aguas de produccion

7/15/2019 Aguas de Produccion

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211MAR 2011, VOL. 36 Nº 3

Introducción

Los requerimientos de laindustria petrolera da a da sehacen más exigentes en cuan-to a la calidad del crudo, de-

bido a que el conten ido deagua asociado a ste disminu-ye apreciablemente los costosde venta. Conocidas comoaguas de produccin, stas seoriginan durante la explota-cin y el proceso de genera-cin del crudo, y provienen de

dos fuentes: agua asociada alyacimiento (agua de forma-cin) y agua o vapor que seinyecta a los yacimientos du-rante los procesos de recupe-racin secundarios. Depen-diendo del yacimiento produc-tor, la cantidad de agua de

produccin puede representar de 3 a 57% del volumen totalde los uidos producidos y su

potencia l contaminante estárelacionado a factores asocia-

PALABRAS CLAVES / Aguas de Producción / FAD / Presión / Reciclo / Tratamiento de Agua /Recibido: 20/01/2010. Modicado: 31/01/2011. Aceptado: 02/02/2011.

Antonio De Turris. IngenieroQumico y Maestra en Inge-niera Qumica, La Universi-dad del Zulia (LUZ), Venezue-la. Profesor e Investigador,LUZ, Venezuela.

Suher Carolina Yabroudi. Inge-niera Qumica y Maestra enIngeniera Qumica, LUZ, Ve-

nezuela. Profesora e Investiga-dora, LUZ, Venezuela. Direc-cin: Centro de Investigacindel Agua, Facultad de Ingenie-ra, LUZ. Apartado 526. Mara-caibo, Edo. Zulia, Venezuela.e-mail: [email protected]

Brenyith Valbuena. IngenieraQumica, LUZ, Venezuela.

0378-1844/11/03/211-08 $ 3.00/0

dos a la explotacin de cadacampo, tales como edad geo-lgica de la formacin, tiempode explotacin del yacimiento,tiempo del proceso de recupe-racin, etc. En el caso del cru-do extrado de la cuenca delLago de Maracaibo, EstadoZulia, Venezuela, ste vieneasociado con agua de la for-macin y gas, siendo estamezcla petrleo-agua recolec-tada en las estaciones de ujosituadas en el lago y de all

enviado a los cinco patios dealmacenamiento situados en lacosta, donde es scalizado por

pe rs on al de l Mi ni st er io deEnerga y Minas. La industria

petrolera actualmente empleaseparadores API y de placascorrugadas como tcnica deseparacin crudo-agua paracumplir con esta parte deltratamiento, sin embargo, di-versos estudios sealan que laflotacin con aire disuelto

(FAD) es un proceso con altos porcentajes de remoción deslidos suspendidos, aceites ygrasas, por lo que el objetivo

principal del presente trabajoconsisti en evaluar un equipoFAD a escala piloto, para es-tablecer los parámetros de di-seo y condiciones ptimas deoperación (presión, porcentajede reciclo), empleando paraello aguas de produccin pro-venientes de uno de los prin-cipales patios de tanques de la

Costa Oriental del Lago deMaracaibo (Daz, 1987; Dros-te, 1997; Soto, 2002; Di Ber-nardo y Di Bernardo, 2005).

Materiales y Métodos

Prcess en el pati detanques

El agua de formacin empleada en el estudio provienedel patio de tanques principal

(Figura 1) del Municipio Si-mn Bolvar, Ta Juana, Esta-do Zulia, Venezuela. La ali-mentacin hacia este patio sehace mediante tuberas prove-nientes de distintas estacionesde flujo ubicadas en tierra ylago, para las segregacionesde las producciones de loscrudos liviano (L), mediano(M) y pesado (P). Este patiocuenta con 24 tanques: 14 detecho otante, 2 de lavado, 1de compensacin, 1 de crudo

recuperado (jo) y 6 de techojo. Después de lograr la des-hidratacin de estas segrega-ciones en los tanques, se pro-cede al drenaje del agua. Elcrudo obtenido en estos pro-cesos se bombea hacia otrasinstalaciones para su scaliza-cin y posterior venta, mien-tras que el agua asociada alas segregaciones es tratada

para su posterior inyeccin enlos pozos.

TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN POR FLOTACIÓN CON

AIRE DISUELTO

Antni De Turris, Suher Carlina Yabrudi, Brenyith Valbuena, Charles Gutiérrez,Carmen Cárdenas, Lenin Herrera y Carls Rjas

RESUMEN

La prducción petrlera invlucra varias peracines genera-dras de impact ambiental, entre las cuales está la utilizaciónde agua asciada al petróle, siend necesari separarla antesde la cmercialización. Ls vlúmenes de agua de prducción y

su cmpsición dependen del camp petrler y del yacimientde dnde prviene. Tradicinalmente se usan separadres API yde placas crrugadas cm tratamient; sin embarg, la tecn-logía de otación con aire disuelto (FAD) representa una alter -nativa para mejorar la eciencia de separación y optimizar los

procesos. En este trabajo se evaluó un sistema FAD piloto parael tratamient de aguas de prducción cn elevada cncentraciónde hidrcarburs y sólids suspendids. Ls ensays se realiza-

rn cnsiderand la adición de prducts químics cagulantes y modicando condiciones de operación: presión de 207, 276 y345kPa, con variación de reciclo de 30, 40 y 50% de agua presu-rizada. Se caracterizó el euente midiendo pH, cloruros, alcalini-dad, turbidez, sólids suspendids, aceites y grasas, al inici y al

nal de las pruebas de otación, a n de establecer las condicio-nes del agua. En función de ls resultads btenids, se selecci-nó un producto catiónico de alto peso molecular (FCAPM), conuna dsis óptima de 3,59mg·l -1 , y se estableció 276kPa de presión

y 40% de reciclo como la mejor condición de operación del FAD,con porcentajes de remoción de 90% de aceites y grasas, 72% de

sólidos suspendidos y claricación del euente de 70%.

Charles Gutiérrez. IngenieroQumico y Maestra en Inge-niera Qumica, LUZ, Venezue-la. Profesor, LUZ, Venezuela.

Carmen Cárdenas. IngenieraQumica y Maestra en Inge-niera Ambiental LUZ, Vene-zuela. Profesora, LUZ, Vene-zuela.

Lenin Herrera. Ingeniero Qu-mico, LUZ, Venezuela. Maes-tra en Ingeniera Ambiental ySanitaria, University of Texasat Austin, EEUU. Profesor,LUZ, Venezuela.

Carlos Rojas. Ingeniero Mecáni-co y Maestra en IngenieraAmbiental, LUZ, Venezuela.



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El proceso al cual se so-meten las aguas se iniciacon la adicin de coagulante

pr imar io en las tuber as de produccin del crudo media-no (M) a nivel del patio detanques. La mezcla crudo-agua se recibe en los tan-ques de almacenamiento de23849m3 de techo flotante,ubicados en el patio, dondeocurre el proceso de separa-cin por deshidratacin.Concluido este proceso, el

agua se drena a travs delas dos tuberas de 0,3m dediámetro, donde recibenotra inyeccin de coagulante

pr imar io a objeto de deses-tabilizar la emulsin rema-nente y la formada duranteel proceso de drenaje de lostanques. Paralelamente, elagua producida por los cru-dos L y P se drena hacia un

múltiple, luego de tratarsequmicamente con el coagu-lante primario. Culminadoel proceso, el agua se trans-

porta ha st a un pu nto en elcual se mezclan todos losafluentes y luego de drena-da de los tanques del patiose conducen a travs de unatubera de 0,91m de diáme-t ro hasta los separadores

por gr avedad API 1, 2, 3 y4, los cuales operan en for-ma paralela y donde el agua

permanece el tiempo de re -sidencia requerido para per-mitir la separacin del cru-do libre presente y del ori-ginado como producto de ladesestabi l izacin de laemulsin. Seguidamente elagua de los cuatro separa-dores es transferida por gra-vedad al separador API 5,unidad que permite una se-

gunda etapa de remocin decrudo. Posteriormente, setransfiere al clarificador cir-cular a travs de tres bom-

bas de 0,18m3·s -1 de capaci-dad cada una, y se deja re-

pos ar el t ie mp o ne cesar io para sepa rar el resto delcrudo presente. En el extre-mo de esta unidad se en-cuentran instaladas t res

bombas de 0,09m3·s-1 de capacidad cada una, las cualesenvan el agua a los pozos

inyectores de los yacimien-tos. Esta agua debe conte-ner <10mg·l -1 de crudo y<20mg·l-1 de slidos suspen-didos, a objeto de mantener la inyectabilidad de los po-zos y evitar la reduccin dela permeabilidad, minimi-zando el taponamiento delos yacimientos (Daz, 1987;Soto, 2002).

