Practica Osmosis Inversa

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VILLAHERMOSA

REPORTE DE PRÁCTICA: ESTUDIO DE OSMOSIS INVERSA MATERIA: INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL CATEDRÁTICO: EDUARDO MANUEL OSORIO BAUTISTA AULA: K-53 HORARIO: 11:00-12:00 PM. INTEGRANTES “EQUIPO #8”:

KAREN CHRISTELL DÍAZ REYES. MARÍA DEL RUBÍ FLORES COLLADO MARIEL IXCHEL YANES RUIZ. DIEGO ZAPATA ISIDRO LIZBETH ALEJANDRA DE LA CRUZ BLAS DANIELA SARAI LEYVA LANDERO

INTRODUCCIÓN Este reporte de práctica trata sobre el proceso de la ósmosis Inversa en su aplicación para el suministro de agua potable. A lo largo de la misma, se expone de manera muy ligera en qué consiste y qué es el fenómeno de la Ósmosis y la Ósmosis Inversa, se mostrara una descripción acerca del equipo para el estudio de osmosis inversa que se encuentra en el laboratorio de ambiental del ITVH y aplicaciones experimentales de tal equipo. El uso de sistemas de ósmosis inversa en la industria de acondicionamiento del agua sigue aumentando. A medida que aumenta el número de sistemas en servicio, es importante que los profesionales de la industria de calidad del agua expandan sus conocimientos sobre esta tecnología. Mediante la aplicación de presión a un fluido en un lado de una membrana semipermeable, es posible invertir el flujo natural de agua pura a partir de una zona de alta concentración de sal a una de baja concentración. Este proceso se llama ósmosis inversa. Los suministros de agua privada, no regulada pueden contener otras impurezas, tales como altos niveles de orgánicos, hierro, manganeso, sulfuro de hidrógeno, y otros constituyentes que pueden afectar el rendimiento y duración de las membranas de ósmosis inversa, pero no se discuten en este artículo. La ósmosis inversa es un proceso en el que el agua es alimentada a una membrana semipermeable. En la superficie de la membrana, el agua es separada de su contenido de minerales disueltos totales. En este punto del proceso, el agua purificada, al pasar por la membrana, es capturada y se convierte en agua de permeado (también conocida como agua de producto) y el agua residual es enviada al drenaje. El proceso de ósmosis inversa tiene efectividad de remoción del 85 al 95 por ciento de iones, del 99 por ciento de impurezas microbiales y hasta el 99 por ciento de orgánicos de alto peso molecular. Puesto que la ósmosis inversa es una tecnología de remoción porcentual, el agua de ósmosis inversa producida no puede ser llamada agua de “alta pureza”, la cual se mide en ppm y ppb de

contaminantes iónicos. Sin embargo la osmosis inversa es ideal para aplicaciones tales como el lavado de vidriaría y el pretratamiento para destilación o desionizacion. La aplicación de ósmosis inversa gana mercado día con día desplazando otras tecnologías. En la potabilización de agua en el suministro de agua de municipios, hogares, purificadoras, fabricantes de hielo, agua de sabor, tequila e industria vitivinícola. Producción de lácteos, alimentos enlatados, dulces, helados, paletas y un sinfín de bebidas y alimentos. Otras aplicaciones no menos importantes es la industria química, electrónica en el lavado de tarjetas, metal mecánica en galvanoplastia.

OBJETIVO: La finalidad de este proceso es eliminar el exceso de concentración de sal disuelta en el agua, cuando por ser muy elevada causa problemas en procesos industriales o deja de ser potable. OBJETIVOS ESPECIFICOS: 

Identificar las partes que conforman al equipo de osmosis inversa.

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Identificar cuáles son los instrumentos de control que lo conforman al equipo de osmosis inversa (presión, temperatura, caudal y nivel).

