Memoria Ernesto Antonio Contreras Hasbun

ESTANDARIZACIÓN DE PROCESO DE RETRO LAVADO EN FILTROS LAROX ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

Profesor Guía: MARIO FERNÁNDEZ Ingeniero Guía: ALFONSO PIDAL

Memoria para obtener el Título de INGENIERO EN MECATRÓNICA CURICÓ -CHILE FEBRERO DE 2013

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ESTANDARIZACIÓN DE PROCESO DE RETRO LAVADO EN FILTROS LAROX Memoria para obtener el Título de INGENIERO EN MECATRÓNICA

ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN Profesor Guía: MARIO FERNANDEZ

Resumen En la empresa CODELCO, específicamente en la división Chuquicamata, existen tres filtros clarificadores (pertenecientes a la Subgerencia de Refinería) para el tratamiento del electrolito utilizado en la etapa de electro refinación. Cuando los filtros dejan de cumplir su función específica, debido a la obturación que presentan por el material en ellos depositado, se les efectúa un retro-lavado (con un flujo en la dirección opuesta al flujo normal), para provocar el desprendimiento del material depositado y así recuperar sus características de operación. Los cambios tecnológicos hechos en los últimos años en el área de fundición han modificado las condiciones de producción de los ánodos, lo que ha provocado que el material particulado liberado hacia el electrolito en la etapa de refinación haya ido cambiado. Debido a esto, en el transcurso de los años se ha podido observar una disminución en la vida útil de los materiales filtrantes que utilizan cada filtro. Este hecho indujo a una intervención en la programación del retro-lavado. A pesar que la intervención se hizo en beneficio de aumentar la eficiencia de los filtros, la vida útil de las telas filtrantes disminuyó aún más de la que tenían antes de este cambio. Pese a los esfuerzos realizados, no se consiguió recuperar las condiciones que tenían previamente al cambio tecnológico. Además, se apreciaba que los filtros actuaban de manera desigual en la etapa de lavado automático de las telas. Con el fin de solucionar la problemática presentada, la que correspondía a una corrección de la lógica de funcionamiento y una estandarización, se dio lugar al desarrollo de la presente Memoria. El trabajo realizado no sólo logró su objetivo, sino que -como resultado adicional- se estableció una política de estandarización del proceso de uso para los tres filtros, pasando por el diseño de una nueva secuencia lógica de operación, una mejora del programa para el manejo automático del retrolavado de los tres filtros clarificadores y recomendaciones o propuestas de mejoras operacionales y tecnológicas para todo el sistema.

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ESTANDARIZACIÓN DE PROCESO DE RETRO LAVADO EN FILTROS LAROX Memoria para obtener el Título de INGENIERO EN MECATRÓNICA

ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN Tutor Professor: MARIO FERNANDEZ Abstract At CODELCO, specifically in the Chuquicamata division, there exist three purifying filters (belonging to Refinery Sub-management) which are used for the treatment of electrolyte used in the electro-refinery stage. When the filters no longer fulfill their specific function, due to clogging up which arises due to material becoming deposited in them, it causes wash-back (with the direction of flow being the opposite to that of normal flow), in order to cause the deposited material to dislodge and thus recover their operational characteristics. Technological changes during recent years in foundry have modified the conditions of anode production, which has caused particulate matter which is freed towards the electrolyte in the refinery stage to be changed. Due to this, over the course of the years one has been able to observe a reduction in the useful life of the filtration material used in each filter. This fact, induced an intervention in wash-back programming. In spite of the intervention carried out with a view to improve the filters' efficiency, the useful life of the filtration fabric decreased even more than that which they possessed prior to this change. In spite efforts, it was not possible to recover the conditions possessed previous to this technological change. Furthermore, it was noticed that the filters acted in a different manner in the automated washing stage. In an effort to solve the problem at hand, which corresponds to correct the logic of the operation and standardization, this situation gave rise to the development of my current thesis. The work carried out not only achieved its objective, but also - as an additional result - established a policy of standardization in the usage of the three filters, beginning with the design of a new logical operation sequence, an improvement in the automated wash-back program of the three purifying filters and a recommendation or proposal of operational and technological improvements throughout the whole system.

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Índice de Contenidos CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 11 1.1

Comentarios preliminares ................................................................................ 12

1.2

Problemática .................................................................................................... 12

1.3

Relevancia de etapa de filtración ..................................................................... 13

1.4

Objetivos .......................................................................................................... 14

1.4.1

Objetivos generales................................................................................... 14

1.4.2

Objetivos específicos ................................................................................ 14

1.5

Resultados tangibles ........................................................................................ 14

Capítulo 2 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA ....................................................... 15 2.1

Historia del cobre ............................................................................................. 16

2.2

Ficha técnica de Codelco Norte ....................................................................... 18

Capítulo 3 MARCO TEORICO ..................................................................................... 22 3.1

Electro-refinación ............................................................................................ 23

3.1.1 3.2

Manejo del electrolito ............................................................................... 23

Filtración .......................................................................................................... 25

3.2.1

Métodos de filtración ................................................................................ 25

3.2.2

Filtración del electrolito............................................................................ 26

3.3

Filtros LAROX (FLOWROX) ......................................................................... 29

3.3.1

Descripción general .................................................................................. 29

3.3.2

Sistema de filtrado y operación ................................................................ 31

3.3.3

Retro-lavado ............................................................................................. 33

3.4

Elementos filtrantes ......................................................................................... 36

3.5

Sistema de control e instrumentación .............................................................. 38

3.5.1

PLC ........................................................................................................... 38

3.5.2

Instrumentación ........................................................................................ 39

3.5.3

Programación y lenguajes......................................................................... 43

Capítulo 4 DESARROLLO ............................................................................................ 45 4.1

Diagnóstico de funcionamiento ....................................................................... 46

4.1.1

Hidráulica ................................................................................................. 46

4.1.2

Calidad de electrolito ................................................................................ 48

4.1.3

Estado del interior del filtro ...................................................................... 51

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4.1.4

Elementos filtrantes .................................................................................. 53

4.1.5

Retro-lavado ............................................................................................. 55

4.1.6

Panel de control HMI ............................................................................... 56

4.1.7

Estado de la instrumentación .................................................................... 57

4.2

Estandarización de programación de los filtros ............................................... 58

4.2.1

Estado de la programación ....................................................................... 58

4.2.2

Comparación de secuencia existente con las del manual de filtros Flowrox 59

4.2.3

Rediseño de proceso de retro-lavado ........................................................ 68

4.2.4

Programación ............................................................................................ 81

4.2.5

Puesta en marcha ...................................................................................... 83

4.3

Estandarización de la programación ................................................................ 84

Capítulo 5 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ................................................ 86 5.1

Conclusiones .................................................................................................... 86

5.1.1

Conclusiones a nivel de dispositivos y elementos de máquina ................ 86

5.1.2

Conclusiones a nivel de control e instrumentación .................................. 87

5.1.3

Conclusiones a nivel de proceso ............................................................... 87

5.2

Propuestas y trabajo futuro .............................................................................. 88

5.2.1

Elementos filtrantes .................................................................................. 88

5.2.2

Optimización de proceso y planificación ................................................. 88

5.2.3

Programación ............................................................................................ 89

Capítulo 6 Bibliografía ................................................................................................... 91 Anexo A Diagrama P&ID............................................................................................ 92 Anexo B Esquema de secuencia de retro lavado realizado por Larox ........................ 94 B.1

Diagrama de Flujo de Lavado sugerida por Larox .......................................... 95

RETRO LAVADO SIMPLE .................................................................................. 95 RETRO LAVADO DOBLE ................................................................................... 96 B.2 Secuencia de lavado propuesta por Larox ........................................................... 97 Anexo C Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación .... 98 Anexo D Panel de control y HMI .............................................................................. 110 Anexo E

Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado. ......................... 114

E.1 ............................................................................................................................. 115 RETRO LAVADO SIMPLE ................................................................................ 115 RETRO LAVADO DOBLE .................................... Error! Bookmark not defined. ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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E.2 Secuencia de lavado establecida posterior al trabajo de memoria. .................... 117 E.2.1 Esquema general retro lavado simple. ........................................................ 118 E.2.2 Esquema general retro lavado doble ........................................................... 119 E.2.3 Esquema general vaciado de filtro ............................................................. 119

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Índice de Tablas Tabla 3-1 Detalle de Ilustración 3-8 ............................................................................... 35 Tabla 4-1 Rendimientos de filtros, Diciembre 2010 ...................................................... 47 Tabla 4-2 Sólidos en suspensión en circuito 12 ............................................................. 51 Tabla 4-3 Válvulas a controlar durante el proceso ......................................................... 60 Tabla 4-4 Rendimientos para cálculo de ariete [3] ......................................................... 69

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Índice de Ilustraciones Ilustración 2-1 Organigrama perteneciente a Subgerencia Refinería 20 Ilustración 2-2 Organigrama de Superintendencia de Ingeniería de Procesos 21 Ilustración 3-1 Diagrama de sistema de manejo de electrolito [1] 24 Ilustración 3-2 Sistema de manejo de electrolito [1] 27 Ilustración 3-3 Sistema detallado de manejo de electrolito en filtración para zona norte 28 Ilustración 3-4 Fotografía filtro LAROX abierto 29 Ilustración 3-5 Diagrama esquemático de la parte exterior del filtro 30 Ilustración 3-6 Pantalla de lectura de sala de plataforma de automatización de filtro Nº003 31 Ilustración 3-7 Esquema general de programa de filtros Flowrox. 34 Ilustración 3-8 Gráfico de las etapas del proceso de retro lavado simple [3] 34 Ilustración 3-9 A.-Columna hidrostática 36 Ilustración 3-10 Esquema de operación de tela filtrante 37 Ilustración 3-11 Lógica de funcionamiento de bomba de electrolito para filtros 38 Ilustración 3-12 Ubicación de sensores de nivel en filtro Larox 40 Ilustración 3-13 Fotografía del tipo de sensor de nivel utilizado en los filtros clarificadores de refinería 40 Ilustración 3-14 Izquierda: Sensor ultrasónico instalado en Filtro Nº003; Derecha: protocolo de instalación según manual, para correcta lectura de flujo. 42 Ilustración 3-15 Instalación con abrazaderas según manual de sensor ultrasónico 42 Ilustración 3-16 Diagrama de programación en KOP (“Ladder”). 43 Ilustración 3-17 Diagrama de programación en FUP para la misma función de la Ilustración 3-15 44 Ilustración 4-1 Imagen de PI System Filtro 004. (Rojo=Línea de tendencia de flujo); (Verde=Línea de tendencia de presión de entrada); (Azul=Línea de tendencia de presión de salida); (Café=Línea de tendencia de presión diferencial); 46 Ilustración 4-2 Electrolito solidificado en filtraciones RE226-FB-005 47 Ilustración 4-3 Sistema de filtración para muestras de sólidos en suspensión A. Manifold, B. Kitazato, C. Bomba de vacío. 50 Ilustración 4-4 (A) Rociadores superiores; (B) Rociadores inferiores 52 Ilustración 4-5 Condiciones de salida de aire. A: Situación de salidas de aire superior e inferior luego de abrir filtro; B: Diferencias de condiciones de salida de aire posterior al raspado de las tuberías; C: Orificio de salida de aire. 53 Ilustración 4-6 Telas extraídas durante mantención 54 Ilustración 4-7 Gráfico Porcentaje de volumen de líquido dentro del filtro versus tiempo. 55 Ilustración 4-8 Dibujo esquemático del panel de control con la HMI. 56 Ilustración 4-9 Sensor de nivel cubierto de lodo (extraído para su mantención) 58 Ilustración 4-10 Válvulas a controlar en programa destacadas en amarillo 61 Ilustración 4-11 Comparación de secuencias de lavado, rompimiento de torta 64 ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Ilustración 4-12 Comparación de lavado; Primera agitación por aire y vaciado de filtro 65 Ilustración 4-13 Comparación de lavado; Vaciado y rellenado 66 Ilustración 4-14 Comparación lavado; Segunda agitación por aire y comienzo de vaciado 67 Ilustración 4-15 Comparación de lavado; Etapa de reinicio 68 Ilustración 4-16 Fotografía de manifold posterior al cambio de telas 69 Ilustración 4-17 Cálculo de impacto y caudal elevado de columna hidrostatica sobre las telas, donde qe es caudal elevado total, Tc tiempo de descarga de columna [6]. 71 Ilustración 4-18 Esquema de situación de caída de columna hidrostática con filtro lleno 71 Ilustración 4-19 Curva característica de la bomba propuesta 73 Ilustración 4-20 Diagrama de incorporación de bomba 74 Ilustración 4-21 Rediseño de columna hidrostática 74 Ilustración 4-22 Diseño de secuencia lógica; Etapa de rompimiento de torta 77 Ilustración 4-23 Diseño de secuencia lógica; Llenado y agitación por aire 78 Ilustración 4-24 Diseño de secuencia lógica; Fin de lavado simple e inicio de lavado doble 79 Ilustración 4-25 Diseño de lógica; Drenaje de lavado doble, comienzo de reinicio 80 Ilustración 4-26 Comparación de con respecto al tiempo de secuencias de retro lavado. 80 Ilustración 4-27 Nomenclatura de TAG de sensores 81 Ilustración 4-28 Secuencialidad de tareas programadas 82 Ilustración 4-29 (izquierda) instrucción de accionamiento de válvula en función de la etapa que se encuentre el retro-lavado; (derecha) el control de solenoide de válvula. 82 Ilustración 4-30 Temporizador de agitación por aire para retro-lavado simple del filtro Nº003 83 Ilustración 5-1 Comparación de telas filtrantes. En lado izquierdo: elemento en estudio; a la derecha: actuales elementos filtrantes 88

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Índice de Ecuaciones Ecuación 4-1 Calculo de sólidos en suspensión Ecuación 4-2 Calculo de velocidad según Torricelli Ecuación 4-3 Calculo de caudal Ecuación 4-4 Calculo volumen liquido interior de columna Ecuación 4-5 Altura en función del tiempo Ecuación 4-6 Condición inicial de la función de altura Ecuación 4-7 Ecuación diferencial en función del tiempo Ecuación 4-8 Desarrollo de ecuación diferencial Ecuación 4-9 Desarrollo integral Ecuación 4-10 Integral desarrollada Ecuación 4-11 Obtención del complemento de la función Ecuación 4-12 Función completa de altura con respecto al estanque Ecuación 4-13 Desarrollo de función con respecto a altura Ecuación 4-14 Calculo de caudal Ecuación 4-15 Área de la sección transversal Ecuación 4-16 Velocidad según Torricelli Ecuación 4-17 Calculo de ariete hidráulico Ecuación 4-18 Calculo de volumen según altura de diseño y diámetro actual Ecuación 4-19 Volumen de un tronco de cono Ecuación 4-20 Volumen de cilindro de 8” de diámetro Ecuación 4-21 Volumen de un cilindro de x” diámetro Ecuación 4-22 Sumatoria de volumen total

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50 62 62 62 63 63 63 63 63 63 63 63 63 70 70 70 70 74 75 75 75 75

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Capítulo 1: INTRODUCCIÓN

Capítulo 1

INTRODUCCIÓN En este capítulo se presenta la problemática que aquejaba a la empresa minera CODELCO-CHUQUICAMATA, y por la cual se solicitó el tema de Memoria tratado en este trabajo, destacando los objetivos y resultados pretendidos.

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Capítulo 1: INTRODUCCIÓN

1.1 Comentarios preliminares El objetivo de la Refinación Electrolítica es obtener un producto denominado “cátodos electro-refinados”, con elevada pureza química y buen aspecto físico, aptos para aplicaciones eléctricas y otros usos de tipo industrial. Además, recuperar elementos valiosos como oro (Au) y plata (Ag) que acompañan generalmente al cobre como “impurezas”, y que se depositan en el fondo de las celdas, constituyendo parte del llamado lodo o barro anódico. A nivel industrial se indica que las impurezas presentes en los ánodos de cobre (Cu), además de las ya citadas, son arsénico (As), bismuto (Bi), hierro (Fe), níquel (Ni), plomo (Pb), antimonio (Sb) y teluro (Te), entre las principales. El Cambio Tecnológico producido en el año 2006 en la Refinería Electrolítica de Cobre de Chuquicamata, conllevó a operar con la tecnología de cátodos permanentes de acero inoxidable y con una densidad inicial de corriente de 320 A/m2 (1). Si bien esta corriente ha sido aumentada de manera paulatina, con el objetivo de acelerar el proceso de electro-refinación y aumentar así su eficiencia, ello ha incurrido en un incremento de la generación de sólidos en suspensión en el interior de la celda, los que se adicionan al electrolito utilizado. Cuando los barros han decantado, su extracción de las celdas de electro-refinación se hace simplemente a través de bombas. Por tanto, la presencia de los barros flotantes es indeseable para el proceso, ya que su presencia en el electrolito usado en la electrorefinación ocasiona problemas de contaminación en el producto comercial, trayendo consigo una gran pérdida económica para la empresa. En consecuencia, en la Refinería, el sistema de filtración juega un rol trascendental para la clarificación del electrolito, ya que permite reducir los sólidos en suspensión al capturar los barros flotantes e impedir que ingresen a las celdas de refinación.

1.2 Problemática Como parte de los Cambios Tecnológicos efectuados en la Refinería, se calcularon, diseñaron e implantaron -durante el año 2006- tres filtros de finos para retener partículas superiores a 5ppm, los cuales se encuentran dedicados en forma exclusiva a circuitos específicos. Así, el filtro Nº003 está dedicado a los circuitos 11 y 12, el filtro Nº004 a los circuitos 15,16, 10 y 9, y el filtro Nº005 a los circuitos 13 y 14, como se explica en detalle en la sección 3.2.2. No obstante, y como se dijo anteriormente, hoy en día las características de los ánodos han cambiado con respecto a las que tenían cuando se hizo el diseño del Cambio Tecnológico señalado. Esto ha provocado un considerable aumento en la concentración de los sólidos en suspensión, superando muchas veces el límite requerido para el buen funcionamiento del sistema, que corresponde a 5 ppm en cada celda cuando se trabaja con una densidad de corriente de 320 A/m2 (1). En consecuencia, se han visto afectadas las condiciones operacionales del sistema de filtración, incidiendo directamente en la durabilidad y operación de los elementos filtrantes. Por tanto, se plantea como problema reducir los tiempos de lavado del filtro para que se traduzca en una mejora en la eficiencia de la etapa de filtración. Se busca que los filtros permanezcan mayor tiempo en estado de operación filtrante, reduciendo ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Capítulo 1: INTRODUCCIÓN

la concentración de material particulado a un valor inferior a 5 ppm en las celdas de refinación, así como aumentar la durabilidad y capacidad de las telas filtrantes.