Caracterización y seleccióndel cagulante

Para cumplir con los obje-tivos planteados, se colect

por un pe rodo de di ez se -manas agua de produccin

pr ovenie nt e de l Se pa rad or API 5 (Figura 1), caracteri-zadas siguiendo la metodolo-ga descrita por el Standard

Me thds f Water and Wastewater (APHA, 2005).Como el propsito del traba-

jo er a evalua r la ef icienc iade los sistemas FAD en dife-rentes condiciones operacio-nales con y sin la adicin de

productos qu m icos coag u-lantes, la primera etapa delestudio consisti en determi-nar el tipo y concentracinde agente coagulante, paralo cual se evaluaron cuatrotipos de coagulantes (Tabla

PRODUCTION WATER TREATMENT BY DISSOLVED AIR FLOTATIONAntonio De Turris, Suher Carolina Yabroudi, Brenyith Valbuena, Charles Gutirrez, Carmen Cárdenas, Lenin Herreraand Carlos Rojas

SUMMARY

TRATAMENTO DE ÁGUAS DE PRODUÇÃO POR FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDOAntonio De Turris, Suher Carolina Yabroudi, Brenyith Valbuena, Charles Gutirrez, Carmen Cárdenas, Lenin Herrerae Carlos Rojas

RESUMo

oil prductin invlves several peratins that generate en-virnmental impact. one f them is the necessary separatin,befre marketing, f the water that cmes assciated t the il.Volume and composition of production water depend speci-cally n the reservir frm which it cmes. Traditinally, API

separatrs and crrugated plates are used t carry ut thetreatment; nevertheless, dissolved air otation (DAF) technolo-

gy offers an alternative to improve the efciency of separationand optimize the process. In this study a pilot DAF system for the treatment f ily water with high cncentratins f hydr-carbns and suspended slids was evaluated. Tests were per-

frmed with the additin f chemical cagulatin agents and

A prduçã petrleira envlve várias perações geradrasde impact ambiental, entre as quais está a utilizaçã de águaassciada a petróle, send necessári separa-la antes da c-mercializaçã. os vlumes de água de prduçã e sua cmpsi-çã dependem d camp petrleir e da jazida de nde prvêm.Tradicinalmente se usam separadres API e de placas crruga-das como tratamento; no entanto, a tecnologia de otação por ar dissolvido (FAD) representa uma alternativa para melhorar aeciência de separação e otimizar os processos. Neste trabalho

foi avaliado um sistema FAD piloto para o tratamento de águasde prduçã cm elevada cncentraçã de hidrcarbnets e

sólids suspenss. os ensais se realizaram cnsiderand a adi-

changing the operating conditions: pressures of 207, 276 and 345kPa, and 30, 40 and 50% recycling of pressurized water.The efuent was characterized at the beginning and at the end of the otation process by measuring pH, chlorides, alkalinity,turbidity, slids suspended, ils and fats, s as t establish wa-ter conditions. Based on the results, a occulent coagulating cationic agent of high molecular weight (FCAPM) was select -ed, with ptimal dse f 3.59mg·l -1. DAF best operating condi-tions were established as 276kPa of pressure and 40% recy-cling, with removal of 90% of oils and fats, 72% of suspended

solids and 70% clarication of the efuent.