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Conocer los fundamentos para el proceso de la osmosis inversa. MATERIAL Y EQUIPO

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Equipo de osmosis inversa

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Agua (20-40 litros)

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Bata de laboratorio

MARCO TEÓRICO PRINCIPIOS DE LA OSMOSIS INVERSA OSMOSIS NATURAL O DIRECTA La osmosis es un proceso natural que tienen lugar en todas las células vivas, y que permite obtener agua relativamente pura a partir del agua del medio natural, por la difusión y paso de las membranas de las células de carácter semipermeable (solamente pasa el agua de zonas de baja concentración en sales, el exterior de la célula, a zona de alta concentración, el interior de la célula), puede resumirse por el fenómeno por el cual el disolvente, agua, en este caso, de una disolución diluida, pasa a través de una membrana permeable sólo el disol vente, y que no permite el paso de los solutos a su través. El proceso de paso de agua a través de esta membrana semipermeable continúa hasta el punto de equilibrio, intentando igualar las concentraciones de solutos a ambos lados de la membrana. El movimiento de un agua pura para igualar las concentraciones de sal en cada lado de l a membrana genera una presión llamada “presión osmótica ‘.

MEMBRANAS SEMIPERMEABLES Se da el nombre de membrana semipermeable a cualquier membrana ya sea vegetal, animal o sintética, que deja pasar con más facilidad el agua que las sales contenidas en una disolución. Un ejemplo de la osmosis natural, es el hecho de como las plantas extraen el agua pura contenida en

el suelo a través de las raíces, para diluir la alta concentración de sabia, que se va concentrando constantemente por la evaporación de agua por las hojas. En todos los procesos de osmosis natural el agua pura obtenida, se convierte en una disolución concentrada de sales y azúcares que conforman los fluidos vitales de los seres vivos. ÓSMOSIS INVERSA Ósmosis Inversa (RO) es un método de filtración que elimina muchos tipos de moléculas grandes y de iones en las soluciones mediante la aplicación de presión a dichas soluciones cuando se está a un lado de una membrana selectiva o semipermeable. El resultado es que las sales se retienen en el lado presurizado de la membrana, y se permite que el agua pura pare al otro lado. La membrana no debe permitir el paso de grandes moléculas o iones a través de los poros (agujeros), pero debe permitir que los componentes más pequeños de la solución (es decir, el agua en sí misma) pasen libremente. La RO es más comúnmente conocida por su uso en la purificación de agua potable a partir de agua de mar y agua salobre o de aguas residuales, mediante la eliminación de sales y otras sustancias no deseadas en el agua. También proporciona los más altos niveles en todos los métodos de filtración disponibles, y se utiliza a menudo en combinación con otros métodos a fin de optimizar los parámetros de rendimiento y funcionamiento generales del sistema, basado en la calidad del agua de alimentación.

Figura 1: Proceso de osmosis natural y osmosis inversa.

MEMBRANAS Y MODULOS DE OSMOSIS INVERSA Los avances de la tecnología han logrado m embranas de permeabilidad controlada, lo cual permite la separación de moléculas de peso molecular muy próximos, uno de los primeros materiales empleados fueron acetato de celulosa  (CA) muy poco utilizado actualmente ya que se han encontrado materiales mucho más resistentes como son las poliamidas, (PA). En el grupo de las poliamidas, las que han tenido más éxito son las denominadas TFC (Thin Film Composite) o de película delgada la cual se fabrica en forma de sabana mediante la unión química de enlaces cruzados de la poliamida depositada sobre un soporte de polisulfona, es importante que todas las membranas denominadas como TFC se fabrican como lo anteriormente descrito, ya que muchos fabricantes se limitan a pegar la membrana sobre el soporte no ofreciendo las mismas garantías. La capa semipermeable oscila entre una anchura de 0,25 a 0,5 micras. Las membranas se encuentran en el mercado en diferentes configuraciones y se montan dentro de contenedores normalmente cilíndricos denominados porta membranas, diseñados mecánicamente para resistir presiones de trabajo y ser químicamente resistentes a las aguas a tratar, el rango de las presiones utilizadas es muy variable dependiendo de las aplicaciones: - Uso doméstico o pequeños equipos de 3 a 8 kg/cm2 . - Aguas de salinidad media de 8 a 21 kg/cm2 . - Aguas salobres de 21 a 40 kg/cm2 - Agua de mar de 50 a 78 kg/cm2 . Los materiales de construcción empleados son normalmente PVC o polietileno de alta densidad para presiones inferiores a 8 kg. y para presiones superiores acero inoxidable y poliester reforzado con fibra de vidrio. Al conjunto de la membrana y el portamembrana se le denomina modulo de osmisis inversa y como máxima contiene 6 membranas. Lógicamente cada modulo tendrá una entrada de agua de alimentación y dos salidas una para permeado y otra para rechazo.