1.3 Relevancia de etapa de filtración La etapa de Filtración permite reducir los sólidos en suspensión en el electrolito y captar los barros flotantes, los que -de no ser separados de la solución electrolítica- causarán graves daños de contaminación en el producto comercial, como ya se dijo. Puesto que las condiciones operacionales de estos filtros han cambiado con respecto a sus condiciones de diseño, y como la implementación de un nuevo sistema de filtros no se considera oportuna al momento de realizar la memoria, se plantea la necesidad de optimizar la forma de utilización de estos filtros teniendo en cuenta las políticas operacionales que se le han realizado a la Planta en los últimos años. Como resultado del análisis de las condiciones de operación del sistema automático de retro-lavado de los filtros, los cuales serán profundizados en el capítulo 4, pudo notarse que no coincide con la secuencia de acciones establecida por la Superintendencia de Ingeniería de Procesos. Esto llevó a considerar que el sistema está siendo operado en forma ineficiente. Luego de efectuarse un retro-lavado en las condiciones que se estaba realizando al momento del inicio de esta Memoria, pudo notarse que se alcanzaron los estándares máximos permitidos de presión diferencial en un tiempo mucho más corto que lo indicado en el manual de operación, lo que hace necesario que se tenga que realizar procesos de retro-lavado antes de lo previsto. Este ciclo permanente de retrolavados hace que disminuya la eficiencia de los filtros, lo que conlleva un gasto excesivo de recursos, al que se suma la pérdida de tiempo de producción útil mientras se esté realizando este proceso. Cabe señalar que la condición para realizar un retro-lavado está principalmente fijada por la diferencia de presión entre la entrada y salida del proceso. Sin duda que una mala condición de un retro-lavado perjudicará el estado del material filtrante, ya que si queda saturado, o simplemente obstruido por los barros flotantes, la presión diferencial aumentará rápidamente, gatillando un nuevo proceso de retro-lavado antes de lo deseado. Este procedimiento, en forma reiterada y frecuente, es la razón la cual se produce un rápido deterioro del material filtrante. Al momento de iniciar esta Memoria, los filtros se retro-lavaban de manera manual, bajo la asistencia de un operador. Este, a través de un HMI incorporado en terreno, fuerza las señales de sensores y contadores, de modo tal que se produzca un retrolavado lo más parecido posible al definido en el manual de los filtros, buscando obtener la mayor eficiencia de los mismos pese a que las condiciones de operación distan mucho de los valores esperados. El trabajo a realizar en esta Memoria apunta directamente a lograr manejar nuevamente el sistema de retro-lavado en forma automática, para los filtros en observación (Filtros Nº003, Nº004 y Nº005).

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Capítulo 1: INTRODUCCIÓN

1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivos generales El objetivo general de este proyecto es corregir, diseñar y estandarizar el sistema de retro-lavado de los filtros clarificadores de la etapa de refinamiento electrolítico, para poder operarlos en forma automática (sus programas de operación automática -a través del tiempo- han sido modificados sin guardar un registro de los cambios, y de manera independiente para cada filtro, ocasionando así un funcionamiento diferente entre sí). Además, se pretende ofrecer propuestas para una futura innovación en el sistema de retro-lavado, haciendo de este un proceso eficaz y eficiente, desde el punto de vista energético y de durabilidad en tiempo de las telas de los filtros, entre otros.

1.4.2 Objetivos específicos •

•

•

•

Ejecutar el programa que tenía el sistema para operar en forma automática (sin intervención del operador) y observar las condiciones de operación involucradas en el sistema de retro-lavado de los filtros, para determinar el nivel de concordancia con respecto a lo indicado en el manual de operación y a lo sugerido en la consultoría realizada por AMEC 1 , concluyendo en posibles mejoras o requerimientos. Realizar levantamiento del estado actual de la programación de retro-lavado (análisis del programa), determinando las diferencias que existen en la operación con respecto a la secuencia estipulada en el manual de uso de los filtros. Determinar las condiciones de operación para una tarea de retro-lavado eficiente, con el propósito de mejorar en el proceso de filtrado de electrolito, avalado por el supervisor del proceso. Rediseñar la programación para el control de los ciclos de retro-lavado en forma automática, con el objetivo de plasmar las secuencias de diseño sugeridas en el manual de operación, pero adecuadas a las condiciones actuales del sistema.

1.5 Resultados tangibles El éxito del proyecto se definirá a partir de la reestructuración de la secuencia lógica de operación de los filtros clarificadores, la que debe permitir un correcto funcionamiento del sistema de retro-lavado de los filtros de manera automática. Esto se cumplirá a través de una implementación exitosa de una nueva secuencia lógica de retro-lavado, que sea estándar para los tres filtros clarificadores.

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Engineering consultancy and project management service. Información en www.amec.com

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Capítulo 2: ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

Capítulo 2

ANTECEDENTES DE LA EMPRESA Este capítulo tiene la finalidad de informar -de manera general- aspectos generales de la empresa que dio lugar al presente proyecto de titulación de memoria (MINERA COLDELCO – CHUQUICAMATA), dando a conocer su historia y organización, y detallando especialmente el área de desempeño del proyecto. Esto permitirá posicionar adecuadamente al lector que no conozca del proceso en un punto más cercano al mismo y, además, resaltar parte de la historia de la empresa considerada como la más importante del país.

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Capítulo 2: ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

2.1 Historia del cobre2 El cobre ha estado presente en la vida de los chilenos a lo largo de toda su historia, incluso desde la prehistoria, cuando los primeros habitantes lo usaban para fabricar sus utensilios básicos, llegando a ser la principal fuente de riqueza de nuestra economía. En el desierto de Atacama y en la zona del Norte Chico, los historiadores han encontrado pruebas de la utilización del cobre más 500 años antes del nacimiento de Cristo. Atacameños y Diaguitas ya conocían el cobre y lo llamaban “payen”. Nuestros antepasados conocieron el trabajo de trozos de metal nativo, técnicas de fundición, temple, producción de bronce y otras tecnologías bastantes avanzadas para la época. En la zona de Chuquicamata vivían los Chucos (descendientes de Aimaras y Quechuas), quienes sacaban el mineral del mismo lugar donde hoy se encuentra la gran mina a rajo abierto que lleva el nombre del lugar. Después de la Conquista de los españoles, el cobre fue sólo una pequeña industria de los valles nortinos. A comienzos del siglo XIX, comenzó una producción a mayor escala, llegando Chile -en 1830- a ser el cuarto productor del mundo. En la segunda mitad de ese siglo, Chile produjo dos millones de toneladas del mineral, convirtiéndose así el principal productor y exportador mundial. Hoy en día, una de sus huellas urbanas -el campamento de Sewell- está camino a ser declarado Patrimonio de la Humanidad. El 21 de diciembre de 1970 se presentó al Congreso Nacional el Proyecto sobre Nacionalización de la Gran Minería del Cobre, el cual fue aprobado en julio del año siguiente, siendo promulgado como la Ley 17.450. Desde entonces, los yacimientos de El Teniente, Chuquicamata, Potrerillos y Andina pasaron a ser propiedad del Estado de Chile. Para hacerse cargo de la explotación de los yacimientos nacionalizados y de comercializar el cobre producido, el 23 de Enero de 1976 se creó la Corporación Nacional del Cobre, Codelco – Chile, mediante el Decreto Ley Nº 1.350. La corporación del Cobre de Chile (CODELCO – CHILE) es una empresa minera del Estado, industrial y comercial, orientada a la exploración y explotación de yacimientos mineros, principalmente de cobre, cuya producción se comercializa internacionalmente. Gracias al avance del conocimiento científico y tecnológico, el cobre ha demostrado tener una serie de propiedades que lo hacen indispensable en muchos de los aspectos de la vida cotidiana, tales como la alimentación, la transmisión de electricidad y la resistencia a ciertas bacterias. Incluso ya está dando sus primeros pasos en la carrera espacial. 2

Información extraída de la página www.codelco.cl

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Capítulo 2: ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

Entre las muchas propiedades del cobre, las más importantes son: • • • • • • • •

Es un muy buen conductor eléctrico. Es un muy buen conductor térmico. Tiene muy buenas cualidades para el proceso de maquinado. Tiene una alta capacidad para la formación de aleaciones metálicas. Tiene una buena capacidad de deformarse en caliente y en frío. Mantiene sus propiedades en el reciclo. Permite recuperar metales de sus aleaciones. Evita la proliferación de ciertas bacterias.

Como es uno de los metales conductores de electricidad con el menor índice de resistencia, más del 50% del cobre producido en el mundo se utiliza en el sector eléctrico. Es muy usado en la fabricación de cables, enchufes y terminales, así como en los componentes de casi todos los artículos alimentados por electricidad. Permanentemente, se trabaja en la identificación de nuevas aplicaciones del cobre en diferentes sectores. Un ejemplo está en las tecnologías de información, donde los chips de cobre han demostrado favorecer una más rápida transmisión de datos en la Web. También hay inventores que han creado pequeños resortes de cobre que se introducen en la nariz durante 20 minutos, tres o cuatro veces al día, para evitar el resfrío común (2). El Cobre aparece vinculado -en su mayor parte- a minerales sulfurados, aunque también se lo encuentra asociado a minerales oxidados. Estos dos tipos de minerales requieren de procesos productivos diferentes, pero -en ambos casos- el punto de partida es el mismo: extracción del material de minas, ya sean a rajo abierto o subterráneo. Los metales oxidados se encuentran en la superficie del suelo y son solubles, mientras que los sulfurados están en capas más profundas de éste y son minerales insolubles La línea de los minerales sulfurados (pirometalurgia) contempla las etapas de: • Exploración y trabajo geológico. • Extracción a rajo abierto y/o subterránea. • Chancado y concentración. • Fundición. • Electrorrefinación. La línea de los minerales oxidados (hidrometalurgia) contempla las etapas de: • Exploración y trabajo geológico. • Extracción a rajo abierto. • Chancado y aglomeración. • Lixiviación • Extracción por solventes. • Electroobtención.

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Capítulo 2: ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

2.2 Ficha técnica de Codelco Norte Nombre División Codelco Norte. Historia Codelco Norte comenzó a operar el año 2002 como resultado de la fusión entre las Divisiones Chuquicamata y Radomiro Tomic, decretada en la sesión ordinaria del Directorio el 27 de marzo de ese año, donde se aprobó una nueva organización para Codelco. La unión buscó lograr un manejo integrado de los recursos e instalaciones que posee la compañía en la II Región, para así desarrollar el inmenso potencial de valor que existe en la zona. La mina de Chuquicamata entró en operaciones en 1910 a cargo de la compañía Chile Exploration Company, propiedad de la familia Guggenheim de Nueva York. Radomiro Tomic fue inicialmente descubierto en la década de 1950, pero sus operaciones comenzaron en 1995, después que Codelco actualizó los estudios sobre la factibilidad de su explotación y contó con la tecnología necesaria para explotarlo de manera económicamente rentable. Ubicación Codelco Norte está ubicado en el corazón del desierto más árido del mundo. El complejo minero de Chuquicamata, se encuentra a 1.650 km al norte de la capital de Chile y a 2.870 m.s.n.m., y cuenta con dos minas de explotación a rajo abierto: Chuquicamata y Mina Sur. Por su parte, el centro de trabajo Radomiro Tomic, que está ubicado a 1.670 km al norte de Santiago y a 3.000 m.s.n.m., en la cordillera de Los Andes, es un yacimiento también de explotación a rajo abierto. Dotación Codelco Norte mantiene -en promedio- una dotación de 20.000 trabajadores, de los cuales 8.000 corresponden a personal propio de Codelco y 12.000 a empresas de servicios. Características En la División de Codelco Norte, la Corporación cuenta con las mayores reservas y recursos mineros de su propiedad. La razón fundamental de su conformación como división es, desde el punto de vista operativo, reflejar la estrategia de negocio que la empresa quiere materializar para duplicar el valor económico de la Corporación. Codelco optó por realizar las operaciones mineras a partir de un manejo integrado del distrito. La manera de hacerlo efectivo es administrar el nuevo complejo minero–industrial bajo el concepto de extraer y procesar aquellas toneladas que

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agreguen mayor valor, ganándose el derecho de entrar primero a una planta de molienda o a una pila de lixiviación, independiente de cuál sea su yacimiento de origen. Recursos Geológicos: Son los mayores del mundo. Tiene unas 77 MTPA de cobre fino en reservas de cobre en el caso de Codelco Norte, entre sus minas Chuquicamata, Radomiro Tomic, Mansa Mina y Mina Sur. Organización Codelco se organiza a través de las siguientes gerencias: • • • • • • • • •

Gerencia de Riesgo, Ambiente y Calidad Gerencia de Desarrollo Humano Gerencia de Proyectos Gerencia de Servicios Gerencia de Suministros Gerencia de Mantenimiento Gerencia de Minas Gerencia de Plantas Gerencia de Recursos Mineros y Desarrollo

Gerencias de Plantas. Es la Unidad de Negocios responsable de operar las Plantas de la división, incluyendo la Fundición de Concentrados y la Refinería Electrolítica, cumpliendo el contrato de procesamiento de mineral establecido con la Gerencia de Recursos Mineros y Desarrollo, de manera de maximizar el valor de su negocio y contribuir a la maximización del VAN de la división y de la Corporación. Esta Gerencia Plantas está conformada por las siguientes Áreas: • • • •

Gerencia de Hidrometalurgia Norte. Gerencia de Hidrometalurgia Sur. Gerencia de Concentración. Gerencia FURE (Subgerencia Fundición y Subgerencia Refinería)

Subgerencia Refinería. El objetivo básico de esta Subgerencia (que es la que solicitó el desarrollo de esta Memoria) es cumplir con la etapa final del proceso metalúrgico de la producción de cobre correspondiente a la línea de minerales sulfurados, para agregar valor y lograr productos y subproductos finales de alta calidad, fácilmente transables en el mercado tradicional. Está constituida por 4 Superintendencias, tal como lo indica Ilustración 2-1 .

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Ilustración 2-1 Organigrama perteneciente a Subgerencia Refinería

Mediante el empleo de técnicas electrometalúrgicas, el cobre anódico (99,70%), se transforma en cátodos electrorrefinados (con un contenido de 99,99% de pureza), los cuales son exportados. Este producto posteriormente es fundido en hornos (por ejemplo, de colada continua) para obtener un alambrón de cobre, el cual posteriormente recibirá un tratamiento específico con el fin de obtener alambres de diversos diámetros. Debido al excedente existente en la capacidad instalada de la Refinería, con respecto al cobre producido sólo en Chuquicamata, es posible refinar ánodos de cobre externos a Chuquicamata, como los provenientes de la División El Teniente de Codelco y de la Fundición Alto Norte Noranda. En el futuro está considerada la posibilidad de ampliar esta vía de procesamiento a otros proveedores. La Subgerencia Refinerías consta específicamente de tres áreas operativas: 1. Refinerías Electrolíticas y Planta de Tratamiento de Lodo Anódico (o PTBA) que corresponde al lugar donde los lodos anódicos son lixiviados para recuperar el cobre. El lodo anódico es el producto final para la valorización de los metales nobles. En esta área se llevan a cabo el proceso electrometalúrgico de refinación de cobre, además del posterior tratamiento de los lodos anódicos. 2. Fundición de Cobre: El objetivo fundamental de la Fundición de Cobre es fundir todo el cobre secundario proveniente del proceso de electrorrefinación (restos anódicos, cátodos rechazados, recortes de láminas rechazadas, etc.) y moldear ánodos de cobre. También, en esta área, se fabrican los moldes que son requeridos para hacer ánodos. 3. Unidad de Embarque: Esta área tiene el propósito de efectuar las labores de inspección y embarque de los productos de cobre aptos para la comercialización, los cuales son: cátodos ER Grado A (cumplen especificaciones físicas y químicas), cátodos ERR (no cumplen especificaciones físicas) y cátodos STD (no cumplen especificaciones químicas). Superintendencia de Ingeniería de Proceso Los cargos de esta subárea se indican en la Ilustración 2-2 y sus objetivos son los siguientes:

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• • • •

• •

Organiza, planifica, coordina, controla y evalúa las actividades y trabajos relacionados con la investigación y desarrollo de los procesos. Propone y gestiona las estrategias de innovación tecnológica. Elabora, diseña y controla las pruebas asociadas a proyectos de modernización. Lidera la operación de la planta de producción de cátodos permanentes, definiendo los recursos requeridos, proponiendo mejoras y optimizaciones acordes con los planes de desarrollo de la Subgerencia. Lidera las relaciones con organismos externos tal como: Copper Refining Group, Coordina la dirección de Innovación Tecnológica, IM2 y otros afines.

Ilustración 2-2 Organigrama de Superintendencia de Ingeniería de Procesos

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Capítulo 3: MARCO TEÓRICO

Capítulo 3

MARCO TEÓRICO En este Capítulo se presentan algunos conceptos y fundamentos a los que se referirá en los Capítulos siguientes. Por tanto, no pretende ser un compendio acabado de los mismos, sino facilitar al lector que desconoce del tema para que entienda de qué se trata y así luego hacer referencia a ellos de manera natural, al narrar las acciones realizadas en busca de lograr con éxito los objetivos previamente descritos en el Capítulo 1.