ção de produtos químicos coagulantes e modicando condiçõesde operação: pressão de 207, 276 e 345kPa, com variação dereciclo de 30, 40 e 50% de água pressurizada. Caracterizou-seo auente medindo pH, cloruros, alcalinidade, turbidez, sólidos

suspendidos, óleos e gorduras, ao início e ao nal das provasde otação, com o m de estabelecer as condições da água. Em

funçã ds resultads btids, fi selecinad um prdut cati-ônico de alto peso molecular (FCAPM), com uma dose ótima de3,59mg·l -1 , e se estabeleceu 276kPa de pressão e 40% de reciclocomo a melhor condição de operação do FAD, com porcenta-

gens de remoção de 90% de óleos e gorduras, 72% de sólidos suspensos e claricação do auente de 70%.



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I) empleando el ensayo de jarra s, conformado por unaetapa de mezcla rápida a150rpm durante 1min, segui-do de agitacin lenta a40rpm por 20min. Se hicie-ron ensayos por separadomodicando la concentraciónde producto desde 0,006 a0,018%, en pasos de 0,004%.La seleccin del coagulanteempleado estuvo condiciona-da a la obtencin de mayo-

res porcentajes de clarica-cin, con mnima variacinen los parámetros medidos ycuyo costo asociado fueseeconmicamente viable. La

prueba de jarra fue adaptadaal esquema de otación em-

pleado.

Descripción de la unidad FAD

El equipo a escala pilotoutilizado consta de una celda

de presurizacin o cámarade saturacin (Figura 2) con-sistente en un recipiente de90mm de diámetro externo y270mm de altura, con unagitador manual de aceroinoxidable y un ltro de Be-rea (piedra arenisca con>90% de caliza) que funcio-na como difusor

para aumentar lasuperficie decontacto lquido-

gas; as mismo la celda pre-senta a la salida una válvulareductora de presin que

permite la liberacin del l-quido presurizado y conexio-nes exibles con acoples derápida instalacin-desinstala-cin. La unidad posee en eltope una empacadura (o -ring ) y un liberador y medi-dor de presin de

0-13790kPa. El equipo deflotacin cuenta con un ci-lindro de plástico graduadode 1000ml, 70mm de diáme-tro externo y 450mm de al-tura, que es denominadocomo celda de otación. Launidad presenta un compre-sor de 373W, dos medidoresde presin con escala gra-duada de 0-689kPa y0-1379kPa, y cuenta con unmedidor de flujo de aire yválvulas reguladoras. Loslmites permisibles para lacelda de presurizacin son:

presin máxima de 862k Pa,temperatura entre 4 y 38ºCy capacidad de fluido de~1125ml. El equipo debe ser encendido 15min antes deiniciar la prueba para saturar con aire el agua que seráempleada como reciclo, sien-do el volumen de agua de

producci n agregado a lacámara de otación determi-

Figura 1. Diagrama del patio de tanques.

TABLA IPORCENTAJES DE CLARIFICACIóN PARA LOS PRODUCTOS

QUíMICOS EVALUADOS

Concentracin de producto(ml·l-1)

Coagulante Descripcin 3 5 7 9

FCAPMPolmero lquido, tipo poliacrilamida decarga catinica y alto peso molecular Gravedad especíca a 25°C = 1,08-1,18

98% 98% 74% 43%

PAPolmero slido, tipo poliacrilamida de altacarga catinica y alto peso molecular Viscosidad a 25°C= 100-200cps al 0,1%

79% 15% 5% 57%

FCPolímero líquido coagulante-oculanteGravedad especíca a 25°C= 1,02-1,10

99% 73% 87% 57%

PAPMAyudante de coagulacin, polmero lquidocon alta densidad de carga catinicaGravedad especíca a 25°C = 1,25-1,35

96% 90% 57% -

FCAPM: oculante catiónico de alto peso molecular, PA: poliacrilamida, FC: oculante catiónico,PAPM: polmero de alto peso molecular.

Figura 2. Cámara de saturacin o celda de pre-surizacin.



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nado por la Ec (1). En esemomento se abre la válvulareductora de presin ubicadaa la salida de la cámara desaturacin para l iberar la

presi n hacia la cel da deotación, induciendo la for -mación de burbujas (AWWA,1999, 2005; Crittenden et al .,2005; Kawamura, 2000).

Va=Porcentaje de reciclo×Vc (1)

donde Va: volumen a agregar,Vc: volumen de la cámara deotación, Porcentaje reciclo:fraccin de agua saturadacon aire que será adicionadauna vez iniciado el ensayo deotación.