Figura 2: Porta membrana para osmosis inversa.

CONFIGURACIONES MEMBRANAS TUBULARES Como su nombre indica consisten en tubos de 1,5 a 3 metros de longitud y de 1/2 pulgada a 1, cuya pared exterior es la membrana y se montan concéntricamente un tubo dentro del otro recogiéndose el producto en la pared exterior de la membrana o bien por pequeños orificios practicados en la pared del contenedor por los cuales gotea el producto. Actualmente está en desuso en el tratamiento de aguas por su escasa superficie y productividad utilizándose sobre todo en la industria alimentaria ya que permite la circulación de líquidos muy cargados y se limpian con gran facilidad.

Figura 3: Membranas Tubulares.

MEMBRANAS PLANAS Generalmente de formato cuadrado, rectangular o circular que se montan sobre bastidores os cuales se agrupan de la misma forma que las placas en un filtro prensa. El agua de rechazo y permeado salen por unos pequeños tubos desmontables lateralmente y si unimos esto a que las placas son separables entre si tenemos un sistema perfectamente lavable, esto hace que su utilidad se dé fundamentalmente en la industria farmacéutica y alimentaria ya que son perfectamente esterilizables y permite recuperar fluidos a tratar como los productos generalmente muy valiosos. No se suelen utilizar en el tratamiento de aguas.

Figura 4: Membranas Planas.

MEMBRANAS DE FIBRA HUECA Están constituidos por millones de capilares huecos, como cabellos, cuyos extremos se insertan en un soporte de resina epoxi. El agua de alimentación circula por el exterior de las fibras mientras que el agua de permeado se recoge en el interior del capilar vertiendo en una cámara de recogida. Generalmente operan a una presión de 28 k g./cm2 y se comercializan en diámetros de 4 y 8 pulgadas con longitudes de 20 y 40”. Tiene la ventaja de tener una mayor productividad por su gran área en

poco espacio ocupado, pero presentan unos problemas serios de ensuciamiento y un elevado costo de reposición. Hace unos años era el tipo que predomi naba y ha quedado relevada prácticamente a la desalinización del agua de mar.

Figura 5: Membranas de Fibra Hueca.

MEMBRANAS ESPIRALES Son las más utilizadas en el tratamiento del agua. Consisten en membranas dobladas en forma de sobre y en cuyo interior se coloca un material espaciador que forma el canal de alimentación. Sobre las membranas se dispone un tejido poroso que actúa como canal del producto, todo este conjunto se enrolla sobre un tubo perforado de PVC que actúa como colector final, se fabrican en diámetros de 1.5, 1.8, 2, 2.5, 4 y 8 “ y en longitudes de 12, 14, 21 y 40”, presentan una pr oductividad que las de

fibra hueca, pero esta desventaja queda ampliamente compensada por las siguientes ventajas: - Mucho más económicas. - Muy resistentes al ensuciamiento lo que permite trabajar con aguas más cargadas. - Fácil reposición.

- Mayor facilidad y efectividad de lavado. - Mejor control de la calidad de fabricación.

Figura 6: Membranas Espirales.

APLICACIONES DE LA OSMOSIS INVERSA Entre 1950 y 1970, se llevaron a cabo innumerables trabajos a fin de implementar el uso de la osmosis inversa en la desalación de aguas salobres y agua de mar. A partir de 1970, esta técnica comenzó a ser competitiva, y en muchos casos superior a algunos de los procesos y operaciones unitarios usados en concentración, separación y purificación de fluidos. Hay razones para justificar esta creciente supremacía, ya que la osmosis reúne características de excepción, como:

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Permite remover la mayoría de los sólidos (inorgánicos u orgánicos) disueltos en el agua (hasta el 99%).

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Remueve los materiales suspendidos y microorganismos.

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Realiza el proceso de purificación en una sola etapa y en forma continua.

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Es una tecnología extremadamente simple, que no requiere de mucho mantenimiento y puede operarse con personal no especializado.

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El proceso se realiza sin cambio de fase, con el consiguiente ahorro de energía.

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Es modular y necesita poco espacio, lo que le confiere una versatilidad excepcional en cuanto al tamaño de las plantas: desde 1 m3 /día, a 1.000.000 m 3/día.