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3.1 Electro-refinación La electro-refinación es un proceso de disolución electroquímica del cobre de los ánodos impuros, haciendo que se depositen en forma selectiva y pura sobre planchas madres de acero (”blanks”) que actúan como cátodos. La refinación electrolítica es un proceso de purificación en dos etapas (disolución y deposición), en la cual -idealmente- los elementos más nobles del metal que está siendo refinado permanecen insolubles en el ánodo o se desprenden y se depositan en el fondo (por su alto peso molecular), pero no se depositan en el cátodo. Los elementos menos nobles -en este caso iones de cobre- se disolverán (primera etapa) y luego son atraídos por el cátodo, donde se depositarán (segunda etapa); de esta manera, el metal depositado es purificado. Este proceso se explica con más detalle a continuación. La electro-refinación se realiza en celdas electrolíticas, donde se colocan en forma alternada un ánodo de cobre (que es una plancha con impurezas obtenida de la fundición), y un cátodo de acero. Este proceso se basa en las características y beneficios que ofrece el fenómeno químico de la electrólisis, que permite refinar el cobre anódico (cobre presente en el ánodo) mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Los electrones pasan por una solución de ácido sulfúrico y agua (electrolito) atraídos por los ánodos, disolviendo el cobre a su llegada. Esto provoca que los iones de Cu (Cu+) se disuelvan en el electrolito de la celda y luego sean atraídos por los cátodos, depositándose sobre ellos cuando logran alcanzarlos. Los productos resultantes son cátodos de cobre de alta pureza. Los otros componentes del ánodo que no se disuelven permanecen en su estado molecular, y se depositan en el fondo de las celdas electrolíticas, formando lo que se conoce como lodo anódico. Este “barro” es bombeado y almacenado para extraerle posteriormente su contenido metálico.

3.1.1 Manejo del electrolito El sistema de manejo del electrolito es fundamental para mantener las condiciones de operación requeridas por el proceso de electro-refinación, procurando que siempre se pueda trabajar en torno a los parámetros de diseño. La circulación y acondicionamiento del electrolito son factores fundamentales para el buen desarrollo de la electrorefinación del cobre, de manera que se pueda obtener un cátodo de alta pureza (como ya se ha mencionado), con cualidades constantes en el tiempo. Las operaciones que se realizan consisten fundamentalmente en el control de temperatura, la regulación de la presión de alimentación de electrolito a las celdas, la regulación de presión del vapor de alimentación a los intercambiadores de calor de placas, la regulación del flujo de filtrado y la regulación de corriente en el circuito eléctrico, como se aprecia en la Ilustración 3-1. Esta ilustración es obtenida de la pantalla de la sala de control, desde la cual se pueden controlar la cantidad de acido sulfúrico y de agua potable que entran al sistema.

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Medidores de flujo, presión, temperatura y nivel permiten monitorear las etapas más relevantes del proceso, así como también informar si se sobrepasan los niveles considerados como límites (altos o bajos) para la operación. Se incluyen en las operaciones las siguientes actividades: reposición de agua y ácido sulfúrico, dosificación de aditivos, medición del nivel en estanques, y transferencia y descarte de electrolito, tal como se esquematiza para el circuito hidráulico 11 de la Ilustración 3-1. Consta de dos estanques de recirculación, los cuales almacenan el electrolito para ser enviado a las celdas de refinación o, como descartado, a la planta de lixiviación. Se pueden distinguir -entre los distintos controles- la incorporación de aditivos de la mezcla electrolítica, los cuales están compuestos básicamente de ácido sulfúrico y agua, y se envían simultáneamente a ambos estanques (a través de las válvulas FQV-1100 y FQV-1102, respectivamente, y es medido el caudal que pasa a través de ellas para regular las concentraciones de la mezcla). El proceso del manejo del electrolito será profundizado en la sección 3.2.

Ilustración 3-1 Diagrama de sistema de manejo de electrolito [1]

El sistema de manejo de electrolito está constituido por siete circuitos hidráulicos. Cada uno de estos está formado principalmente por los siguientes elementos y operan bajo el mismo criterio operacional: • •

Dos estanques de almacenamiento de electrolito para circulación, ambos revestidos de HDPE (RE22-TQ-001, RE222-TQ-001). Bombas de recirculación con variador de frecuencia.

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• • • •

• • • • • • •

•

Intercambiadores de calor de placas y control de temperatura automático con vapor como medio de calefacción. Dos matrices de distribución de electrolito principales (Norte – Sur). Cañerías de PVC distribuidas por sección: alimentación, retorno y matrices. Sistema de drenaje de lodos anódicos independientes para cada hilera de celdas de una semi-sección (en los circuitos 14, 15, 16, 9-10 y en los circuitos 11, 12, 13). Ambas secciones comparten la matriz que los transporta a los estanques de transferencia de lodos anódicos. Rebose de celdas unido a las cañerías que transportan el vaciado lateral desde las celdas hasta los estanques de almacenamiento. Diversos colectores, sumideros y bombas verticales de piso. Sistema de alimentación de ácido sulfúrico y agua potable a estanques de circulación independientes. Sistema de alimentación de agua industrial para el lavado de celdas independientes. Un filtro de electrolito que se comparte entre circuitos determinados por diseño. Una bomba de transferencia y/o descarte de electrolito. Dos sistemas de preparación y dosificación de aditivos (en el caso de los circuitos 9-10 y 11 será sólo un sistema por circuito). Un sistema se compone de dos estanques agitados y dos bombas de dosificación. Un conjunto de bombas de recolección de drenajes de piso y retro-lavado de fino, para envío del lodo anódico a planta de tratamiento.

3.2 Filtración 3.2.1 Métodos de filtración El proceso de filtración en estudio se conoce como método de filtración por adsorción. La adsorción es un fenómeno fisicoquímico que se produce cuando una partícula se adhiere a otra, depositándose sobre la superficie de esta última y produciéndose una interacción que mantiene las partículas unidas entre sí. La sustancia que se adsorbe se denomina adsorbato y el material sobre el que se produce es el adsorbente. La adsorción se distingue de la absorción en que esta última implica la acumulación de la sustancia absorbida en todo el volumen del absorbente, no solamente en su superficie. En general se identifican dos tipos básicos de adsorción: • •

Adsorción física o fisi-adsorción. Adsorción química o quimi-adsorción.

La diferencia entre ellas radica en el tipo de interacciones que se produce entre el adsorbente y el adsorbato. En la adsorción química suele ser una sola capa de moléculas la que se adsorbe y se produce una interacción relativamente fuerte, direccional y localizada, similar a un enlace químico, mientras que en la adsorción física suele ser ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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más de una capa y la interacción es débil y deslocalizada, siendo frecuentemente fuerzas electrostáticas (del tipo Van der Waals3) las que mantienen las partículas unidas entre sí. Este proceso de filtración genera un residuo en el material filtrante, al cual denominaremos torta. Esta empieza a acumularse y a entorpecer el flujo normal de electrolito, provocando un aumento de presión en la entrada al filtro.

3.2.2 Filtración del electrolito El ingreso del electrolito a la etapa de filtrado se hace a través de 3 filtros (para todos los circuitos hidráulicos), de manera que cada filtro opera para sus respectivos circuitos, tal como se mencionó en la sección 1.2. Estos filtros cumplen la función de retener el lodo anódico fino que se encuentra en suspensión en el electrolito. Los “lodos flotantes” generalmente son compuestos químicos formados principalmente por antimonio, arsénico y bismuto, los que -de no ser separados de la solución electrolítica- causarían graves daños de contaminación en cobre refinado. En consecuencia, el sistema de filtración -en la refinería- juega un papel fundamental en la purificación de electrolito, ya que captura y retiene los lodos flotantes. Producto de las impurezas propias del ánodo de cobre, la concentración de sólidos en suspensión en el electrolito aumenta. La filtración permite reducir los sólidos en suspensión en el electrolito (con un contenido de partículas superior a 20ppm) dejando un electrolito limpio, con no más de 5ppm a la salida de los filtros. Esto permitirá que el electrolito que ingrese a las celdas de electro-refinación pueda compensar el incremento natural de los sólidos en suspensión que se producen al ir disolviéndose los ánodos de cobre, procurando que el nivel de partículas en la celda no supere el máximo permitido de 5 ppm. Se presenta un esquema del circuito de un electrolito en la Ilustración 3-2. Para reducir la concentración de partículas en el electrolito a los valores requeridos, se envía el electrolito de las celdas al tanque de recirculación. Puede notarse que el electrolito se va purificando haciéndolo recircular entre el estanque de recirculación y el sistema de filtración, que retiene las partículas sólidas, reduciéndose la concentración de partículas en suspensión en el electrolito. Antes de retornarlo a las celdas de electrorefinación, se lo hace pasar por un intercambiador de calor para elevar su temperatura y posibilitar que ingrese a las celdas a una temperatura cercana a 65ºC. También se añaden los aditivos químicos que benefician el proceso de adherencia del cobre en el cátodo de acero, concluyendo de esta forma el proceso cíclico que aquí se produce. La condición representada por un rombo en la figura queda definida como una decisión tomada por el operador de la refinería, el cual -dependiendo de la necesidad de electrolito en las celdas de refinación producto de una nueva operación de electrorefinación, determina las condiciones de calentamiento del mismo, la adición de 3

Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas de estabilización molecular; que provocan un enlace químico no covalente en el que participan dos tipos de fuerzas o interacciones; las fuerzas de dispersión (que son fuerzas de atracción) y las fuerzas de repulsión, entre las capas electrónicas de 2 átomos contiguos.

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aditivos y el llenado de las celdas que sean requeridas por el operador. Por lo tanto es un proceso discontinuo el movimiento de electrolito hacia las celdas. Sin embargo, la filtración de electrolito es un proceso continuo y sucede en todo momento.

Ilustración 3-2 Sistema de manejo de electrolito [1]

Los filtros están destinados, de forma exclusiva, a circuitos específicos (no es posible que el electrolito proveniente de una determinada celda pueda hacerse pasar por el circuito de cualquier filtro). En la Ilustración 3-3 se muestra el manejo de electrolito para los circuitos 11 y 12, correspondientes al filtro Nº003. El manejo de los circuitos y filtros restantes es similar. Como se puede observar, el filtro Nº003 se presenta como filtro encargado de disminuir los sólidos en suspensión en los circuitos 11 y 12, donde cada circuito está vinculado a las celdas electrolíticas respectivas. En el caso del circuito 12, este posee 10 celdas de electrolíticas y están divididas en dos por seccionador, por las cuales circula corriente para producir el traspaso de cobre de ánodo a cátodo. Además, cada circuito dispone de un estanque de recirculación de 300 metros cúbicos de capacidad.

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Ilustración 3-3 Sistema detallado de manejo de electrolito en filtración para zona norte

Puede notarse que el electrolito a filtrar proviene desde el estanque de almacenamiento del circuito respectivo. Después de ser filtrado, el electrolito reingresa al estanque de circulación para purificar la concentración del electrolito entrante, disminuyendo la concentración de partículas en suspensión en el circuito que se encuentra en la etapa de filtrado. Las líneas de transporte de electrolito (desde los circuitos asociados a un determinado filtro) se unen a una línea única de alimentación al filtro y a otra línea única de descarga y, mediante un juego de válvulas manuales, se selecciona el circuito que entrará a la etapa de filtración. Sin embargo, esta acción se debe reafirmar como medida de seguridad en el sistema de control, mediante la selección del circuito a filtrar. La frecuencia con la que se efectúa el retro-lavado es variable, dependiendo de las características del fluido a filtrar. El requerimiento de retro-lavado, al momento de comenzar esta Memoria, se realizaba manualmente (a través de un operador) y su ejecución se determinaba observando la diferencia de presión entre la entrada y la salida del fluido, la que es medida con un transmisor o con un indicador manual.

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3.3 Filtros LAROX (FLOWROX4) 3.3.1 Descripción general La configuración básica del filtro es una carcasa de acero inoxidable 316L cilíndrica horizontal que contiene 22 elementos de filtro montados verticalmente sobre un manifold de 22 salidas (Ilustración 3-4).

Ilustración 3-4 Fotografía filtro LAROX abierto

La carcasa consiste de tres partes principales: una carcasa fija y dos carcasas movibles. La carcasa fija está montada directamente sobre las fundaciones y tiene un flange de unión a cada extremo. Las carcasas movibles están apernadas a cada flange de la carcasa fija y contienen los elementos de filtro. Cada carcasa movible está soportada por cuatro ruedas en dos rieles horizontales, de tal modo que puede ser retirada de la carcasa fija con el fin de lograr acceso a los elementos filtrantes y a otras partes internas. El sistema cerrado corresponde a un esquema como el mostrado en la Ilustración 3-5.

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LAROX es la empresa finlandesa que proporcionó los filtros clarificadores, la que recientemente cambio su nombre a FLOWROX. Para mayor información de la empresa, visitar FLOWROX.COM ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Ilustración 3-5 Diagrama esquemático de la parte exterior del filtro

Hay dos conjuntos de piezas interiores del filtro, cada una ubicada en una de las carcasas movibles. Las siguientes notas son aplicables a cada uno de estos conjuntos. Debajo de los elementos de filtro se encuentran dos distribuidores de aireación montados horizontalmente, para facilitar la limpieza de los elementos y de la carcasa. Tiene un distribuidor de lavado por rociadores, equipado con toberas de rociado, montado horizontalmente y encima de los elementos de filtro (para ayudar en su limpieza). Hay dos distribuidores adicionales de lavado por spray, montados debajo de los elementos de filtro, para la remoción de la torta de la base del armazón. Todos los distribuidores, exceptuando el distribuidor de lavado por spray superior, están sujetos a la carcasa fija, razón por la cual permanecen en su lugar (junto con los elementos de filtro) cuando se retiran las carcasas movibles. El distribuidor de lavado por rociadores superior va sujeto a cada carcasa movible, y se retira junto con ésta para facilitar un acceso total y para fines de remoción de los elementos de filtro. (Ver Anexo A - Plano P&ID.) Todas las conexiones, para servicios y líquidos de proceso, están sobre la carcasa fija (Ilustración 3-5). Esto permite que la carcasa movible sea retirada rápidamente, facilitando así un acceso rápido a los componentes internos del filtro, para fines de servicio y manutención.

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3.3.2 Sistema de filtrado y operación El sistema de filtrado de electrolito está definido por el conjunto filtro, válvulas de retro-lavado y bombas de filtrado, e incluye una unidad de control local (suministrada por el proveedor del equipo). Cuenta con PLC y HMI dedicados al sistema de filtrado, para las funciones de control y lógicas operacionales empleadas para el manejo del Filtro. Sin embargo, la lógica de control discreta de la bomba de filtrado estará residente en el controlador de proceso (PCS7) del circuito hidráulico respectivo. El conjunto de tres filtros tendrá un solo panel de control que contiene 1 PLC + HMI local. Para las funciones remotas, el PLC se comunicará con la PDA (Plataforma De Automatización), desde las estaciones de operación, mostrando comandos, indicaciones, alarmas, etc. El funcionamiento del proceso se explica más en detalle a partir de la Ilustración 3-6. Dependiendo del circuito hidráulico (11 ó 12 en este caso), se habilita la bomba correspondiente, mediante la cual se impulsa el electrolito que entra al filtro cuando se abre la válvula 26-HV-1315 y la descarga se produce a través de la válvula de salida 26HV-1317. Al momento de iniciar un proceso de retro-lavado se desactiva la bomba en operación y se cierran las válvulas de entrada y descarga del filtro. Después de esta condición, se establece una secuencia de control con respecto a las otras válvulas (tanto las de aire como la de rociadores, venteo o alivio), para efectuar la operación denominada retro-lavado.

Ilustración 3-6 Pantalla de lectura de sala de plataforma de automatización de filtro Nº003

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Se consideran dos puntos de operación, Local y Remoto, seleccionables desde la carátula HMI para cada filtro, ubicada en panel de control local. En modo Local, la operación se hará desde la HMI del panel de control local. En modo Remoto, la operación se hará desde las estaciones de operación de control de proceso (en Sala de Control Centralizada). Previamente al filtrado, se debe verificar -con el operador de terreno- la posición de las válvulas manuales a la salida del filtro, con el objeto de validar la dirección del retorno de electrolito filtrado al circuito hidráulico correspondiente. El modo normal de operación y supervisión de los equipos de la planta será en Remoto y Manual, y será el operador de la sala de control quien supervisará las labores de operación de los equipos. Las acciones que debe ser capaz de realizar son las siguientes: • • • •

•

• • •

Seleccionar, desde la estación de operación (en la sala de control), el circuito hidráulico a filtrar. Seleccionar en el HMI del panel de control local si el filtrado se hará en modo Local (desde la misma HMI) o Remoto (desde la sala de control). Dar comando de partida a la bomba del circuito seleccionado para filtrar (el comando puede ser realizado desde el panel local o desde la sala de control, según selección previa). Con la bomba funcionando, se debe activar la secuencia de filtrado, permitiendo circular el electrolito a través del filtro. El lazo de control de flujo, residente en el PLC asociado a cada Filtro, regula la velocidad de la bomba que alimenta el filtro. Cuando se desee cambiar el circuito hidráulico a filtrar, se debe dar comando de detención de la bomba, y esperar la confirmación del operador de terreno que las válvulas manuales a la salida del filtro estén en la posición correcta para el retorno del electrolito filtrado al circuito hidráulico correspondiente. Estas válvulas manuales están definidas por diseño para regular de manera manual la abertura y el tiempo de descarga y llenado del filtro, dependiendo de las necesidades de la empresa. Se sugirió que estas válvulas se dejen fijas y se agreguen -en serie- válvulas electromecánicas (solenoide), si así lo estima conveniente la empresa, con el objeto de poder automatizar completamente el sistema. Seleccionar el nuevo circuito hidráulico a filtrar y repetir la secuencia anteriormente señalada. Cuando la presión diferencial en el filtro alcance el valor establecido como “alto” por el proveedor, una alarma se activará, indicando que el filtrado se debe detener para iniciar el retro-lavado. Si el retro-lavado no es iniciado de acuerdo a lo indicado por el sistema y la presión diferencial sigue aumentado, llegando hasta a un valor considerado como crítico por el proveedor, automáticamente se detendrá la bomba de alimentación de electrolito al filtro y se cerrará la válvula en alimentación al filtro. Esta situación no ha ocurrido durante la historia del funcionamiento de los filtros, pero está incluida en la programación de los mismos -en caso de emergencia- como una medida de seguridad.