Evaluación del equipo FAD

Durante la segunda etapase evalu el FAD variandolas condiciones de operacinen base a la bibliografaconsultada, donde se reco-miendan valores de 207 a483kPa de presin y cauda-les de recirculacin de 5 a50% (AWWA, 1999; Metcalf & Eddy, 2003; Kawamura,2000). Las condiciones ja-das fueron: presiones de 207,276 y 345kPa, con una va-riacin de reciclo para cadauno de 30, 40 y 50% deeuente tratado, consideran-do la adicin y ausencia de

producto qumico. Cuando serealiz la adicin de agentecoagulante (tipo y concentra-cin seleccionado en la pri-mera etapa), previo al trata-miento con FAD se efectucon el equipo de jarras el

proceso de coagulación-o -culacin de las muestras aser introducidas en la cáma-ra de otación. Con la varia-cin de estos parámetros semidieron, en cada ensayo,los tiempos de retencin enla celda y el caudal de reci-

clo que constituyen paráme-tros de diseo, as mismo alinicio y al nal de cada unade las etapas del estudio seefectuaron mediciones de

pH, temp er at ura , clor uro s,alcalinidad, turbidez, slidossuspendidos, aceites y gra-sas, siguiendo la metodolo-ga descri ta en APHA(2005).

Cmparación técnic-ecnómica de tecnlgíasde separación crud-agua

La selección de la mejor alternativa de tratamiento serealiz por medio de unacomparacin entre los siste-mas tradicionales (separadoresAPI y separadores de placascorrugadas) y los sistemas de

flotacin con aire disuelto(FAD) y aire inducido (FAI).Esto requiri la recopilacinde informacin tcnica decada uno de los sistemas deseparacin estudiados, talescomo material de construc-cin, área efectiva de separa-cin, presin de operacin,empleo de productos qumi-cos, costo de inversin, tiem-

po de re te nc in hid ráu lico(TRH), porcentaje de separa-cin de crudo, costos de man-tenimiento, facilidad de ope-racin, consumos energticos,requerimiento de operadores ycaudales manejados por cadauno de ellos. La comparacineconmica se efectu aplican-do dos mtodos, el mtododel valor presente neto (VPN)y el de la tasa externa de ren-dimiento (TER). El mtodoVPN toma en cuenta el costodel proyecto en el presente,

por lo que la mejor alternativade tratamiento se selecciontomando aquel sistema cuyo

VPN fuera menor. Para elequipo de otación se asumióun valor de salvamento equi-valente al 10% de la inversintotal. Para el mtodo de laTER se consider la tasa delmercado para la fecha, la cualde acuerdo al Banco Centralde Venezuela era de 28%,considerada como la tasa derendimiento mnima atractiva(TREMA) para la eleccin dela mejor alternativa. Si laTER es mayor que la TRE-MA, el sistema de separacin

tomado como base de análisises rentable con respecto alsistema con el cual se compa-r, mientras que si la TER esmenor que la TREMA seconsidera como mejor alterna-tiva de separacin la opcincontra la cual se compar(Reynolds y Richards, 1996;De Garmo y Sullivan, 1997;Sincero y Sincero, 2003; Crit-

tenden et al ., 2005; Di Ber-nardo y Di Bernardo, 2005;).

Diseñ a escala real

Se consideraron los resulta-dos experimentales de presinptima de operacin, porcen-taje de reciclo de agua trata-da, tiempo de recirculacin,tiempo de retencin hidráuli-

co, temperatura y concentra-ción de sólidos en el euente. Las variables: área de flota-cin, relacin aire:slido ycarga hidráulica, fueron calcu-ladas a partir de los resulta-dos experimentales con ecua-ciones empricas. Como elárea de otación está referidaa la forma geomtrica de lacámara, se determin paraeste caso el área efectiva deun cilindro bajo las condicio-nes del equipo a escala real(Ec. 2). Con la Ec. 3 se esti-m la carga hidráulica (CH)que permite establecer la rela-cin entre los caudales dealimentacin y reciclo paraobtener una separacin pti-ma. La relacin aire:slido secalcul de acuerdo a la Ec. 4,y con este parámetro de dise-ño se vericó la eciencia delsistema de otación a las con-diciones de operacin, ya que