La osmosis inversa puede aplicarse en un campo muy vasto y entre sus diversos usos podemos mencionar:

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Abastecimiento de aguas para usos industriales y consumo de poblaciones.

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Tratamiento de efluentes municipales e industriales para el control de la contaminación y/o recuperación de compuestos valiosos reutilizables.

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En la industria de la alimentación, para la concentración de alimentos (jugo de frutas, tomate, leche, etc.).

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En la industria farmacéutica, para la separación de proteínas, eliminación de virus, etc. Se han efectuado numerosas experiencias para concentrar y purificar líquidos y gases. No obstante, las aplicaciones más difundidas son las que trataremos a continuación.

PROCEDIMIENTO PARA EL EQUIPO DE ESTUDIOS DE OSMOSIS INVERSA ARRANQUE: Para poder arrancar el equipo debemos cuidar que todos los parámetros queden en el rango preestablecido, ver hoja de especificaciones y de bitácora del equipo. El procedimiento inicial de arranque, será el siguiente: 1. Revisar que estén abiertas las válvulas de: entrada y concentrado, así como las entradas y las salidas en cada envase de las membranas que estén en operación. 2. Revisar que estén cerradas las válvulas de: monitoreo de calidad de agua. 3. La recirculación del equipo esta calibrada con un orificio para mantener alto flujo a la presión de operación normal de 60 psi, no requiere ajuste. 4. La válvula de ajuste de concentrado tiene un orificio pre calibrado para evitar que se cálcele el flujo de concentrado a drenaje a cero. Debe estar abierta al arrancar y cerrar lentamente hasta alcanzar la presión deseada para las membranas, en operación normal esta válvula se dej a en una posición y no se toca. 5. Revisar alimentación de 127 o 220 VAC. 6. Se hace fluir agua dentro del sistema y una vez que se haya purgado todo el aire del mismo se puede proceder a encender la bomba del equipo. 7. Se ajusta la presión de operación que puede incrementar un poco si la calidad del agua entrante es mayor a los establecido 8. Se registran los datos de las condiciones de operación en la hoja de la bitácora.

CALIBRACIÓN: 1. Una vez que fluye el agua de entrada hay que esperar uno o dos minutos para que se homogenice la concentración de sales. 2. Revisar las presiones de operación, la conductividad y los flujos; todos los parámetros son importantes. 3. El primero en ajustar es el flujo de concentrado (que va a drenaje), debe calibrarse evitando que el agua de rechazo no llegue a saturación con la válvula reguladora de presión. Antes se debe calcular el porcentaje de recuperación que se puede obtener según la calidad del agua de entrada. Verificar la proyección recomendada por el fabricante de l as membranas. 4. Se debe constantemente observar que los rangos de presión no excedan los permitidos, esto es 80 psi para la presión de entrada a filtro de cartucho y de 100 psi la presión de salida de membranas. 5. Si existe algún problema para calibrar repetir el paso 3, si aún así no se puede esto puede indicar que existe algún problema. 6. Los demás parámetros son resultado del ajuste, estos son: la presión de entrada a filtros. La calidad del agua producto depende de la concentración que se haga, a mayor concentración menor será la calidad. El flujo de producto depende de la presión y del estado de l as membranas. 7. El sistema entonces se deja operando y se recomienda cada día hacer un lavado con agua producto abriendo la válvula de concentrado, bajando la presión y mejorando la calidad del producto, durante un minuto para después continuar otra vez en las condiciones anteriores. PARO: 1. El proceso de paro y arranque continuarán en forma m anual ó automática (siempre y cuando tenga el equipo opcional automático). 2. De quererse hacer un paro manual se recomienda dejar el equipo con agua producto internamente y cambiarla todos los días, o bien agregar bisulfito de sodio o algún inhibidor bacteriano si se para por más de una semana.

RESULTADOS EQUIPO DE ESTUDIOS PARA OSMOSIS INVERSA DEL LABORATORIO DE AMBIENTAL (ITVH) En el instituto tecnológico de Villahermosa se cuenta con un equipo de osmosis inversa que está localizado en el laboratorio de ambiental, el cual se utiliza para la comprensión del proceso que este lleva a cabo así como sus partes, ventajas, desventajas y aprender a ponerlo en marcha. APLICACIONES EXPERIMENTALES DEL EQUIPO1

Dentro del trabajo que este equipo tiene que realizar entran aplicaciones de diferentes índoles como pueden ser:

1

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Determinación de la presión osmótica.