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3.3.3 Retro-lavado El proceso automático para la limpieza autónoma de las telas para cada filtro se denomina retro-lavado, el cual es accionado para cada filtro de manera independiente entre sí. El proceso tiene una lógica modificable por los circuladores (operadores de los filtros en terreno), quienes además están encargados de los cambios de elementos filtrantes y supervisión del proceso de lavado del filtro, acción que generalmente realizan de forma manual. Esta situación ha venido ocurriendo a lo largo del tiempo y ha ocasionado una degradación de la calidad del proceso. Las modificaciones más frecuentes han sido la alteración de los tiempos definidos entre cada proceso, que se han ido acortando. Esta situación ha dado origen a la necesidad de readecuar estos procedimientos y estandarizar las secuencias para todos los filtros. Existen dos tipos de retro-lavado, denominados Simple y Doble, y no hay una condición clara por la cual el operador de los filtros tome la decisión por elegir una de ellas. Este observa el comportamiento de las presiones diferenciales de entrada y descarga de electrolito y -por medio de programa- define qué tipo de lavado se realizará, de acuerdo a sus propios criterios. Cada subrutina o etapa tiene condiciones que llevan a otra subrutina u otro estado del filtro clarificador, tal como se esquematiza en la Ilustración 3-7.El sistema -al estar en estado de filtración- evoluciona a otra acción llamada lavado simple, la cual se define por el operador, independiente de si esta condición se deba o no a un diferencial de presión elevado, ya que la instrucción del proceso queda definida por el operador de manera previa. La receta de la operación de retro-lavado puede ser simple o doble, tal como se observa en el esquema de la Ilustración 3-7. Si se tratase de un lavado simple, la operación a ejecutar inmediata-mente después es la función de reinicio (para volver al estado normal de filtración); en cambio, si la receta fuese un lavado doble, se ejecutará, la acción de lavado simple y posterior a esto se ejecuta la función de lavado doble, para concluir con la subrutina de reinicio y volver al estado de filtración.

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Ilustración 3-7 Esquema general de programa de filtros Flowrox.

Las operaciones básicas de este proceso son la detención del filtrado para dar inicio al proceso de lavado, la habilitación de válvula de despiche o venteo y el inflado de las telas. Luego se airea durante un tiempo determinado, se drena el líquido y se rocían las telas durante el vaciado. Esto se puede observar en Ilustración 3-8 y en Tabla 3-1, donde se aprecian los siguientes procesos dentro de la etapa de retro-lavado (es conveniente recordar el esquema del filtro expuesto en Ilustración 3-5):

Ilustración 3-8 Gráfico de las etapas del proceso de retro lavado simple [3]

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Tabla 3-1 Detalle de Ilustración 3-8

A B C D

E F

Drenaje hasta sensor Alto Nivel (HIGH). Incremento nivel por pequeño retrolavado para romper las tortas. Drenaje hasta sensor Alto Nivel (HIGH). Comienza el retro-lavado y lavado por sprays, drenaje hasta parte inferior de las telas, con agitación continua. Se detiene el retro-lavado, el drenaje continúa con agitación y lavado por sprays. Inicio de llenado del filtro con electrolito

Detallando las acciones principales del filtro, podemos destacar las siguientes operaciones: agitación por aire de los elementos filtrantes (corresponde a la entrada de aire industrial por entremedio de las telas, provocando su movimiento y desprendimiento de sólidos adheridos) y etapa de inflado de las telas (para realizar el rompimiento de la torta, el cual es producto de un flujo en contra corriente producido en este caso- por la descarga por gravedad de una columna de líquido ubicada en la salida del proceso). En los primeros minutos se drena el filtro hasta llegar al sensor de alto nivel de líquido (HIGH), para luego detener su vaciado por medio del cierre de la válvula de descarga o salida. A partir de ese instante, se inflan las telas (para romper la torta formada en estas), observando un aumento de nivel de fluido al interior del filtro. Concluida esta etapa, se vuelve a drenar hasta el sensor alto nuevamente para comenzar con la etapa de agitación de elementos filtrantes, con el fin de remover y soltar la pulpa adherida aún a las telas. Luego de transcurridos 10 minutos, se inicia el drenaje del fluido, acompañado de agitación continua de aire y lavado por rociadores, activando la válvula de retrolavado, hasta llegar al sensor bajo del filtro (LOW), y entonces se detiene el ingreso de agua por la válvula de retro-lavado y se continúa con rociadores, agitación de aire y drenaje, hasta vaciar el filtro. En el gráfico de la Ilustración 3-8, el ascenso del volumen de líquido posterior a los 26 minutos se produce debido a la apertura de la válvula de entrada del electrolito para retomar las condiciones de filtrado. Luego se pasa a la siguiente etapa, ya sea reinicio o lavado doble. En el caso del lavado doble, el proceso debe repetirse pero sin la etapa de rompimiento de torta por parte de la caída de la columna hidrostática de la válvula de descarga. El proceso de inflar telas (Cake Crashing 5 ) es el más importante dentro de esta operación, y consiste en un golpe directo de electrolito en sentido contrario al filtrado, produciendo un desprendimiento de alto porcentaje de los lodos adheridos. Se lleva a cabo mediante un flujo en contracorriente producido mediante una columna hidrostática 5

Proceso de rompimiento de la torta adherido a las telas filtrantes.

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(ver Ilustración 3-9) conectada a la salida del filtro, y su acción es sólo por efecto de la gravedad.

A

Ilustración 3-9 A.-Columna hidrostática

Debido a las condiciones del lodo existente en el electrolito, se ha estado exigiendo un retro-lavado doble para limpiar de mejor forma las telas y así evitar que estas se saturen antes de lo previsto, lo que forzaría a un cambio de dichas telas. Desde hace un tiempo, el que no pudo precisarse con exactitud, la decisión de método de lavado doble se ha venido realizando siempre, y no se ha estado realizando remoción de lodos de los elementos filtrantes usando sólo el proceso de lavado simple. Los representantes de Flowrox propusieron, previo al cambio tecnológico, la secuencia de retro-lavado que se detallada en el Anexo B.

3.4 Elementos filtrantes El filtro “Flowrox Polishing”, que corresponde a los utilizados en la refinería, opera con un flujo constante de filtración y con una presión de alimentación creciente en el tiempo. Cuando el filtro está operando, el líquido de alimentación ingresa al filtro a través de la entrada de proceso. El diámetro del tubo de entrada está dimensionado para proveer un flujo laminar del líquido que entra al filtro. La Ilustración 3-10 muestra la forma del régimen de flujo alrededor de cada elemento filtrante. La torta se forma en la parte exterior de la tela o elemento filtrante y el fluido ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Capítulo 3: MARCO TEÓRICO

filtrado pasa al manifold de descarga, desde donde se dirige a la descarga de electrolito del filtro. Las flechas de color café representan el electrolito contaminado entrando a las telas de filtración y las flechas color celeste representan el electrolito filtrado.

Ilustración 3-10 Esquema de operación de tela filtrante

Existen 3 tipos de elementos filtrantes: Quadrex, Triplex y Dúplex6, dependiendo del mínimo tamaño de las partículas que retienen. La gran mayoría de las aplicaciones utiliza Quadrex, ya que proporciona la mayor área filtrante en un pequeño recipiente y, en consecuencia, es más económica. También se diferencian en el espesor de la torta.
Sobre 6mm

→

QUADREX


De 6 a 15mm

→

TRIPLEX


Sobre 15mm

→

DUPLEX

Las telas existentes en los filtros utilizados en la refinería son productos de Reicotex7, modelo 3003 del tipo Quadrex, por motivos de su economía y su capacidad de mayor área filtrante en un equipo más pequeño.

6

Norma internacional de elementos filtrantes, ISO 2942 Reicotex, empresa chilena con aproximadamente cinco décadas de experiencia en la producción de telas de uso técnico, se ha transformado -gracias a sus clientes- en el principal productor chileno de telas para filtros y elementos confeccionados para toda clase de procesos de filtración y de control de contaminación ambiental.

7

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Capítulo 3: MARCO TEÓRICO

3.5 Sistema de control e instrumentación De manera general, puede decirse que la operación óptima del filtro se consigue con un flujo constante de alimentación. El PLC activará el variador de velocidad cuando la bomba esté operando, con el cual se controlará la bomba a partir de una señal de 420mA proveniente de un flujómetro. El mismo PLC controla los procesos de los tres filtros en un programa único, dividido en subrutinas iguales e independientes entre sí. Estas han sufrido modificaciones por los operadores del sistema en beneficio de una mejora temporal, las que han terminado deteriorando la estandarización del proceso.

Ilustración 3-11 Lógica de funcionamiento de bomba de electrolito para filtros

3.5.1 PLC El controlador lógico programable, o PLC como se lo llama universalmente, es una herramienta importante porque todos los procesos de producción experimentan una secuencia repetitiva y fija de operaciones, que envuelve pasos y decisiones lógicas. Se puede pensar en un PLC como un pequeño computador industrial que ha sido altamente especializado para prestar máxima confianza y rendimiento en un ambiente industrial. En su esencia, un PLC recibe la información de sensores digitales (o “switches”) y analógicos en sus entradas, ejecuta su programa de control, hace cálculos matemáticos y de toma decisiones y, como resultado, controla diferentes tipos de hardware con sus salidas (tales como válvulas, luces, relés, servomotores, etc.), en un marco de tiempo de milisegundos.

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Capítulo 3: MARCO TEÓRICO

Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como [4]: •

Espacio reducido

•

Procesos de producción periódicamente cambiantes

•

Procesos secuenciales

•

Maquinaria de procesos variables

•

Instalaciones de procesos complejos y amplios

•

Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso

La arquitectura del sistema de control para el filtro se basa en el funcionamiento de un PLC Siemens S7-300, montado en una cabina IP65 de acero 316ss, instalada con las respectivas canalizaciones, y con su alimentación eléctrica y cableado marcados con las I/O de terreno. En su “back plane” deben encontrarse los módulos de Entrada/Salida en el siguiente orden: Digital Input (DI), Digital Output relés (DOR), Digital Output contacto (DOT), y Analogic Input (AI). Sin embargo, de estos cuatro tipos de módulos, solo existe instalado el DI; los otros tres no están en el gabinete ya que no se los requiere.

3.5.2 Instrumentación 3.5.2a Sensores de nivel Dentro del filtro de electrolito existen 3 sensores tipo “switch” para la obtención de nivel de llenado del mismo, los cuales interpretan el nivel LOW, HIGH y HIGH-HIGH (marcados en forma resaltada en la Ilustración 3-12), siendo el último un sensor utilizado para activar la alarma de control de despiche, evitando así la salida de líquido a través de la purga de aire. Los sensores LOW y HIGH son utilizados durante la limpieza de tela y descarga de la torta.

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Ilustración 3-12 Ubicación de sensores de nivel en filtro Larox

Estos tipos de sensores sufren de adherencia de acreciones durante la etapa de filtrado y retro-lavado, por lo que se les realiza mantención preventiva de manera periódica para garantizar que su lectura sea correcta. Es un sensor de tipo on-off, del tipo conductivímetro. El sensor utilizado para la lectura de nivel dentro del filtro es de marca Solartron mobrey, modelo IP202, como el mostrado en la Ilustración 3-13.

Ilustración 3-13 Fotografía del tipo de sensor de nivel utilizado en los filtros clarificadores de refinería

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3.5.2b Transmisor de presión Para las entradas y salidas de flujo de electrolito se requiere conocer la presión diferencial que existe entre ambos puntos. Se cuenta con transmisores de presión absolutos en cada una de ellas y, por medio de una operación matemática programada (diferencia entre la presión de entrada y la presión de salida de electrolito del filtro) y su análisis por el programa, se obtiene la información que gatilla la instrucción de retrolavado. Un segundo punto de referencia (de presión más alta) es usado como medida de seguridad, y debe ajustarse como máximo a 2.7 bar. Esta medición se hace a través de un transmisor de presión absoluta. En este punto, se debe producir una condición de alarma y el filtrado debe detenerse. Los transmisores de presión entregan una señal de 4-20 mA al PLC, con la cual se calcula la presión diferencial entre la entrada y la salida de flujo. El punto en que la presión diferencial alcanza el rango de 1.3 a 1.5 bar es el pre-establecido para iniciar la limpieza del filtro. 3.5.2c Transmisor de flujo Para obtener el flujo de entrada de electrolito se debe ser muy meticuloso en la elección de un flujómetro, con la capacidad, fiabilidad y durabilidad necesaria para el caso. Antiguamente, el filtro LAROX fue instalado junto con un transmisor de flujo magnético, el cual -producto de la calidad de fluido a sensar (fluido de características ácidas) y las condiciones ambientales en la cual trabajaba el transmisor- se sulfataba y corroía. Además, cada vez que debía ser reparado o sustituido, era de carácter obligatorio detener la línea de flujo por motivos de su implementación. Por los problemas presentados (confianza, duración y mantención), se decidió reemplazarlo. En su lugar se recurrió a un tipo de sensor ultrasónico, el cual no se encuentra dentro de la tubería, lo que le da el carácter de no invasivo. Así, no existe la necesidad de detener la línea para realizar mantenciones, lo que permite aumentar los tiempos de mantención, prolongando su vida útil. Desde mi punto de vista, el cambio realizado fue acertado debido a que durante una mantención se podría perder un gran volumen de electrolito y, además, detener durante un lapso de tiempo considerable la operación de filtrado, perjudicando así la eficiencia del filtrado de electrolito. Sin embargo, cabe sugerir que el método de instalación del sensor puede presentar fallas por estar colocado de manera horizontal, producto de un bajo flujo o de burbujas que se pudiesen generar dentro de la tubería, considerando adecuado sugerir la aplicación de estos sensores en zonas donde la tubería se encuentre de manera vertical, para disminuir las señales erróneas que se pudiesen obtener.

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Ilustración 3-14 Izquierda: Sensor ultrasónico instalado en Filtro Nº003; Derecha: protocolo de instalación según manual, para correcta lectura de flujo.

Los caudalímetros por ultrasonido están basados en la propagación de ondas de sonido en un fluido. Existen dos principios básicos para esta medición: tiempo de tránsito y efecto doppler. En los caudalímetros por tiempo de tránsito (como el utilizado en el proceso), la velocidad de flujo se determina por la diferencia entre la velocidad de propagación de una onda de sonido a favor y otra en contra del flujo. Los elementos emisores y receptores pueden instalarse por fuera de la tubería sostenidos por abrazaderas, tal como se muestra en la Ilustración 3-15.

Ilustración 3-15 Instalación con abrazaderas según manual de sensor ultrasónico

El instrumento de efecto doppler tiene un generador de ultrasonido que emite ondas. Si en el seno del líquido existen partículas o burbujas de gas, estas ondas chocan con ellas provocándose una reflexión de las ondas, como eco. Cuando esto ocurre, el eco devuelto tiene una frecuencia igual (si el líquido está quieto) o distinta (si está en movimiento) a la de la señal enviada. Esta nueva frecuencia depende de la velocidad de la partícula productora del eco, por lo que -midiendo el corrimiento de frecuencia- se puede determinar la velocidad del fluido y, por lo tanto, el caudal instantáneo. Es importante resaltar que el flujómetro en uso para la lectura de electrolito hacia los filtros trabaja bajo el principio de tiempo de tránsito para beneficiarse de la instalación no invasiva y de la mantención sin detención de la línea.

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3.5.2d Purga automática de aire Esto asegura que el filtro permanezca completamente lleno de líquido durante el ciclo de filtración, permitiendo que cualquier aire o gas que entre al filtro pueda escapar. Si el líquido trata de pasar a través de este aparato, éste se cierra automáticamente, ya sea por el uso de una bola flotante que sella contra un asiento o un flotador pesado que opera a una válvula de aguja.

3.5.3 Programación y lenguajes Para realizar la programación de cualquier tipo de autómata se debe considerar el diseño de un algoritmo o la existencia del mismo, el cual debe resolver un problema o una tarea en un número finito de pasos. La programación de los autómatas que maneja el sistema de los filtros Flowrox está realizada a través de la herramienta Step7, de Siemens. El programa posee la característica de poder ser realizado a través de 3 lenguajes diferentes, los cuales se escogen de tal manera que beneficie la comunicación con otros autómatas previamente instalados (si es que los hay), y la experiencia de los programadores en los distintos lenguajes (para su mejor comprensión y orden). Los lenguajes posibles dentro de este software son KOP (escalera), FUP (bloques funcionales), AWL (lenguaje de instrucciones), según se amplía a continuación. KOP: La representación del lenguaje de programación gráfico KOP (esquema de contactos) es similar a la de los esquemas de circuitos. Los elementos de un esquema de circuitos, tales como los contactos normalmente cerrados y normalmente abiertos, se agrupan en segmentos. Uno o varios segmentos constituyen el área de instrucciones de un bloque lógico (como puede apreciarse en la Ilustración 3-16).

Ilustración 3-16 Diagrama de programación en KOP (“Ladder”).

FUP: El lenguaje de programación FUP (diagrama de funciones) utiliza los símbolos gráficos del álgebra booleana para representar la lógica (ver Ilustración 3-17). También

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Capítulo 3: MARCO TEÓRICO

es posible representar en conexión directa con los cuadros lógicos funciones complejas, por ejemplo, funciones matemáticas.

Ilustración 3-17 Diagrama de programación en FUP para la misma función de la Ilustración 3-15

AWL: Este lenguaje de programación es un lenguaje textual orientado a la máquina. Las diversas instrucciones equivalen a los pasos de trabajo con los que la CPU ejecuta el programa y éstas se pueden reunir en segmentos. Información más completa sobre la programación de PLC’s Siemens puede encontrarse en [5].

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Capítulo 4: DESARROLLO

Capítulo 4

DESARROLLO En esta sección se describe el trabajo realizado para poder lograr los objetivos de la Memoria. Asimismo, se realizan estudios de las condiciones en que se encuentra el sistema, para luego proporcionar ideas y/o soluciones a las distintas problemáticas presentadas durante el periodo de trabajo.