per mite determinar la canti-dad en mg·l-1 o el porcentajede slidos que pueden ser eli-

minados a la presin de ope-racin considerada. Los cau-dales de alimentacin se asu-mieron en funcin de los vo-lúmenes de aguas tratadas enel mercado, y a partir de es-tos datos se determin el ta-mao de las unidades paradistintas necesidades (Qasimet al., 2000; Metcalf & Eddy,2003; AWWA, 2005; Critten-den et al., 2005; Di Bernardoy Di Bernardo, 2005; Pachecoy Arruda, 2005;).

(2)

donde A:S: relacin aire-slidos,ml de aire liberados por mg de

slidos aplicados, Sa: saturacindel gas a las condiciones atmos-fricas (cm3·l-1·atm-1), Si: sli-dos suspendidos en el caudalde entrada (mg·l-1), f: relacinsolubilidad del gas en el aguaa tratar/solubilidad del gas enel agua (usualmente 0,5 paraaguas residuales), P: presinabsoluta en atmsferas, Qreciclo:caudal de reciclo presurizado

(m3·d-1), y Qalimentacin: caudalde entrada (m3·d-1).

Resultados y Discusión

Caracterización de lasmuestras de agua de

prducción

Estos resultados correspon-den a la caracterizacin de lasmuestras tomadas del patio detanques y efectuadas antes derealizar el tratamiento conFAD. Los valores de pH enlas muestras de aguas de pro-duccin provenientes del sepa-rador API 5 presentaron pocavariacin, mantenindose en-tre 7,6 y 7,9. La medicin deeste parámetro es importante

para el proceso de coagula-cin, ya que la efectividad delos productos coagulantes-oculantes se ve afectada por el mismo. Para los productosempleados el valor de pH pre-senta un intervalo de accinentre 4-10. La variacin de

temperatura se encuentra en-tre 23 y 32ºC, la cual noafecta la floculacin, pero sla saturacin de agua conaire, razn por la que el tiem-

po de saturacin del volumende reciclo se sobreestim en15min, a fin de asegurar lasaturacin de aire. El conteni-do de cloruros y de alcalini-dad, los cuales afectan aligual que el pH el proceso decoagulacin, fue de 1420-2370mg·l -1 de Cl - y 2050-2920mg·l-1 de CaCO3. La con-

centracin de aceites y grasasvari entre 400-1500mg·l -1,

mientras que lacantidad de slidossuspendidos totalesen las muestrasfue relativamenteconstante con va-lores entre 67 y

134mg·l-1. Estos resultadosmuestran que el agua de for-



215MAR 2011, VOL. 36 Nº 3

macin a la salida delseparador API 5 nocumple con los requi-sitos de 10mg·l -1decrudo y 20mg·l-1 deslidos suspendidos

pa ra se r inyec tadanuevamente en losyacimientos.

Selección del

prduct químic

En la Tabla I semuestran los resultados obte-nidos con los diferentes pro-ductos utilizados. Se puedeapreciar que tres de los cuatro

productos estudiados (FCA-PM, FC, PAPM) presentaronresultados satisfactorios declarificacin empleando

bajas dosis, mientras quela poliacrilamida, aúncuando clarica la mues-tra en un porcentaje razo-nable, ste es relativamen-te bajo con respecto al

producido por los demás productos. Por otro lado,se evidenci un comporta-miento tpico del procesode clarificacin con pro-ductos de alto peso mole-cular (PAPM y la poliacri-lamida), ya que stos pro-vocan que los flculosformados tiendan a sedi-mentar y no a flotar, ra-zn por la cual no pueden

ser aplicados en un proce-so de otación. Analizan-do las tendencias de losresultados obtenidos conlos productos que funcionan

para un proceso de f lotacin(FCAPM y FC), se puede no-tar que existe un patrn co-mún de comportamiento deambos. La Figura 3 muestrala tendencia del porcentaje declarificacin respecto a laconcentracin utilizada de

productos qumicos coa-gulantes; donde el por-

centaje de claricación delas muestras de agua de

produccin tiende a dis -minuir a medida que au-menta la concentracin delos productos qumicos.Este comportamiento nor-malmente se aprecia en

procesos de clar icacióncuando la efectividad del

producto coagulante em-

pleado es alt a y el nivel deaccin de parámetros que in-ciden en esta efectividad, ta-les como la alcalinidad, pH yconcentracin de cloruros, esalto; es decir, dosis muy bajas

o muy altas de productos coa-gulantes tienden a desestabili-zar los óculos, disminuyendode esta forma su efectividad.

