sobre el nivel del piso, y sobre ella se monta la torre y los ventiladores. El revestimiento interno puede ser epoxi o utilizarse resinas bisfenólicas flexibles con cargas minerales y microescamas de vidrio. La pileta o cisterna de neutralización debe estar dimensionada generosamente, para contener al menos los efluentes de una regeneración completa más un cierto porcentaje, generalmente un 50%. Se construyen en hormigón y el revestimiento interno que mejor resultado ha dado es el de resinas bisfenólicas flexibles con cargas minerales, microescamas de vidrio y telas de fibra de vidrio. También se utiliza el revestimiento epoxi o con PRFV. Tradicionalmente la pileta o cisterna se ubica al costado de la planta a un nivel inferior para que los efluentes circulen por gravedad. Los efluentes son conducidos por canaletas revestidas de la misma forma que la cisterna. En los sistemas modernos, donde los efluentes pueden volcarse o disponerse a cierta altura, parece más razonable utilizar caños de plástico o PRFV, sin presión, para conducir los efluentes a la pileta. Las canaletas siempre han sido una fuente de problemas por las fallas de los revestimientos que han terminado en infiltraciones de ácido en el suelo con los problemas consiguientes. [015]

17 Una alternativa poco utilizada pero muy práctica y ventajosa es montar la planta sobre la cisterna de neutralización, de modo que el piso de la planta sea el techo de la cisterna. Esta construcción tiene la ventaja de no requerir conducción de efluentes desde las unidades a la cisterna: solo se requiere un agujero en el piso. Otra ventaja es que el área requerida por la planta disminuye considerablemente, a veces a la mitad. Esta construcción no es mas cara ya que la losa de techo es solo una losa liviana para caminar. Los equipos apoyan sobre columnas y pilotes pasantes. Solo hay un pequeño incremento del área a revestir (columnas pasantes y revestimiento liviano en el techo) compensada por la disminución del pilotaje total. Las ventajas se aumentan si todo el conjunto se construye sobre el nivel del piso, pues el drenaje de la cisterna se produce por gravedad. Esta construcción no es mas cara pues la mayor longitud de los pilotes se compensa con la eliminación de la excavación, que en algunos lugares es problemática por la cercanía de la napa freática. La operación de la planta, que queda en el "primer piso", no ocasiona mayor consumo energético ni problemas de otro tipo. El drenaje, al producirse por gravedad, permite adoptar diámetros generosos que brindan un elevado caudal, y por lo tanto una descarga de la cisterna en corto tiempo. Si tuviera que emplearse una bomba, esta debería ser muy grande para una descarga rápida, o admitirse una descarga en un tiempo mayor (cinco o seis veces) con un tamaño lógico de bomba. (*) El Ing. Ricardo E. Pauer es Ingeniero Químico, de la U.N.L. Especializado en el tratamiento de aguas y efluentes. Forma parte de Consultora de Aguas y Devre Internacional SA. [016]