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Capítulo 4: DESARROLLO

4.1 Diagnóstico de funcionamiento 4.1.1 Hidráulica La actual operación de los filtros se puede calificar como irregular, tomando en cuenta el flujo de electrolito que pasa a través de ellos, con el que se obtiene un porcentaje de eficiencia de la bomba menor a un 50%. La razón de este fenómeno se debe a la situación y forma de manejo de las telas filtrantes, las que se encuentran saturadas y evitan -por razones de presión- que la bomba (que no opera en modo automático) envíe un mayor caudal. Esto es consecuencia de un mal proceso de retro-lavado, ya sea por irregularidades en el programa utilizado o por una definición inadecuada del proceso a ejecutar. Además sucede que, al realizar el proceso de retro-lavado de manera poco eficiente, las telas filtrantes no funcionan de acuerdo a lo esperado (como se puede observar en la Ilustración 4-1), provocando que la presión diferencial aumente muy rápido. Esto conlleva a realizar otro proceso de retro-lavado antes del tiempo presupuestado cuando se desarrolló el sistema, con lo que se pierde tiempo, electrolito, agua y energía, entre otros. La instancia de retro-lavado está destacada dentro de la elipse amarilla de la Ilustración 4-1. A mi juicio, existe un error en el diseño de las líneas de traslado de electrolito, las cuales se definieron de PVC y -al enfrentarse a altas presiones- tienden a romperse, generando fugas y la obligación de la mantención y cambio necesario para volver a la operación normal. Se recomienda intervenir las líneas hidráulicas y modificarlas por un material con mayor resistencia como acero inoxidable o HDPE, los cuales tienen buena respuesta a la corrosión por ácido sulfúrico.

8

Ilustración 4-1 Imagen de PI System Filtro 004. (Rojo=Línea de tendencia de flujo); (Verde=Línea de tendencia de presión de entrada); (Azul=Línea de tendencia de presión de salida); (Café=Línea de tendencia de presión diferencial);

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Osisoft PI System, estándar industrial para el control de datos y eventos en tiempo real.

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A pesar que no es el filtro Nº004 en el que se aplicará el programa a desarrollar, se debe considerar que todos los equipos tienen un funcionamiento similar. Por esta razón, y porque era el que estaba disponible al momento de realizar las pruebas, se realizó el estudio sobre este filtro, para diseñar una nueva estrategia de proceso de retro-lavado, que luego pueda ser estandarizado para los 3 filtros del sistema. La bomba de alimentación de electrolito, en su diseño original, tenía un control de flujo fijado en torno a un set-point de 100m3/h aproximado (Tabla 4-1). Sin embargo, las condiciones físicas de operación -producto de las acreciones en las telas- impedían el flujo adecuado de electrolito. Esto ocasiona -de manera prematura- un alza de la presión y la decisión de realizar un retro-lavado precoz. Por lo tanto, los operadores optaron por controlar el flujo de las bombas de manera manual, usando un criterio en el que el flujo sea inversamente proporcional a la presión diferencial del filtro.

Tabla 4-1 Rendimientos de filtros, Diciembre 2010

Promedios Diciembre 2010 Filtro F-3 F-4 F-5

Flujo (m3/h) 104,8 107,9 105,2

ΔP (Kpa) 63,3 62,1 41,3

Vel (%) 74,7 66,9 76,9

Eficiencia 48,3 50,7 44,5

El filtro -por sí solo- no presenta irregularidades exteriores aparentes. Sin embargo, el sistema de tuberías refleja serias falencias en cuanto a los requerimientos de filtración de material.

Ilustración 4-2 Electrolito solidificado en filtraciones RE226-FB-005

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Capítulo 4: DESARROLLO

Los flanges presentan filtraciones de electrolito visibles, lo que se puede comprobar en terreno debido a la cantidad de sulfato de cobre existente alrededor de estos y por encima de las tuberías inferiores, tal como muestra en Ilustración 4-2. Unos de los puntos importantes a destacar es la ineficiencia en el diseño de la columna hidrostática ya que, debido a la circulación de plataformas móviles en altura, el alto de esta columna debió limitarse a 2m, a diferencia del diseño original que consideraba una columna de 6m. Esto hace que se disponga de una energía potencial insuficiente al momento de realizar la ruptura de la torta durante el inflado de las telas, ya que este proceso es crucial en la etapa de retro-lavado. La dimensión de la columna hidrostática fue adaptada durante el periodo del cambio tecnológico de la planta por lo que este proceso ocurrió fuera del periodo de memoria. Lo que intriga de esta remodelación fue la falta de un estudio con el cual se pudiese analizar las diferencias generadas en cuanto al impacto de la columna hidrostática con respecto a la remoción de la torta adherida. Se estima que una de las razones de la mala limpieza interior del filtro se debe a la dimensión de la columna y su disminuido impacto producto de la adaptación a la nave de refinería. Una solución de bajo costo para la problemática de la altura de la columna sería mantener su altura pero variar su diámetro con el objetivo de aumentar el volumen de líquido acumulado, y aumentar la presión sobre este para asimilar una equivalencia a los 6 metros estipulados por diseño y que no pudo implementarse debido a la condición física de altura disponible en el lugar de trabajo. Esta propuesta se profundizará en la sección 4.2.3.

4.1.2 Calidad de electrolito Se tomaron muestras de la calidad del electrolito en cuanto a sólidos en suspensión, para poder tener una tabla referente de datos con los cuales poder comparar a futuro los niveles de estos y concluir el correcto funcionamiento de los filtros. Los implementos y la metodología a seguir en este proceso de medición serán detallados a continuación. 4.1.2a Equipo y materiales • • • • • • • • • • •

Porta Filtro para filtros de 47(mm) de diámetro Papel filtro Whatman Fibra de vidrio, GF/F de 0.7 (µm). Probeta de 100, 500 y 1000 (mL) Placas Petri de 50 (mm) de diámetro Pizeta Pinzas Desecadora con Silica Gel Estufa para secado, regulable a 105ºC. Estufa eléctrica para calentar Agua Lavado. Balanza analítica. Agua destilada

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• • •

Bomba de vacío Kitazato 4 L. Manifold – Distribución 3 posiciones

4.1.2b Metodología Obtención de muestras Las muestras deben ser tomadas de la manguera de alimentación a la celda, golpeándola previamente en su extremo (para desprender los residuos que pueda contener) y luego dejando circular el electrolito por al menos 30 segundos. Se necesita una muestra de un mínimo de 300cc, el cual está estandarizado por el protocolo de toma de muestras; sin embargo, la muestra puede ser variable ya que el cálculo de sólidos en suspensión es en base al volumen obtenido. La muestra -una vez obtenida- debe ser mantenida en una estufa a 60ºC hasta realizar la prueba, para evitar la solidificación del electrolito. Antes de filtrado En una placa Petri se coloca el papel filtro nuevo en la desecadora, por aproximadamente 1 hora, para luego extraerlo y pesarlo. La desecadora cumple con la función de eliminar la humedad del papel filtrante para lograr una muestra de alta confiabilidad. Se posicionan los papeles filtrantes en el manifold de 3 posiciones para iniciar el filtrado de muestras. Filtrado Se debe considerar -para el momento de filtrado- la solución homogeneizada (previa agitación), para luego medir su volumen exacto con ayuda de una probeta. Disponiendo del sistema que se muestra en la Ilustración 4-3, se incorporan las muestras de solución a un manifold (A) donde luego se conecta con un kitazato (B) conectado a la bomba de vacío (C), almacenando el líquido filtrado de la muestra, para lograr así la filtración. (Observar Ilustración 4-3.)

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Capítulo 4: DESARROLLO

B A

C 0

Ilustración 4-3 Sistema de filtración para muestras de sólidos en suspensión A. Manifold, B. Kitazato, C. Bomba de vacío.

Posterior al filtrado Posterior al filtrado, se procede a enfriar las muestras en la desecadora durante aproximadamente 2 horas y luego se las pesa para, por medio del cálculo indicado en la Ecuación 4-1, obtener los sólidos suspendidos en [ppm].
.
.  

β α

  1000

Ecuación 4-1

donde

α: Masa inicial del papel filtro [mg] β: Masa final del papel filtro con residuo sólido seco [mg] V: Volumen de solución filtrada [mL] 4.1.2c Resultados de las muestras El estándar normal de sólidos en suspensión debe ser menor a 15ppm. El circuito 12 de electrolito posee 10 celdas, en las cuales se realizaron las cosechas y donde se efectuaron las mediciones para esta prueba. Se tomaron 22 datos por celda a lo largo de 4 meses. Tomando como referencia los datos obtenidos del circuito 12 de electrolito (donde se utilizó el filtro Nº003 con las condiciones de trabajo de los filtros Flowrox ya descritas). En la Tabla 4-2 se resumen los resultados observados.

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Capítulo 4: DESARROLLO Tabla 4-2 Sólidos en suspensión en circuito 12 Circuito 12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Media ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm Media 6,5 7,6 13,6 8,3 6,5 6,0 6,1 4,7 6,9 6,5 7,3 Desv. Std 4,0 5,5 8,4 5,4 4,2 3,7 6,2 2,6 3,0 3,7 4,7 Dato mayor 10,6 13,0 22,0 13,8 10,7 9,7 12,3 7,3 9,9 10,1 11,9 Dato menor 2,5 2,1 5,2 2,9 2,3 2,4 -0,1 2,1 3,9 2,8 2,6

En cuanto a las condiciones físicas del electrolito, específicamente del material particulado en suspensión dentro del mismo, podemos afirmar -según los resultados mostrados en la Tabla 4-2, que la calidad del electrolito permanece bajo los estándares correctos de operación (el valor medio -en [ppm]- establecido por Refinería es de 8ppm). Se puede observar que en la celda Nº3 los valores de sólidos en suspensión son muy superiores al resto de las celdas, lo que es considerado como un dato erróneo. Esto pudo deberse a situaciones anómalas y puntuales, como -por ejemplo- el movimiento involuntario de la línea, la cual se encuentra con barros acumulados, desprendiéndose estos en el elemento de prueba. Para este análisis, se considera como resultados no representativos del sistema. Esto lleva a concluir que el problema principal a resolver, con la estandarización de proceso de retro-lavado, no necesariamente debe orientarse a la mejora en la calidad del producto resultante sino a la estandarización y automatización de la operación de retrolavado. Por tanto, se espera observar mejoras en la prolongación de la etapa de filtrado de electrolito y de la vida útil del material filtrante.

4.1.3 Estado del interior del filtro Durante el cambio de elementos filtrantes (realizado el día Miércoles 27 de Junio de 2012), se registraron -de manera ilustrativa- deficiencias internas en el filtro Flowrox Nº 005. Estas afectan de manera directa la eficiencia del proceso de retro-lavado, ya que la secuencia lógica programada supuso condiciones diferentes a las reales. Un ejemplo son las salidas tapadas por acreciones, las que impidieron que -a pesar que la válvula de aire estaba abierta- no existiera flujo de aire por todos los orificios de salida. El sistema de control comandó las válvulas electromecánicas de manera tal que cumplieran con la secuencia programada, pero por motivos relacionados con las condiciones de los componentes interiores del filtro (los que serán evidenciados en el párrafo siguiente), las acciones realizadas se vieron afectadas por las acreciones presentes en los componentes internos.

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Capítulo 4: DESARROLLO

A

B Ilustración 4-4 (A) Rociadores superiores; (B) Rociadores inferiores

En la Ilustración 4-4 se pueden observar las condiciones en las que se encuentran los rociadores superiores e inferiores en el filtro, enfatizando las acreciones presentes en la parte A y, sobre todo, la falta de boquillas. La condición interna de los rociadores inferiores no se pudo capturar fotográficamente, pero se supone que se encuentran en la misma situación que los superiores. En el caso de las salidas de aire la situación es más crítica, debido a que los orificios de las boquillas correspondientes están completamente tapados por una capa gruesa de acreciones. Para obtención de registros fotográficos, se raspó la tubería hasta poder visualizar los orificios de salida. Se puede apreciar, en la Ilustración 4-5 (A), la disposición de las salidas de aire superior (amarillo) e inferior (verde), y en (B), la diferencia existente entre las superficies previamente raspadas para remover las acreciones (Inferior: Verde), mientras que en (C) se puede apreciar -en primer plano- la magnitud del orificio de salida y parte del tubo con una cáscara de acreciones. Cabe destacar que -previo al rompimiento de la corteza existente en las tuberías- era imposible distinguir la posición de los orificios de salida. Para evitar a futuro estas anomalías es necesario establecer un plan de mantención interna, que en la actualidad no existe. Las razones para abrir el filtro clarificador se limitan sólo a realizar un cambio de los elementos filtrantes y no se tiene un plan de mantención que asegure condiciones de operación adecuadas de los componentes internos (al secarse el lodo, se adhiere a los elementos internos, secándose y endureciéndose, disminuyendo o incluso anulando el paso de agua o aire respecto de las condiciones de diseño). Así, las boquillas pierden intensidad y efectividad en las labores de lavado, pudiendo incluso producirse la obstrucción completa de estas salidas de aire o agua. También se pudo detectar la inexistencia de las boquillas que, de manera

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Capítulo 4: DESARROLLO

predeterminada, estaban instaladas en los rociadores y de las cuales no existe un stock de repuestos.

Ilustración 4-5 Condiciones de salida de aire. A: Situación de salidas de aire superior e inferior luego de abrir filtro; B: Diferencias de condiciones de salida de aire posterior al raspado de las tuberías; C: Orificio de salida de aire.

4.1.4 Elementos filtrantes De manera paralela a este estudio, y por razones de cambio de condiciones de lodos flotantes, se hizo una investigación para la compra de un nuevo material filtrante (a la misma empresa Reicotex), con nuevas condiciones de diseño. En un futuro próximo se realizará el análisis de respuesta de estas telas junto con el nuevo proceso, comparándolas con telas antiguas, para definir sus posibilidades de mejora. El estudio no se consideró parte de esta memoria, ya que –al término de la misma- aún no se había definido la fecha de su evaluación experimental. En la etapa de diagnóstico se pudo evaluar las condiciones de salida de estos elementos, tal como se muestra en Ilustración 4-6, por lo que se dedujo que esta condición es causa de dos principales factores: el cambio de condición de lodos flotantes y una operación de secado en la programación de retro-lavado. En esta última se apreció que las telas se secaban cuando se les aplicaba aire comprimido, produciendo que los lodos incompletamente extraídos se solidificasen, con características similares a las del concreto. Esto provocó que el material filtrante quedase con una capa de lodos sólidos sobre su superficie, generando mayor resistencia en su capacidad de filtrado y, por ende, un alza en el diferencial de presión que gatilla la secuencia de retro-lavado. Además, esto se traduce en una disminución de la vida útil de las telas filtrantes. Después de una ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Capítulo 4: DESARROLLO

serie de reuniones, se definió esa operación como errónea y desfavorable para el proceso en sí, debido a que al secarse las telas, estas se endurecen perdiendo sus propiedades filtrantes (en la Ilustración 4-6 se observa un elemento filtrante posterior al secado de telas), por lo que se ha sugerido eliminar el secado dentro del protocolo de lavado.

Ilustración 4-6 Telas extraídas durante mantención

El cambio de los elementos filtrantes es independiente en cada filtro, y el reemplazo de telas se evalúa dependiendo de la condición de su flujo de salida. Como ya se mencionó anteriormente, las bombas de alimentación de electrolito se operan en modo manual. Por lo tanto, a medida que haya mayor presión a la entrada del filtro (lo que significa que la tela está más saturada), el caudal impulsado por la bomba hidráulica hacia el circuito disminuirá, hasta que este llegue a niveles de una cuasi detención. Gracias a antecedentes entregados por la PDA, se pudo concluir que la vida útil de las telas es variable, además de depender -de manera considerable- del tiempo que se mantiene fuera del filtro. Se ha podido notar que reduce su vida útil mientras mayor sea este tiempo. En una planilla Excel se registró la información disponible9, de cuyo análisis se puede distinguir que a los 30 días de operación de un filtro, después del cambio de su tela, tienen un flujo de trabajo inferior a los 10m3/h, muy por debajo de lo indicado en el manual Flowrox (que debiera ser de 100±5 m3/h aproximadamente). Además, a estos periodos de cambios de telas se le agregan días en que el filtro se encuentra fuera de operación, lo que no permite establecer la verdadera vida útil de los elementos filtrantes (alrededor de 15 días promedio en el año el filtro está detenido). Las razones de estas detenciones pueden ser diversas y algunas de ellas son ajenas al tema de eficiencia de la limpieza del electrolito.

9

Información obtenida por medio de PDA, en planilla Excel, cuyo registro no se ha autorizado para que quede indicado en esta Memoria. ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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4.1.5 Retro-lavado Se debe destacar que la condición de inicio de retro-lavado ha sido modificada en la actualidad, ya que antiguamente se establecía al sobrepasar una presión diferencial específica. En cambio hoy, el proceso sólo se ejecuta cuando el flujo disminuye por debajo de los 5 m3/min, realizando un retro-lavado comandado por un circulador (operador de filtro). Para efectos de análisis, se forzó un retro-lavado (ejecutándolo a partir de una señal de inicio y no de un alza de presión diferencial o disminución del flujo por debajo del límite considerado, como está estipulado) para realizar un monitoreo de señales, con el fin de poder diagnosticar el funcionamiento de las etapas programadas, la correcta acción de la máquina y la comparación con la secuencia propuesta por Flowrox, la cual será discutida posteriormente en la sección 4.2.2. Durante la etapa monitoreo, se ejecutó (a través de programa) un retro-lavado doble, el cual fue analizado de manera tal de obtener márgenes de comparación con el programa establecido por LAROX y observar el funcionamiento del filtro. Se buscó tener un registro del comportamiento de filtrado, así como una respuesta a la programación que se encuentra actualmente comandando el filtro. En la Ilustración 4-7 se puede distinguir un gráfico de porcentaje de líquido en el filtro versus el tiempo.

Porcentaje de volumen de liquido en el filtro

SECUENCIA ACTUAL 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Tiempo en minutos

Ilustración 4-7 Gráfico Porcentaje de volumen de líquido dentro del filtro versus tiempo.

Las variaciones durante los primeros 5 minutos corresponden al rompimiento de torta; a continuación se activa el proceso de agitación por aire (durante 15 minutos) para luego vaciar el filtro junto con los residuos sólidos. Seguido a esto, el proceso se repite, pero con la ausencia de la etapa de rompimiento de torta, considerándose este como el retrolavado doble. Se puede observar -en el mismo gráfico- un comportamiento diferente entre los minutos 28 y 30, dado que al momento de llenar el filtro se encuentran en

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Capítulo 4: DESARROLLO

operación las válvulas de rociadores superior e inferior y de retro-lavado. Luego de llegado al nivel bajo señalado por el sensor, se cierra la válvula de rociadores inferiores, ocasionando una demora de llenado poco favorable en cuanto a tiempo fuera de la operación de filtrado (retardando la operación de llenado, que se desarrolla durante los siguientes 10 minutos).