Con la prueba de jarras sedetermin la concentracinmnima operativa para estos

productos, siendo la seleccinfinal del producto a utilizar

tambin afectada por el factor eco-nmico, ya que a

pe sa r de qu e el producto FC regis-tra una efectividadmayor en 1%, sucosto es 55% ma-yor al FCAPM,ocasionando quelos costos por me-

tro cúbico de aguatratada sean máselevados. Por estas

razones se seleccion el FCA-PM, que corresponde a unaconcentracin de 0,006% envolumen (3,54mg·l -1)(Sawamura, 1997; AWWA,1999; Metcalf & Eddy, 2003).

Evaluación del FAD

Los resultados indicados enla Tabla II corresponden a las

pr uebas real izad as para las pr es ione s de op er acin de207, 276 y 345kPa, variandoel porcentaje de reciclo en 30,40 y 50% considerando la

adicin previa del coagulanteFCAPM en una concentracinde 3,59mg·l-1. Los valores de

pH para las diferentes condi-ciones estudiadas se incre-mentaron ligeramente con laadicin del FCAPM, obser-vándose una variacin entre 7y 8,2 en todos los casos. Lamejor condición de operación

pa ra la s pr es ione s 207 y

276kPa de presin correspon-de a 40% de reciclo, mientrasque cuando la presin es de345kPa, el valor de reciclodonde se alcanzan mayores

porcentajes de claricación yremocin de slidos suspendi-dos, aceites y grasas es 30%.Los porcentajes de remoción

y claricación para las condi-ciones más favorables se resu-men en la Tabla III, donde seevidencia que la eciencia del

proceso se incrementa con laadicin de productos qumi-cos. Analizando con mayor detalle la inuencia de la pre-sión sobre los porcentajes de

claricación y re-mocin de sli-

dos suspendidos,aceites y grasas,se observa que la

presin favorecela remocin y laclarificacin delas muestras has-ta 276kPa, revir-tiendo este efectoal incrementarsea 345kPa; sin

Figura 3. Porcentaje de claricación respecto a la concentra -cin utilizada de productos qumicos.

TABLA III

PORCENTAJES DE REMOCIóN PARA LAS CONDICIONES DE OPERACIóNMÁS EFICIENTES DEL FAD

Resultados con adicinde 3,59mg·l-1 de FCAPM

Resultados sin adicinde producto qumico

207kPa40% dereciclo

276kPa40% dereciclo

345kPa30% dereciclo

207kPa40% dereciclo

276kPa40% dereciclo

345kPa30% dereciclo

Remocin grasas y aceites 88% 90% 80% 50% 30% 42%Remocin slidos suspendidos 62% 77% 54% 50% 50% 20%Remoción claricación 59% 69% 69% 34% 59% 58%

TABLA IIRESULTADOS DE LA EVALUACIóN DEL FAD CON ADICIóN DE 3,59mg·l-1 DE FCAPM

207 kPa 276 kPa 345 kPa

Parámetro

Porcentaje de reciclo Porcentaje de reciclo Porcentaje de reciclo

30% 40% 50% 30% 40% 50% 30% 40% 50%Temperatura (°C) 25 25 26 24 25 25 22 25 26

pH 8,12 8,05 8,01 7,86 7,68 7,81 7,92 8,01 8,14Alcalinidad (mg·l-1 CaCO3) 1940 2300 2050 1950 1860 1980 2180 2180 2260Cloruros (mg·l-1) 1130 1000 1510 2000 2240 1680 1670 1670 1320Turbidez (NTU) 229 166 200 115 103 145 145 154 164Slidos suspendidos totales (mg·l-1) 294 25 27 8 15 19 28 33 43Grasas y aceites (mg·l-1) 284 189 284 95 47 95 95 378 95TRH (s) 156 248 325 244 364 359 374 456 510TR (s) 49 56 59 39 45 52 30 38 48QR (m3·s-1) 2,2×10-4 2,4×10-4 2,2×10-4 1,9×10-4 1,7×10-4 1,7×10-4 1,4×10-4 1,4×10-4 1,4×10-4