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Aplicación de la ecuación de Van´t Hoff y ecuación de Kohlrausch

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Determinación de la eficiencia de una membrana de osmosis inversa.

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Determinación de la eficiencia de una membrana de ultrafiltración.

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Calculo de la concentración de entrada y salidas a partir de datos de conductividad.

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Balances de materia en el proceso de osmosis inversa.

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Influencia de la presión y el flujo en las condiciones de operación del proceso.

 (CONDORCHEM, 2016)

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Efecto de la recirculación del concentrado.

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Efecto de la recirculación del permeato.



Efecto de la recirculación del ultrafiltrado.

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Aplicación de un proceso de tratamiento de agua por medio de una membrana de osmosis inversa.

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Aplicación y manipulación de las variables que intervienen en un proceso de osmosis inversa.

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Aplicación de un proceso de tratamiento de agua por medio de una membrana de ultrafiltración.

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Aplicación y manipulación de las variables que intervienen en un proceso de ultrafiltración



Determinación de los parámetros termodinámicos que intervienen en un proceso de transferencia de masa por medio de una membrana d e osmosis inversa.



Determinación de los parámetros termodinámicos que intervienen en un proceso de transferencia de masa por medio de una membrana de ultrafiltración.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS2 Como todo equipo este tiene instrucciones específicas o datos específicos que se necesitan conocer antes de llevar a cabo algún tipo de proceso en este, ya que el dejar estos datos a un lado podría causar un mal uso del equipo y hasta dañarlo. Dentro de las especificaciones técnicas del dispositivo de osmosis inversa pueden ser:

2

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Capacidad del equipo de Osmosis Inversa

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Voltaje principal de alimentación

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Voltaje de operación de motores

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Dimensiones generales del equipo

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Tubería de agua de alimentación principal

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Tubería de agua de línea de lavados

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Tubería de agua de concentrados

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Tubería de agua de producto

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Flujo de producto

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Flujo de concentrado

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Flujo de recirculación

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Presión de entrada

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Presión de salida

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Depósito de recuperación de filtrados

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Depósito de recuperación de concentrados

 (PRODUCTOS POLO, 2007)

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Sensor de temperatura a la entrada de la membrana de osmosis inversa, con indicador digital.

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Sensor de temperatura a la entrada de la membrana de ultrafiltración, con indicador digital.

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Sensor de temperatura a la salida del permeato de la membrana de osmosis inversa, con indicador digital.

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Sensor de temperatura a la salida del ultrafiltrado de la membrana de ultrafiltración, con indicador digital.

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Sensor de conductividad colocado en la entrada de procesos de membrana con indicador digital.

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Sensor de conductividad colocado en la salida del permeato de osmosis inversa con indicador digital.

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Intercambiador de calor de placas fabricado en acero inoxidable para mantener la temperatura constante.

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Válvula y tubería de by-pass de alimentación

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Válvula de regulación de flujo de alimentación a membranas, tipo diafragma, de membrana.

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Rotámetro de flotador para medición de flujo de alimentación a proceso de membranas.

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Unidad piloto completamente instrumentada escala laboratorio.

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Montada sobre estructura en perfil de aluminio reforzado tipo industrial con ruedas.

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Compuesta de una unidad de proceso y un gabinete de control, ambas unidades están interconectadas entre sí formando una sola instalación.

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Bomba de alimentación a proceso de membranas, tipo centrifuga, multietapas de alta presión, en posición vertical.

GABINETE DE CONTROL 3 El gabinete de control, como bien su nombre lo dice, es aquel espacio del equipo el cual está destinado al control de éste y a la regulación de diferentes variables para que el proceso se lleve a cabo de manera óptima y sin ningún problema. En la parte del gabinete de control debería existir:

3

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Botón de paro de emergencia tipo hongo de media vuelta.

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Botones pulsadores con foco luminoso de marcha y paro de la bomba

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Fuente convertidor de voltaje a 24 VCD

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Portafusibles de protección para los indicadores digitales

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Cableado por medio de canaleta y con números de identificación

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Clemas de conexión

 (HIDROAGUA, 2016)

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Indicador luminoso amarillo de tablero energizado.