4.1.6 Panel de control HMI Existe un panel de control, ubicado en el área donde se encuentran los filtros, al que pueden acceder los circuladores para poder comandar el sistema de filtrado desde el mismo sitio, a través de un HMI (como el que se esquematiza en la Ilustración 4-8). Este panel posee beneficios y falencias operacionales, las cuales han afectado en el funcionamiento óptimo del actual sistema de retro-lavado. Desde este HMI se puede detener el proceso y vaciar el filtro. Esto es beneficioso al momento de realizar mantenciones; incluso durante el tiempo en que los retro-lavados no están funcionando correctamente se pueden inducir lavados por este medio de manera manual. Esta forma de proceder permite notar que, dependiendo del circulador, se puede proceder con recetas distintas para atender un mismo proceso, manipulando distintas variables de tiempo, etc. En consecuencia, los retro-lavados operados manualmente son una solución incompleta y temporal, debido a que sólo pocos circuladores tienen profundos conocimientos del funcionamiento de los filtros y, además, estas modificaciones van descomponiendo la originalidad del programa.

Ilustración 4-8 Dibujo esquemático del panel de control con la HMI.

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En el Anexo D se adjunta una breve presentación, con mayor profundidad y detalle de la estructura del HMI.

4.1.7 Estado de la instrumentación Para realizar un diagnóstico general de sensores, válvulas o accionamientos, se realizó un seguimiento a todas las señales presentes durante un estado de detención de filtro y durante un retro-lavado. El proceso se registró en tablas de variables (VATs, Anexo C), las cuales se contrastaron con la secuencia existente en el PLC, a través del programa STEP7, pero sin incidir en la operación del programa vigente. Estas tablas son utilizadas a través del programa conectando el computador al PLC a través de un puerto Ethernet, mediante el cual es posible recibir las señales. Para esto se envía la señal de inicio de retro-lavado y se comienza un monitoreo a través de estas tablas. Ellas fueron creadas exclusivamente para esta tarea, por lo que tienen un orden secuencial -según el manual de operación- de los estados de las válvulas y del fluido al interior del equipo. Las tablas de variables son utilizadas durante el proceso en estudio para observar el cumplimiento de las señales visibles -como lo son estados de válvulas (abierto, cerrado)- y aquellas incapaces de ser detectadas de manera visual -como los estados del líquido al interior del filtro (ya sea en el nivel bajo, alto o alto-alto); además, permiten llevar un registro del correcto funcionamiento y de los valores de los tiempos de los temporizadores correspondientes a cada proceso. Durante las pruebas se detectaron errores de estado de las señales de lecturas, los cuales se atribuyeron a falta de mantención en sensores de nivel (que se encontraban cubiertos de lodo - ver Ilustración 4-9) y en válvulas (producto de terminaciones con filtraciones y evidente presencia de electrolito solidificado). Se planteó esta situación, en reunión con personal de SAE 10 , quienes corroboraron que hubo un retraso de una semana en la mantención de los filtros. Esta situación pudo detectarse debido a que el agua destinada a la limpieza y el llenado del filtro para poder ejecutar la etapa de agitación por aire con el filtro lleno, pasó el nivel máximo y comenzó a rebalsar el contenido del filtro a través de la purga de aire, a pesar de que los sensores indicaban que aún no llegaba el volumen interior al nivel HIGH, aunque incluso había sobrepasado el nivel HIGH-HIGH.

10

SAE: Superintendencia de Automatización y Electrónica

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Ilustración 4-9 Sensor de nivel cubierto de lodo (extraído para su mantención)

4.2 Estandarización de programación de los filtros El objetivo principal de este estudio es lograr una estandarización de la programación de la etapa de retro-lavado de los filtros en funcionamiento. Para ello se deben analizar las condiciones actuales (al momento de comenzar la Memoria) y las condiciones originales de cada filtro, las cuales se presentan a continuación.

4.2.1 Estado de la programación El programa para cada filtro consta de 44 funciones entrelazadas, como el comando de motores, válvulas, alarmas, medición y diagnóstico de sensores, entre otros. Dentro de estas funciones se destacan 4 estados de principal relevancia, los cuales se relacionan con los procesos de filtración, reinicio, y lavado simple y doble, siendo las 3 últimas subrutinas las previamente mencionadas y que serán motivos de estudio, evaluando las condiciones actuales y proponiendo mejoras para su modificación. Se han seleccionado sólo estas subrutinas exclusivamente por que son las que intervienen en el proceso de retro-lavado. A pesar de esto, se hizo un estudio de la función que controlaba las válvulas y sus estados de alarmas, para detectar si existían fallas de programación. El funcionamiento manual de las válvulas, forzando señales para su apertura o cierre, funcionó correctamente. Por tanto, fue posible predecir que no existirían anomalías en la programación de las mismas. Sin embargo, se presentaron problemas al momento de iniciar la secuencia de un retro-lavado, ya que se incluyeron en este proceso las rutinas a estudiar. Pudo notarse que la etapa de filtrado funcionó de manera correcta, respondiendo a la solicitud de esta memoria (mejorar y restablecer las operaciones durante las tareas de lavado de los elementos filtrantes). Los problemas observados estaban relacionados a las otras etapas del proceso. ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Los cambios hechos en el programa (realizados en el pasado) respecto de la versión original -que se encuentra documentada- no tienen la indicación del autor que los hizo, y se desconocen las razones que les dieron origen. Por tanto, se considera que los parámetros y procedimientos utilizados en este ejercicio son empíricos (basados en el análisis de los valores disponibles y los efectos que producían, así como de las opiniones obtenidas de los operadores de turno), y se emplean apuntando a una optimización del proceso. Sin embargo, es importante notar que diferían de la metodología de lavado impuesta por el proveedor de los filtros, tal como podrá observarse en la sección 4.2.2. Durante los estudios realizados a la secuencia programada en el PLC, se pudo distinguir distintos errores de programación, los cuales fueron responsables de operaciones incorrectas detectadas durante el seguimiento de las señales. Luego de un profundo análisis al programa de los filtros, se percató que existían errores que impedían una secuencia automática de lavado. Cuando se estaba lavando un filtro, el programa esperaba recibir información de otro filtro, impidiendo que avanzara hasta que la condición fuese verificada. Esta situación fue la que llevó a los circuladores a operar el sistema en forma manual. Se notificó la detección de este tipo de errores, y se informó que fueron corregidos mediante una nueva programación, que se hizo en base al manejo del filtro Nº005, y que luego se copió el programa para los filtros restantes, sólo renombrando las variables correspondientes en la parte del programa asociada al filtrado. Sin embargo, al limitar esta acción sólo a la etapa de filtrado, provocó que algunas variables no fueran cambiadas en la traslación del programa, ya que estaban incluidas en otras partes del mismo. Este suceso no fue detectado a tiempo, debido a que los errores se presentaron en las etapas ajenas al filtrado, provocando ciclos infinitos o condiciones de espera permanente en algunos filtros (al requerir de señales de otros filtros que nunca llegarían, ya que su condición de trabajo normal no se modificó). Como el estudio sólo abarcaba analizar el cambio de la lógica de la secuencia de retrolavado, no se modificaron -por ahora- las falencias encontradas. Después de la prueba se debieron restituir las condiciones de operación del sistema, por ser la conocida por los operadores, dado que los cambios definitivos se consideran para ser realizados más adelante (fuera del periodo de esta Memoria). Sin embargo, se indicó que la regularización de estos problemas debía hacerse antes que sea implantada la aplicación de la nueva programación de secuencia de retro-lavado.

4.2.2 Comparación de secuencia existente con las del manual de filtros Flowrox Esta comparación se realizó entre los diagramas lógicos que aparecen en el manual de LAROX, y el programa existente para el filtro Nº003. En las Ilustraciones 4-11 a 4-15 se representan, por medio de diagramas de flujo, las secuencias de retro-lavado, tanto la pretendida por el manual de operación como la que ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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está en uso en los filtros en la actualidad. Esta etapa fue necesaria para lograr -junto a los profesionales del proceso- entender las diferencias presentadas entre ambas. Esto es importante, ya que la representación en lenguaje KOP no era de conocimiento general por parte del personal del área. De esta manera se logró hacer una comparación minuciosa de cada etapa de lavado y funcionamiento de las válvulas del filtro. El diagrama de flujo del lado izquierdo es aquel proceso realizado por el programa que se encuentra operando en el PLC, mientras que el diagrama de la derecha establece el orden lógico de pasos a realizar según el manual de operación de LAROX. Los recuadros en color verde representan una válvula abierta y los en color rojo indican que la válvula se encuentra cerrada (es necesario señalar que las válvulas a controlar serán aquellas señaladas en la Tabla 4-3, las que aparecen representadas y destacadas en amarillo en la Ilustración 4-10). Tabla 4-3 Válvulas a controlar durante el proceso

V01 V02 V03 V13 V05 V07 V17 V08 V09

Válvula de entrada de electrolito Válvula de salida de electrolito Válvula de salida de aire superior Válvula de salida de aire inferior Válvula de venteo o purga de aire Válvula de salida de rociadores de agua superior Válvula de salida de rociadores de agua inferior Válvula de salida de agua de retro-lavado Válvula de drenaje

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Ilustración 4-10 Válvulas a controlar en programa destacadas en amarillo

Cabe señalar que las circunferencias indican un temporizador, siendo el número que figura en su interior el valor correspondiente, en segundos, que se encontrará en esa condición; los recuadros color azul indican la condición del sensor de nivel en el que se encuentra el fluido dentro del filtro. Cada separación, realizada con una línea segmentada, se refiere a una línea de código de programación en la secuencia lógica por medio del lenguaje KOP (para poder distinguir de manera más específica las deficiencias del mismo). En el inicio de la etapa de retro-lavado se distingue el proceso de vaciado del estanque hasta el nivel alto del filtro; luego se da inicio a la caída de la columna hidrostática, donde se puede observar (en la Ilustración 4-11) que las secuencias son completamente ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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iguales en cuanto a accionamiento de válvulas, pero los tiempos de espera de la etapa posterior al rompimiento de torta han sido modificados (como se destaca con una doble flecha). Las diferencias en los tiempos son debidas a la posibilidad de cambios realizados por los operadores, quienes cuentan con la alternativa de modificar los valores por defecto (si lo estiman pertinente) desde el panel de control situado en terreno. Cabe destacar que los valores dejados por defecto son empíricos, y se requiere un tiempo mayor de puesta en marcha para poder validarlos o cambiarlos por otros más apropiados. Esto implica que los valores de los temporizadores no se consideran erróneos pero tampoco es fiable aceptarlos como correctos, ya que son tiempos surgidos a raíz de los intentos realizados por los circuladores por mejorar el rendimiento del lavado automático de los filtros y están basados en experiencias en terreno. Estas han estado funcionando de manera regular durante bastante tiempo y no se les atribuyen los motivos de la baja eficacia del retro-lavado. Es necesario señalar que el tiempo indicado de 5s en la Ilustración 4-11 (derecha) supone el tiempo de caída de columna hidrostática. Por lo tanto, se considera que el tiempo previo de 2 minutos de espera es excesivo (no debiese demorar más de 5 segundos de acuerdo a lo especificado por el fabricante). Además, analizando las dimensiones de la columna (posee una altura aproximada de 2 metros y un diámetro de 8 pulgadas), se puede deducir -a través de cálculos básicos de mecánica de fluidos- que el volumen del líquido en su interior se descargaría en menos tiempo que los 120 segundos establecidos en terreno. Este tiempo de 5 segundos es suficiente debido a la velocidad de salida producida por la caída de la columna hidrostática la cual está definida por la ley de Torricelli,  2 ∙  ∙ ,

Ecuación 4-2

   ∙ .

Ecuación 4-3

con

En la Ecuación 4-2, “H” representa la altura de la columna y “g” la gravedad, de donde podríamos obtener el valor de esta velocidad, para poder obtener un valor de caudal “Q” de salida de la misma tal como se indica en la Ecuación 4-3. Además, conociendo las dimensiones de esta columna, podemos obtener el volumen del fluido al interior de esta como se muestra en la Ecuación 4-4,  %    !!  " ∙ # $ ∙  2

Ecuación 4-4

Puede inferirse, a través de un simple cálculo matemático (dividiendo el volumen total de la columna por el caudal), el tiempo mínimo que demoraría en escurrir el fluido desde la columna, que para este caso sería de aproximadamente 0,3 segundos. Sin embargo, este valor es mayor, ya que el cálculo no incluye la diferencia de altura a través del tiempo y la singularidad propia del codo en la base de la columna, situación que se discute brevemente a continuación. Cabe señalar que estos resultados aparecen resumidos en la Ilustración 4-17. ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Para considerar el efecto de variación de altura a medida que se va vaciando la columna, las siguientes ecuaciones describen el proceso de descarga del líquido al interior de la tubería, con el objeto de encontrar una expresión (Ecuación 4-5) que relacione la altura como función del tiempo. Se considera como condición inicial que, en el tiempo cero, esta posee la altura total de la columna, ℎ'  ℎ0) (Ecuación 4-6). ℎ = (( )

Ecuación 4-5

ℎ(0) = 2  !)

Ecuación 4-6

La diferencia de altura con respecto al tiempo está descrita por la Ecuación 4-7 (flujo en la columna es igual al flujo por el orificio). ℎ = − ∙ 2ℎ 

) ∙

Ecuación 4-7

Como As (área de la sección) es igual a Ao (área del orificio), estas áreas se suprimen. Manipulando la Ecuación 4-7 para su resolución, puede ponerse como se muestra en la Ecuación 4-8. −1

∙ℎ

2

*+, %

∙ ℎ = 

Ecuación 4-8

Integrando resulta la Ecuación 4-9, −1

2

-

.

'

*+ ℎ ,%

/

∙ ℎ = - 

Ecuación 4-9

'

Desarrollando las integrales se tiene la Ecuación 4-10, −1

2

∙ 2 ∙ 

+, %

= +1

Ecuación 4-10

Como se conoce la altura existente en el instante inicial, podemos obtener el valor de la constante C como se indica en la Ecuación 4-11, −1

2

∙ 2 ∙ 2

+, %

= 0+1

Ecuación 4-11

1 = −0,638

Reemplazando valores, se tiene todo lo necesario para obtener la función de la altura de la columna con respecto al estanque:

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ℎ

+, %

  0,638

2 ∙ 2

Ecuación 4-12

Elevando al cuadrado resulta la Ecuación 4-13, &   0,638 % ∙

 2

Ecuación 4-13

Resolviendo la Ecuación 4-13 para la altura igual a cero, da como resultado un tiempo estimado de 1,54 segundos, lo que aún es inferior a los 5 segundos estipulados en el programa, peor se puede mantener este valor para considerar el efecto de resistencia que provocan las telas del filtro, como se aprecia en la parte derecha de la Ilustración 4-11 (indicado por la flecha azul).

Continúa en Ilustración 4-12

Ilustración 4-11 Comparación de secuencias de lavado, rompimiento de torta

Luego de la caída de la columna se drena nuevamente hasta el nivel alto del filtro. Sucedido esto, se cierra el drenaje, iniciándose la etapa de agitación de aire (ver Ilustración 4-12) donde no existen grandes diferencias entre lo propuesto por Larox y lo que se ha estado realizando, salvo una prolongación del tiempo de agitación, por 5 minutos adicionales. Esta agitación tiene como función desprender el lodo adherido en las telas, lo que se consigue abriendo las válvulas de aire industrial, tanto inferior como superior, para remecer los elementos filtrantes. Posterior a la agitación de telas se logra ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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observar la primera diferencia en cuanto a accionamientos de válvulas; luego del drenaje de la solución al interior del filtro, se puede distinguir (en el lado izquierdo) la ausencia del cierre del aire inferior y la activación de los rociadores inferiores. Esta modificación no pudo ser fundamentada por los circuladores ni tampoco por personal de la SAE. Las entradas de agua destinadas al llenado y limpieza del interior del filtro se hace a través de los rociadores inferiores y superiores, y adicional a esto existe una válvula (denominada de retro-lavado) que da paso a agua a través de la descarga del filtro. Esto permite remover -a contra corriente- las acreciones en las telas. Se supone que el propósito de esta acción se debe a la remoción basal de los sólidos adheridos en las telas, pero esta acción es indiferente al resto de la superficie del material filtrante por lo que se prefiere modificar a una agitación completa del material, más la adición de agua por medio de los rociadores, con el objetivo de evitar el secado y endurecimiento parcial del elemento filtrante. Viene de Ilustración 4-11

Continúa en Ilustración 4-13 Ilustración 4-12 Comparación de lavado; Primera agitación por aire y vaciado de filtro

Luego se sigue con la etapa del primer drenaje de líquido con material en suspensión (ver Ilustración 4-13). Podemos notar una diferencia importante entre ambos diagramas. El fabricante recomienda esperar hasta llegar nuevamente al nivel bajo de líquido dentro del filtro. No obstante, en la situación programada en la actualidad (lado izquierdo) se encuentra que el drenaje está abierto y sólo se utiliza el rociador inferior para llenar el filtro. Esto no sucederá nunca a menos que la válvula de drenaje se cierre, debido a que la salida por el drenaje posee mayor diámetro y, por ende, un flujo de mayor magnitud. ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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No sucede lo mismo en el sector derecho, donde logramos captar un lavado por rociadores durante 60 segundos y luego se cierra el drenaje para poder llenar el filtro hasta el nivel bajo. Además, en el lado izquierdo se destaca la existencia de un segundo temporizador (de 120 segundos). Haciendo la consulta a los circuladores del área, ninguno encontró razón para usar este temporizador, ya que al considerar en el diseño el rociador inferior y la válvula de retro-lavado, se produce una demora de más de 2 minutos en llenar el filtro hasta llegar al nivel indicado por el sensor alto. Dado que luego del tiempo considerado por el temporizador no existe ninguna acción de relevancia, esta acción de sugiere que podría eliminarse. Viene de Ilustración 4-12

Continúa en Ilustración 4-14 Ilustración 4-13 Comparación de lavado; Vaciado y rellenado

Para la segunda etapa de agitación por aire, representada en la Ilustración 4-14, se aprecia ya una completa diferencia lógica entre los diagramas de flujo, las que se extienden también a los temporizadores del mismo. Se puede observar que, en el sector izquierdo, se vuelve a comandar una señal de cerrado para la válvula de rociador superior, siendo que esta ya se encontraba cerrada desde antes de llegar al nivel alto del filtro. Además se realiza la agitación por aire con sólo la salida superior de aire, la cual ya se encontraba abierta. Luego de cumplido el tiempo de agitación, se procede a la remoción y drenaje de líquido con partículas en suspensión. Pueden notarse diferencias luego de haber llegado al nivel bajo, ya que -en el programa actual del PLC- abren el rociador inferior recién en esa condición. Esto puede tener como objetivo el

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desprendimiento inferior de los lodos adheridos y el ahorro del recurso de agua, pero de igual forma no tiene en cuenta la importancia del resto de la tela filtrante, lo que pudiese tener repercusiones en la correcta remoción de sólidos adheridos. Cabe destacar que -luego de esta etapa- sucede la subrutina de reinicio, donde se condiciona el filtro para volver a recibir electrolito y restablecer su condición de filtrado. Viene de Ilustración 4-13

Continúa en Ilustración 4-15

Ilustración 4-14 Comparación lavado; Segunda agitación por aire y comienzo de vaciado

En el análisis de la secuencia de reinicio (Ilustración 4-15) existen diferencias que suceden sólo por las condiciones previas a esta etapa, intentando regularizar y vaciar de manera completa el filtro. En ambos casos se cierran las válvulas que aún estaban abiertas, exceptuando la válvula de venteo. Adicional a esto se detecta que -por manual LAROX- existe un periodo adicional de tiempo de 120 segundos en el cual se mantienen cerrados los rociadores y abierta la entrada de aire inferior, provocando que las telas filtrantes se sequen. Esto produce que el material particulado -que no se pudo remover- se solidifique sobre la superficie de las telas, disminuyendo sus capacidades filtrantes. Este proceso de secado del material filtrante es propio del proveedor, pero por razones de composición química del fluido a filtrar (en este caso, electrolito contaminado), es necesario eliminar el proceso debido a que los sólidos en suspensión -al momento de secarse- adquieren en su estado sólido propiedades similares a las del concreto, lo que lo hace muy difícil de remover. ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Capítulo 4: DESARROLLO

Viene de Ilustración 4-14

Ilustración 4-15 Comparación de lavado; Etapa de reinicio

A pesar que se tenía la secuencia original definida por gente de Flowrox, se solicitó -por parte de SIP- la creación de un nuevo procedimiento como tema de trabajo para esta Memoria, debido a todos los cambios tecnológicos introducidos desde su instalación (cuando se modificó la constitución de los ánodos, los que afectaron la liberación de sólidos dentro del electrolito). Con los diagramas de las Ilustraciones 4-11 a 4-15 se realizó una presentación en diapositivas para el personal de SIP y SAE, con el fin de demostrar el estado en el que se encuentra el proceso y las diferencias que este presenta con respecto a la propuesta original de la empresa Flowrox.

4.2.3 Rediseño de proceso de retro-lavado Debido al cambio de composición de los ánodos traídos de fundición, la secuencia de retro-lavado obtenida del manual de operación sólo se toma como referencia, ya que estaba directamente dirigida a las condiciones iniciales cuando se diseñó el sistema. Por

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tanto, junto con la asesoría de la SIP11 (específicamente de los Sres. Alfonso Pidal12 y Juan Carlos Escudero), se logró definir un proceso coherente y teóricamente eficiente. Para ello se hizo dos estudios físicos básicos en cuanto a mecánica de fluidos (Ilustración 4-17), los cuales serán detallados para mejor comprensión, haciendo referencia a los cambios realizados a la secuencia previa para lograr los objetivos buscados. Asimismo, se considera la altura actual de la columna hidrostática y su influencia en la cantidad de flujo que llega a las 22 telas instaladas dentro del filtro. En este cálculo se omitió la singularidad propia del manifold de 22 salidas, el cual está dividido en 8 salidas del hemisferio sur del filtro y 14 en el hemisferio opuesto, por lo que estos valores están aún sobredimensionados con respecto a la realidad ( Ilustración 4-16 ).

Ilustración 4-16 Fotografía de manifold posterior al cambio de telas

El rendimiento del ariete hidráulico R representa el porcentaje de flujo que se puede bombear en relación al total del fluido canalizado por la columna y varía en función de las relaciones de altura, a través de un factor indicado en la Tabla 4-4Error! Reference source not found.. Se creó una planilla de cálculo para realizar las operaciones que permitan determinar los parámetros de diseño del sistema. Para los cálculos matemáticos se tuvieron en cuenta las siguientes relaciones, donde H es la altura de la columna hidrostática y h es el nivel de trabajo: Tabla 4-4 Rendimientos para cálculo de ariete [3]

Considerando la altura de la columna (H) y su nivel de trabajo (h), se tiene la Ecuación 4-14. 11 12

Superintendencia de ingeniería de procesos Ingeniero civil químico e Ingeniero guía.

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∆ ,& 

2,003 = 10,015 0,203

Ecuación 4-14

Luego, utilizando los datos de la Tabla 4-4, podremos realizar una regla de 3 (aproximación al resultado) para obtener un valor referente del rendimiento del ariete hidráulico “R”, Ecuación 4-15. 8= 8=

∆ ∙ 8+ ∆+

Ecuación 4-15

10,015 ∙ 0,43 10

8 ≈ 0,43, obteniendo el rendimiento de la columna (R).

El caudal elevado, q, depende directamente del caudal de alimentación y del rendimiento, por lo que para obtener el caudal de alimentación, Q, se recurrió a las fórmulas básicas de mecánica de fluidos (como la Ecuación 4-14) [4]:  =∙

Ecuación 4-14

donde A representa el área del tubo y V la velocidad de salida del fluido por el mismo, que pueden obtenerse a partir del conocimiento del diámetro y de la altura de la tubería, como se indica en las Ecuaciones 4-15 y 4-16.  % ="∙# $ 2

Ecuación 4-15

= 2 ∙  ∙ 

Ecuación 4-16

Luego, el caudal elevado será obtenido por medio de la fórmula de cálculo de ariete hidráulico, dada por la Ecuación 4-17 [3]:  = 8 ∙  ∙ ℎ,

Ecuación 4-17

En la Ilustración 4-17 se muestra una imagen de la planilla creada con los resultados obtenidos. ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Ilustración 4-17 Cálculo de impacto y caudal elevado de columna hidrostatica sobre las telas, donde qe es caudal elevado total, Tc tiempo de descarga de columna [6].

Tomando en cuenta el caudal que ingresa a las telas por medio de este proceso (qe≈0,0008m³/s), podemos deducir que su implicancia en la remoción de la denominada “torta” adherida a las telas es prácticamente insignificante, considerando el volumen de electrolito acumulado en la columna, el caudal elevado por el ariete y la presión sobre las telas con el estanque lleno (situación que ocurre actualmente). Observando la Ilustración 4-18, se puede rescatar, de manera simplificada, la interacción entre los fluidos al momento de abrir la válvula de descarga y dejar caer el electrolito acumulado en la columna. Se puede deducir que -en circunstancias de un flujo en contra corriente a través del filtro, con solución al interior- ofrecerá mayor resistencia al flujo que en el caso contrario, debido a las fuerzas de flotación y la presión ejercida por el electrolito dentro del equipo hacia los elementos filtrantes, tomando como referencia el principio de Arquímedes.

Ilustración 4-18 Esquema de situación de caída de columna hidrostática con filtro lleno

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Originalmente, la caída de flujo a la altura presupuestada por el proveedor proporcionaba un golpe en contra corriente que colaboraba en el desprendimiento del lodo adherido en las telas. Como se mencionó anteriormente, producto de las condiciones de altura en la zona de trabajo, la dimensión de esta columna debió ser disminuida, lo que afectó de manera considerable la efectividad de este proceso. A razón de estas observaciones se ha decidido cambiar la condición inicial del proceso de “cake crashing” (rompimiento de torta) por una secuencia que vacíe el filtro, removiendo el material adherido a los mismos a través de rociadores (superiores e inferiores), para que -cuando el nivel del líquido llegue al sensor LOW- se accione la válvula que dará paso a la caída de la columna hidrostática. De esta manera, el líquido proveniente de la salida tendrá menor resistencia por parte de las telas para poder realizar un rompimiento más efectivo. Para tener mejores resultados se propone, como aspecto extra a los objetivos de esta memoria, la opción de integrar una bomba centrífuga con estanque propio ( Ilustración 4-20 ), ya que la posibilidad de aumentar la altura de la columna es físicamente imposible –como se dijo anteriormente- debido que sobre los filtros circula un puente grúa (salvo que se adopte un rediseño como el que se propone más abajo, en esta misma sección). Esta bomba debe tener un caudal de operación de aproximadamente 20m³/h, con una temperatura de servicio entre los rangos de operación sobre 60ºC (el agua se encuentra aproximadamente sobre los 50ºC). Además debe tener una altura manométrica total capaz de levantar el caudal hasta la totalidad de los elementos filtrantes y el traslado del fluido desde el estanque, es decir, con una altura manométrica aproximada de 10m. Se propone buscar en el mercado una bomba centrífuga con una potencia aproximada de 4 HP. Como el estanque utilizado para la sala de máquinas contiene agua limpia (llamado estanque de agua Inacaliri), libre de partículas abrasivas, se podría obviar la necesidad de un bomba con alta resistencia a la abrasión y corrosión. A modo de ejemplo, para satisfacer los requerimientos del sistema, podría usarse una bomba centrífuga de superficie modelo 2CP 32/200C con las siguientes características expresadas en la Ilustración 4-19, la cual es de la marca Pedrollo. Se puede encontrar mayor información en la página web del proveedor.

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Capítulo 4: DESARROLLO

Ilustración 4-19 Curva característica de la bomba propuesta

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Ilustración 4-20 Diagrama de incorporación de bomba

Otra opción para mejorar el impacto de la columna sobre el material filtrante fue el mencionado previamente, el cual consiste de una modificación en sus dimensiones , tal como se muestra en la Ilustración 4-21. Para esto se supone la altura de un tronco de cono de 20 centímetros con un diámetro a calcular, el cual cumpla con las características volumétricas de una columna de 6 metros.

Ilustración 4-21 Rediseño de columna hidrostática

Para obtener el diámetro mayor de este nuevo diseño se calcula el volumen que habría si la columna cumpliera con los 6 metros de altura y el mismo diámetro de salida (Ecuación 4-18).

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0,2032 % "∙! ∙ℎ "∙# $ ∙6 2 = 0,1944< %

Ecuación 4-18

De esta manera, asumiendo las dimensiones pretendidas en el esquema anterior, se puede realizar la siguiente ecuación de igualdad para obtener un diámetro de diseño. Esta ecuación reúne los volúmenes del tronco de un cono y la de un cilindro. Volumen de un tronco de cono / = / =

"∙ℎ % (!+ + !% % + !+ ∙ !% ) 3

Ecuación 4-19

" ∙ 0,2 0,2032 % > % =# $ +  3 2 2 0,2032 ∙ !% + ? 4

El volumen de un cilindro de 8” de diámetro está dado por la Ecuación 4-20. 0,2032 % @+ = " ∙ ! ∙ ℎ = " ∙ # $ ∙ 0, 2 = 0,016< %

Ecuación 4-20

Para calcular el volumen de un cilindro de diámetro x”, se tiene la Ecuación 4-21. > % @% = " ∙ ! % ∙ ℎ = " ∙   ∙ 1,3 2

Ecuación 4-21

Igualando el volumen de la columna propuesta de 6 metros con la sumatoria de estos volúmenes previamente señalados (Ecuación 4-22), obtendremos un valor de diámetro tal que el nuevo diseño sea concluyente. = / + @+ + @%

Ecuación 4-22

Resolviendo esta ecuación de segundo grado se obtiene un valor para el diámetro superior de la columna de 0,391 metros, lo que promueve la inserción de una tubería de estas características, solicitando la manufacturación de la pieza o comprar la opción del mercado (que es de 16 pulgadas de diámetro). Este nuevo diseño tendría el mismo volumen de fluido que una columna de 6 metros como originalmente se pretendía según su proveedor, pero la presión de esta columna vendría siendo inferior debido a su altura. Esto podría corregirse adicionando aire a ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Capítulo 4: DESARROLLO

presión sobre la columna existente. Por tanto, el rediseño contempla -como condición adicional- cerrar la columna en su parte superior, agregar un transmisor de presión absoluta y una nueva válvula de control de presión de aire en la parte superior de la columna (para evitar la fuga de aire hacia el estanque y permitir presurizar el contenido de esta en un valor de 0,4bar, que equivale a la presión que ejercerían los 4m de columna de agua faltantes). Además de la actualización de lógica secuencial del programa, se considera como estado de partida de las válvulas manuales una estrangulación nula, permitiendo el libre paso tanto para drenaje como para rociadores. De esta manera se logra un mejor desempeño con respecto al tiempo de operación de vaciado y llenado del filtro, beneficiando el tiempo que este se encuentra fuera de operación. Por otra parte, dentro de las etapas de la secuencia, se identificó la existencia de una etapa correspondiente al secado de telas, lo que ha traído consecuencias importantes en la reducción de la vida útil de las mismas. Luego de varias de reuniones, se determinó eliminar esta etapa. Para una mejor comprensión de la nueva secuencia diseñada, se la explicará por medio de un diagrama de flujo (el cual fue utilizado en una reunión con la SIP y SAE, para explicar a su personal los cambios introducidos). Este diagrama tiene la misma simbología del diagrama comparativo previamente explicado en la sección 4.2.2. Como se comentó previamente, el primer gran cambio introducido fue el inicio del drenaje completo del filtro, apoyado con los rociadores, para la remoción de la capa superficial de solidos adheridos a las telas, y luego, la caída de la columna hidrostática provocada por la abertura de la válvula de salida del proceso, junto con el apoyo de la válvula de retro-lavado, para el rompimiento de torta (tal como se observa en las Ilustración 4-22 a 4-24).

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Capítulo 4: DESARROLLO

Ilustración 4-22 Diseño de secuencia lógica; Etapa de rompimiento de torta

Posterior al rompimiento, se llena nuevamente el filtro hasta el nivel alto para luego aplicar una agitación por aire de 5 minutos. Previo a esto, se cierran todas las válvulas -menos la de venteo- para evitar un exceso de presión al interior del filtro (véase Ilustración 4-22). Se decidió, junto con la SIP, disminuir el tiempo de agitación por aire para aumentar la velocidad del proceso de lavado, ya que -a nivel de impacto en la remoción de acreciones- el efecto de la columna hidrostática es el principal agente.

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Capítulo 4: DESARROLLO

Ilustración 4-23 Diseño de secuencia lógica; Llenado y agitación por aire

Luego de la agitación se ejecuta el proceso drenaje y remoción por medio de rociadores, junto con la acción de la sacudida de las telas o aireación del proceso (como se señala en Ilustración 4-23). Las válvulas de entrada de aire se mantienen abiertas mientras se drena el filtro, acompañado por la remoción mediante agua -para maximizar el desprendimiento de las acreciones- hasta llegar al nivel bajo del filtro. Se concluye de esta forma la subrutina de un lavado simple, como se observa en la parte superior de la Ilustración 4-24. Si se continúa con una receta de lavado doble, se cierran las válvulas de aire y drenaje, para volver a llenar el filtro hasta el nivel alto. Las entradas de aire se cierran para evitar el movimiento excesivo del líquido dentro del filtro (lo que podría producir una incorrecta indicación de que se alcanzó el llenado) hasta la zona alta del mismo. Una vez recibida la señal de estado desde el sensor HIGH, se cierran las entradas por parte de los rociadores y agua de retro-lavado, para luego repetir el proceso de agitación de telas durante 5 minutos, tal como se señala en la Ilustración 4-24.

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Capítulo 4: DESARROLLO

Ilustración 4-24 Diseño de secuencia lógica; Fin de lavado simple e inicio de lavado doble

Al igual que en las etapas anteriores, concluida la agitación de las telas se inicia el drenaje del filtro con la participación de los rociadores y válvula de retro-lavado para la remoción de lodos, hasta que se activa el sensor de nivel LOW. Posterior a esto comienza la etapa de reinicio del proceso (Ilustración 4-25), donde se cierran las entradas de aire y retro-lavado, dejando en actividad los rociadores -durante 30 segundos- para concluir la remoción de sólidos. Luego de 1 minuto adicional, se cierra el drenaje con el objeto de asegurar la evacuación completa del líquido dentro del filtro y la remoción del lodo acumulado en la zona basal del equipo.

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Capítulo 4: DESARROLLO

Ilustración 4-25 Diseño de lógica; Drenaje de lavado doble, comienzo de reinicio

Como el fin de estimar posibles resultados, en cuanto a tiempo de inactividad del filtro luego de la operación de retro-lavado, se realizó una gráfica comparativa con la secuencia anterior (ver Ilustración 4-26), obteniendo una disminución de tiempo de inactividad para el filtrado de electrolito de alrededor de 12 minutos, a pesar del aumento en las etapas de drenaje del filtro.

PORCENTAJE DE VOLUMEN DE LIQUIDO EN EL FILTRO

COMPARACION DE DISEÑOS 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0

5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 TIEMPO EN MINUTOS NUEVO DISEÑO

SECUENCIA ACTUAL

Ilustración 4-26 Comparación de con respecto al tiempo de secuencias de retro lavado.