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Interruptor general

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Contactor de protección y arranque para la bomba.

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Guardamotor para bomba.

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Componentes eléctricos montados sobre riel.

DTI Y EXPLICACIÓN4 Recirculación de concentrados

4

 (COMISIÓN ESTATAL DE AGUA Y SANEAMIENTO, 2016)

En el diagrama que se muestra en la parte superior se puede observar que el tanque de almacenamiento tiene una válvula que si se llega a dar el caso donde el nivel del tanque sea superior al límite preestablecido ésta se abrirá para así poder liberar el excedente, igual se presta atención a que este tanque cuenta con una segunda salida que tiene una dirección hasta la bomba de alimentación 1 que tiene como tarea el enviar el líquido con el cual se está trabajando a un enfriados que posee una válvula automatizada para el agua de enfriamiento, cuando el líquido que está situado en al intercambiador sale por una válvula, diseñada para la regulación del paso del agua, junto a ésta se tiene un indicador de flujo, el cual se encarga de supervisar si existe alguna anomalía en el flujo y si es el caso, se cierra y abre una segunda toma por donde el fluido se libera al tanque de alimentación 1 para poder evitar alguna especie de accidente. Si de momento todo sigue yendo de manera normal y sin problemas el líquido en cuestión conseguirá ubicarse en un indicador de tiempo, de las misma manera que a los indicadores de presión los cuales al sentir una ausencia de anomalías tendrán la válvula en disposición para que el flujo llegue sin problema a la primera membrana donde se realizara el proceso de ósmosis inversa, al salir de esta membrana nuestro fluido pasará por un medidor de temperatura el cual tendrá como objetivo el hacer la lectura de temperatura a la cual sale el fluido con el que se está trabajando, al igual que a un medidor de tiempo, un medidor de nivel y así conseguir llegar al tanque de filtrado para nuestro producto, la membrana de ósmosis tiene otra salida en donde se efectúa una recirculación para seguir aprovechando el fluido y evitar desperdicios.  Antes de incorporarse a la membrana de ósmosis el fluido fragmenta en dos, una parte de éste se envía a una segunda membrana ultra filtrante que tiene la labor de hacer un mejor filtrado a la parte del fluido que posea una mayor cantidad de concentrado, cabe destacar que antes de ingresar a la membrana el fluido pasa por un medidor de temperatura y llega a una válvula con un indicador de presión al incorporarse a la membrana ésta filtra el fluido que sale por la parte de abajo de la membrana y tiene oportunidad de dirigirse a un indicador de temperatura y posteriormente, pasa por un medidor de flujo y se recolecta en un tanque de producto; por otra parte, la segunda salida de la membrana ultra filtrante se encuentra la salida la recirculación de concentrados.

CONCLUSIÓN En lo que respecta al equipo de ósmosis inversa es muy importante tomar en cuenta que se tiene que observar más allá, ya que no solo se toma en cuenta el proceso sino todos los detalles que se encuentran detrás de todo este como puede ser las variables, que deben de conocerse de manera amplia, los instrumentos de control que están incorporados en este como son las válvulas y los medidores que cumplen una parte fundamental para poder tener un resultado con calidad. Otro detalle que se podría pensar que no tiene relación son las N ormas ISA que tiene que estar bien reguladas ya que como son automáticos tiene que tener un funcionamiento óptimo ya que te éstos podría verse comprometido todo el proceso que el equipo realiza y que este se pueda llevar a cabo de la mejor manera y sin poner en riesgo a los operadores o trabajadores. Como bien sabemos, éste equipo está ubicado en el Instituto tecnológico de Villahermosa lo que nos da oportunidades importantes para realizar prácticas de purificación del agua y así crear una comparación con el agua que es utilizada de manera cotidiana en instalaciones comerciales, industriales y domésticas, con la finalidad de estar al tanto de cuán buena es la calidad.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

https://es.scribd.com/doc/17293071/Osmosis-Inversa http://www.productospolo.com/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/PP_Manual_Jet_2007_01.PDF https://procesosbio.wikispaces.com/file/view/osmosis+inversa+y+membranas.pdf  http://www.nuwaterglobal.com/wp-content/uploads/2014/12/NW_ReverseOsmosis-Spa.pdf