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Capítulo 4: DESARROLLO

Se puede apreciar las diferencias sustanciales del proceso de lavado al comenzar el vaciado del filtro con los rociadores de agua activados para la remoción de material adherido a las telas y mantener las mismas húmedas hasta que se active el sensor de nivel LOW del filtro. Luego se detienen los rociadores y se da inicio a la etapa de inflado de telas mediante la caída de columna hidrostática y el apoyo de la válvula de retro- lavado, para el rompimiento de torta. Siguiente a esto, se comienza el llenado del filtro nuevamente hasta llegar al sensor HIGH y comenzar con la etapa de agitación por aire, deteniendo los rociadores y la entrada de retro-lavado, con la finalidad de mover las telas para un mayor desprendimiento de sólidos. Luego se vacía nuevamente el filtro y se drenan las partículas en suspensión, con el apoyo de las entradas de agua del filtro, para impedir que se sequen las telas y que estas pierdan sus capacidades filtrantes. Para el proceso de lavado doble se continúa con un nuevo llenado de agua hasta el nivel HIGH del filtro, cerrando la entrada de aire inferior para evitar una agitación mayor del líquido dentro de él. Concluida esta etapa, se acciona nuevamente el proceso de agitación de aire con las entradas de agua cerradas, al igual que el drenaje, realizando un nuevo desprendimiento de sólidos en las telas. Se anexa diagrama de bloques de nueva secuencia y esquemas de la operación del filtro en Anexo E.

4.2.4 Programación Para la reprogramación se utilizó la metodología previamente ocupada, junto con su misma nomenclatura de variables (Ilustración 4-27), ya sea de sensores de estado como de solenoides de activación. Esta metodología consiste en que, a medida que se van cumpliendo ciertas condiciones, la situación del programa desencadena otras acciones de manera cronológica y controlada.

Ilustración 4-27 Nomenclatura de TAG de sensores

Se basó la programación con la lógica secuencial de tareas en lenguaje KOP (Ver Ilustración 4-28), el cual consiste en una primera etapa de lectura de condiciones de los estados de las válvulas y sensores de nivel, los cuales van dando pie a que se ejecuten las distintas etapas de la secuencia lógica.

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Capítulo 4: DESARROLLO

Para la activación de los solenoides se utilizan variables auxiliares que comandan las válvulas del proceso, las que se encuentran en otra función dentro del PLC denominada “VALVES”, la cual no fue modificada debido a que su funcionamiento no presentaba anomalías al momento de accionar o activar alarmas, dependiendo de la situación del sistema o la orden solicitada. Dentro de la función de retro-lavado se llaman a estas variables auxiliares para activar los solenoides de las válvulas según la etapa en la que se encuentran, ofreciendo de esta manera una certeza de que -en las etapas indicadasestos solenoides darán paso a la apertura de las válvulas correspondientes (ver Ilustración 4-29).

Ilustración 4-28 Secuencialidad de tareas programadas

Ilustración 4-29 (izquierda) instrucción de accionamiento de válvula en función de la etapa que se encuentre el retro-lavado; (derecha) el control de solenoide de válvula.

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Capítulo 4: DESARROLLO

Las condiciones de retardo o temporizadores son programadas fuera de la red principal, donde se invoca a los valores impuestos en el panel de control o PDA. En cada caso se llama al inicio del contador una vez que la etapa esté en operación. Para los temporizadores se usó la función cuenta regresiva, la cual está predeterminada en el software Step7 (S_CD13), donde S es la señal de inicialización del contador, PV es el valor del tiempo predefinido desde consola o panel de control, tal como se observa en la Ilustración 4-30.

Ilustración 4-30 Temporizador de agitación por aire para retro-lavado simple del filtro Nº003

4.2.5 Puesta en marcha

Para esta etapa se planificó y coordinó con SAE, PDA y Operaciones para conocimiento de todas las áreas involucradas con el funcionamiento de los filtros clarificadores. Se entregó un plan de trabajo que consta de 2 etapas claves previas a la puesta en marcha y conclusión de resultados, las que se indican a continuación. 4.2.5a Etapa de pre-condicionamiento Durante los primeros días del proceso de cambio de programa es necesario, antes de modificar cualquier programa en el PLC de control, hacer una revisión completa de las válvulas de control, y su correcto funcionamiento, hacer un seguimiento completo de las señales, y confirmar físicamente el funcionamiento óptimo de válvulas y sensores. Se realizará –además- un análisis eléctrico a los contactores de cada actuador, así como se verificará el buen funcionamiento de todos los sensores. De esta manera, se podrán descartar -en las próximas etapas- fallas de instrumentación.

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Abreviación para “ Set Countdown”

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Capítulo 4: DESARROLLO

4.2.5b Etapa de transición Se considera un tiempo prudente de marcha blanca, en el cual se detecten problemas en el nuevo programa, realizando pruebas y comprobando en terreno su funcionamiento correcto en relación a la secuencia establecida de diseño. Se deben ajustar las válvulas manuales, para que estas se desempeñen en apoyo al proceso, dejándose la estrangulación nula para las válvulas de entrada de agua y de drenaje, para minimizar el tiempo de operación. En cuanto al recurso de agua de la refinería, como sugerencia futura, se recomienda un horario de utilización de agua en los instantes de cambio de turno, para asegurar una priorización del recurso para el lavado del filtro. Además de explicar el proceso a los nuevos circuladores y las nuevas condiciones de tiempo que podrán modificar en el panel de control impuesto en terreno (para que no modifiquen los valores definidos y, si es que llegase a existir una situación en la cual tengan la obligación de hacerlo, conocer los parámetros originales para que puedan restaurarlos a posteriori). Cabe destacar que en el panel de control no se realizaron modificaciones, y sólo se realizó una explicación de su funcionamiento y operación para el personal a cargo de los filtros. Terminados estos 2 procesos, se puede continuar con la puesta en marcha del nuevo programa de retro-lavado para todos los filtros, realizando un programa igual e independiente para cada uno de ellos. Es necesario señalar que, a pesar de las distintas dimensiones y capacidades de las celdas en distintos circuitos hidráulicos y para distintos filtros, la contaminación del electrolito no depende directamente de las cantidades de ánodos ingresadas, sino más bien de la calidad de este, ya que la cantidad de sólidos en suspensión es un porcentaje masa en volumen de una muestra específica.

4.3 Estandarización de la programación El proceso de estandarización de la programación será llevado a cabo luego de concluidas las pruebas en el filtro Nº003, considerado como piloto para la implementación de la nueva lógica de retro-lavado. Posteriormente, se llevará a cabo la transición de programa a los filtros restantes, a partir del diagrama lógico diseñado, evitando posibles errores. Para ello se supondrá que se copiará el programa de manera directa y que se intercambiarán sólo las variables definidas para el filtro correspondiente, evitando los errores que se cometieron en el pasado (como lo fueron la existencia de instrucciones entre cruzadas entre los filtros, provocando un incorrecto funcionamiento y un lavado incompleto). Para culminar con la estandarización, se realizarán pruebas de condicionamiento en los filtros Nº004 y Nº005 para confirmar el correcto funcionamiento de la instrumentación de cada uno de ellos, los que podrían presentar sensores en mal estado u otros defectos

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Capítulo 4: DESARROLLO

posibles de detectar. Luego de corregidos los posibles problemas y de aprobado el chequeo de la instrumentación, se realizarán pruebas de la nueva programación de retrolavado en dichos filtros.

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Capítulo 5: CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

Capítulo 5

CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO 5.1 Conclusiones El beneficio específico de esta actualización consistió en definir un adecuado funcionamiento lógico de los filtros, consecuente al nuevo diseño del proceso de retrolavado, que potenciará la disminución del deterioro de los componentes internos de los filtros, tanto en su mecánica interior como en el material filtrante a utilizar.

5.1.1 Conclusiones a nivel de dispositivos y elementos de máquina En cuanto a la condición interior del filtro clarificador, se puede concluir que la forma de utilización de los rociadores genera -en el proceso de retro-lavado- deficiencias en la etapa de escurrimiento del material sobre las telas. Del análisis realizado sobre el modo de operación del sistema, es posible concluir que la agitación por aire de las telas -definida en la etapa de retro-lavado vigente- es inadecuada, puesto que sólo estanca el líquido dentro del filtro y no produce remoción ni limpieza efectiva para los elementos filtrantes. Como conclusión general se puede rescatar que la idea de optimizar el proceso a través del cambio de secuencia lógica de retro-lavado y el correcto funcionamiento de la ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Capítulo 5: CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

electromecánica de los equipos, no se obtendrá el impacto esperado en el lavado de telas debido a estas deficiencias mecánicas, ya que si consideramos la situación de las salidas de aire, las cuales están obstruidas completamente, el proceso de agitación no existe. Este aspecto se considera de alta relevancia ya que puede existir una lógica operacional acorde a lo requerido; pero si las condiciones de máquina se mantienen de la forma actual, estas desfavorecen cualquier intención de mejora del proceso, por lo que es necesario tomar medidas tales como la mantención periódica de los elementos internos. Lamentablemente en la actualidad no existen repuestos para las boquillas restantes, por lo que se recomienda la inclusión de stock.

5.1.2 Conclusiones a nivel de control e instrumentación Se realizó un levantamiento de la lógica de operación de los filtros, previo al trabajo de memoria, y se realiza una comparación con lo pretendido por el proveedor de los filtros, analizando sus diferencias y diagnosticando la situación logística en la que los filtros se encontraban. La unidad de control, terminado este proceso, quedó en buen estado, corrigiéndose los problemas de las diferencias existentes en la programación de la etapa de retro-lavado. Se propusieron cambios que eliminan las fallas instructivas que presenta el sistema actual, que da lugar a un bucle sin condición de salida, logrando completar el proceso de retro-lavado sin deficiencias en la secuencia y favoreciendo el tiempo fuera de operación durante el lavado de telas. Analizando las operaciones y lo programado se prevé un funcionamiento exitoso, cumpliendo a cabalidad las instrucciones programadas, lo que no descarta que en un futuro -dependiendo de las condiciones de los contaminantes en el electrolito o situaciones no consideradas en este diseño- se requiera nuevamente modificar la lógica de funcionamiento del equipo.

5.1.3 Conclusiones a nivel de proceso El diseño de la nueva secuencia del proceso de retro-lavado se modificó de manera completa para lograr un impacto mayor en la etapa de rompimiento de torta, ya que -por simple aplicación de física general- se puede deducir que el golpe de la columna hidrostática será más determinante si no existe presión del electrolito rodeando las telas, tal como se esquematizó en la Ilustración 4-18. A pesar del correcto funcionamiento del filtro por medio de lo programado, se deben considerar estas conclusiones como preliminares, debido a que es posible que se cambien los materiales filtrantes por uno con mejor respuesta al lavado, beneficiando la vida útil de las telas y una continuidad en el proceso de filtrado.

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Capítulo 5: CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

5.2 Propuestas y trabajo futuro 5.2.1 Elementos filtrantes Junto con esta memoria se inició una investigación y prueba de un nuevo tipo de telas filtrantes, las cuales pretenden optimizar la remoción de acreciones en la etapa de retrolavado. Se pretende estudiar la posibilidad de ocupar un material distinto, más ralo y sin costuras interiores, como el que se aprecia en la Ilustración 5-1. Esta actualización tiene como objetivo el facilitar la remoción de acreciones de las telas filtrantes mediante el proceso de retro-lavado de cada filtro.

Ilustración 5-1 Comparación de telas filtrantes. En lado izquierdo: elemento en estudio; a la derecha: actuales elementos filtrantes

Los resultados de este estudio no estaban disponibles al término de esta memoria, por lo que no fueron incluidos.

5.2.2 Optimización de proceso y planificación Se sugiere integrar una bomba centrífuga en la tubería de retro-lavado, de manera que apoye al flujo para que se logre un impacto mayor al momento de inflar las telas. Esta es una de las opciones que se podría barajar dentro de un futuro no muy lejano. Además, como alternativa más económica, se promueve un rediseño de las dimensiones de la columna hidrostática dentro de los márgenes permitidos por el espacio de trabajo. Este rediseño fue profundizado en el capítulo anterior. Adicional a esto es posible incorporar una inyección de aire para aumentar la presión a la columna desde la parte superior de esta, mediante una válvula de control. También se sugiere que se disponga de un abastecimiento de agua único e independiente para el sistema de retro-lavado de los filtros. Durante el periodo de estudio del proceso se pudo observar que -debido al compromiso del agua con la sala de máquinas (cuando hay procesos o trabajos que requieren agua al mismo tiempo), la presión de esta disminuye a niveles que incluso podría llegarse a la nulidad del ERNESTO ANTONIO CONTRERAS HASBUN

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Capítulo 5: CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

suministro. Como una propuesta de solución a corto plazo se sugiere realizar el lavado de los filtros durante los horarios de cambio de turno, debido a que durante ese periodo el consumo del suministro de agua para la sala disminuye por razones del movimiento del personal, favoreciendo la disponibilidad del recurso para las tareas de limpieza del filtro de electrolito. Cabe destacar la existencia de válvulas manuales en el filtro clarificador, las cuales cumplen la función de válvulas estranguladoras o limitadoras de caudal, para definir las velocidades máximas de descarga o llenado, dependiendo del proceso del filtro. Estas válvulas regulan el flujo para rociadores, drenaje, retro-lavado y aire. La dificultad que se presenta con esta situación es la de la manipulación indiscriminada de estas válvulas, por lo que se propuso la intervención de las mismas, retirando la palanca con las que se puede modificar su posición manualmente o bloqueándolas luego que se establece su posición normal de trabajo (la cual se define en la etapa de puesta en marcha). Con respecto a la situación presente en el interior del filtro, es importante que se realice una mantención periódica a dichos elementos, además de recuperar e implementar nuevamente las boquillas pertenecientes a los rociadores, para aumentar la presión y velocidad del agua utilizada en la remoción de acreciones en las telas. También es necesario mantener las salidas de aire del filtro, ya que -al momento de realizar un cambio de telas- estas se encontraban totalmente obstruidas por el lodo seco. Crear un plan de mantención preventiva, el cual sea realizado durante el proceso de cambio de elementos filtrantes, para que no exista la necesidad de abrir de manera reiterada el filtro y de esta forma darle continuidad al proceso. Con respecto a la bomba de alimentación de electrolito hacia los filtros sería útil recomendar -para la mayor eficiencia del proceso de filtrado- la activación del modo de retro-lavado automático, independiente de la presión diferencial existente en el filtro, lo que permitirá un mayor caudal de electrolito filtrado durante más tiempo. Sin embargo, las tuberías de transmisión del fluido son de PVC y tienden a romperse, sobre todo en las singularidades existentes en el recorrido hacia los filtros, provocando pérdidas de material y detención del proceso. Por lo tanto, es prudente realizar un cambio en el sistema de pipping por un material con mayor resistencia y con una buena reacción a la calidad ácida del electrolito. Se podría pensar en acero inoxidable, lo cual implica una inversión de alto costo, o tuberías de HDPE, con un costo menor.

5.2.3 Programación Dentro del proceso de estandarización de la programación de la etapa de retro-lavado de los filtros clarificadores se propone estandarizar el programa completo de los mismos en el lenguaje global de las máquinas pertenecientes a la nave de refinería, el cual sea de conocimiento general por el personal de la SAE, quien tiene a cargo la supervisión y mantención dentro de la Subgerencia de refinería. El lenguaje de programación utilizado

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Capítulo 5: CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

es CFC14, el cual interconecta funciones de manera gráfica, facilitando su comprensión y modificación.

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Continuous Function Chart (Diagrama de funciones continuas)

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Bibliografía 1. Division Codelco Norte. Sistema de entrenamiento basado en computador. Calama : s.n. 2. CODELCO. https://www.codelcoeduca.cl/. Codelco Educa. [En línea] 3. F., Concha. Manual de filtracion y separacion, 1ª Edicion. Talcahuano, Chile : Editorial Diario del Sur, 2001. 4. LAROX. Polishing filtration. Curso de operacion filtros clarificadores. Calama : s.n., 2012. 5. www.grupo-maser.com. [En línea] [Citado el: 18 de Abril de 2012.] http://www.grupomaser.com/PAG_Cursos/Auto/auto2/auto2/PAGINA%20PRINCIPAL/PLC/plc.htm. 6. Jimenez, Jose Manuel. El ariete hidraulico. s.l. : Fundacion Tierra, 2005. 7. Siemens. http://www.industry.siemens.com. [En línea] Siemens. http://www.industry.siemens.com/topics/global/es/tia-portal/controller-sw-tiaportal/simatic-step7-professional-v11/lenguajes-de-programacioniec/pages/default.aspx. 8. Shames, Irving H. Mecánica de fluidos. s.l. : McGraw-Hill, 1995.

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Anexo A DIAGRAMA P&ID

Anexo A DIAGRAMA P&ID Diagrama de instrumentación y tuberías para filtro clarificador de electrolito

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Anexo A DIAGRAMA P&ID

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Anexo B Esquema de secuencia de

retro lavado realizado por LAROX

Anexo B ESQUEMA DE SECUENCIA DE RETRO LAVADO REALIZADO POR LAROX Se presenta el proceso de retro lavado dispuesto por la comisión Larox.

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Anexo B Esquema de secuencia de

retro lavado realizado por LAROX

B.1 Diagrama de Flujo de Lavado sugerida por Larox RETRO LAVADO SIMPLE

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Anexo B Esquema de secuencia de

retro lavado realizado por LAROX

RETRO LAVADO DOBLE

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Anexo B Esquema de secuencia de

retro lavado realizado por LAROX

B.2 Secuencia de lavado propuesta por Larox

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Anexo C

Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

Anexo C TABLA DE SEGUIMIENTO PARA MONITOREO Y DIAGNÓSTICO DE INSTRUMENTACIÓN

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Tabla de seguimiento para monitoreo y diagnóstico de instrumentación

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Anexo D

Panel de Control y HMI

Anexo D PANEL DE CONTROL Y HMI Descripción general de panel de control e interfaz de maquína usuario.

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Anexo D

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Panel de Control y HMI

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Panel de Control y HMI

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Panel de Control y HMI

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Anexo E:

Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado

Anexo E Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado.

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Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado

E.1 RETRO LAVADO SIMPLE

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Anexo E:

Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado

E.2 RETRO LAVADO DOBLE

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Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado

E.3 Secuencia de lavado establecida posterior al trabajo de memoria.

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Anexo E:

Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado

E.3.1 Esquema general retro lavado simple.

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Anexo E:

Secuencia de operación de nuevo diseño de retro lavado

E.3.2 Esquema general retro lavado doble

E.3.3 Esquema general vaciado de filtro

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