Remocin de SST 45 62 59 66 77 72 59 50 36Remocin grasas y aceites 80 88 70 80 90 90 80 67 67Porcentaje de claricación 51 51 60 66 70 70 71 69 67

TRH: tiempo de retencin hidráulico, TR : tiempo de reciclo, QR : caudal de reciclo, caudal de aire empleado para saturar elagua de reciclo.



216 MAR 2011, VOL. 36 Nº 3

embargo, para esta pr es in se presen taun caso especialcuando se trabaja con30% de reciclo pre-surizado en la remo-cin de grasas yaceites y en el por-centaje de clarifica-cin, donde la ten-dencia en ambos ca-

sos es a aumentar sin pr es ent ar nin gún punto de inexión vi-sible; no obstante noocurre lo mismo conlos SST, ya que suvariacin es igual alresto de las condiciones dereciclo para esta presin. Estecomportamiento se debe a quela densidad del aceite (crudo)es menor que la del agua y sutendencia natural es a la ota-cin y no a la sedimentacincomo en el caso de los sli-dos, por lo que la fuerza ne-cesaria para arrastrar estosmateriales es menor que larequerida para arrastrar por otación los sólidos suspendi-dos. Por lo tanto, es posibleobtener mayores porcentajesde claricación y remoción degrasas para presiones por en-cima de 345kPa, sin embargo,

para remover slidos suspen-didos se hace ine-ciente, dicultandosu remocin en to-

dos los casos.Al igual que la pr es in, el efec todel reciclo sobrela remocin de s-lidos suspendidos,acei tes y grasasva aumentandohasta llegar a un

punto de inexióncorrespondiente a40% de reciclo

presurizado, dondela eciencia de re-mocin de los pa-

rámetros de inte-rs comienza adisminuir. La con-dicin de 276kPaes la que presentalos mejores por -centajes de remo-ción, conrmándo-se la tendencia adisminuir la efi-ciencia cuando se

considera 50% de reciclo. Laeciencia disminuye ya queal haber menor caudal inicial(el equipo trabaja con volú-menes iniciales fi jos deacuerdo al porcentaje de re-ciclo a emplear), las burbujasdeben recorrer un trayectomayor a lo largo de toda lacámara de flotacin, incre-mentando el tamao de lasinyectadas al sistema a tra-vs del reciclo por colisincon otras burbujas, disminu-yendo así el área supercialde arrastre y con esto la e-ciencia del sistema. El au-mento del tamao de burbu-

jas , además de disminuir el

área supercial,causa un efectode tu rbulenciaal l legar a lasupercie de lacámara de flo-tacin, ocasio-nando que elmaterial otadosedimente por accin de la

fuerza liberadaal igualar la

burbuja la pre-sin atmosfri-ca. La Figura 4muestra el efec-to de la rela-

cin aire/slidos en el por-centaje de sólidos eliminados

pa ra la pr es in de 276 kPa ,demostrando que con bajasrelaciones aire/slido se al-canzan los mayores porcen-tajes de remoción. De acuer -do a los valores obtenidos aescala piloto, para este siste-ma de otación con aire di-suelto las condiciones pti-mas de operacin, donde seobtuvieron las mayores efi-ciencias de remocin deaceites y grasas (90%) y s-lidos suspendidos (77%), co-rresponden a una presin de276kPa y 40% de reciclo deagua tratada.

La Tabla IV presenta unacomparacin entre los dife-rentes sistemas de otación,recopilando los parámetrosmás importantes al momentode seleccionar un sistema deseparacin crudo-agua deacuerdo a las necesidadesexistentes. Para los separa-dores API, la mayor fortale-za se evidencia en la capaci-dad de manejar grandes vo-lúmenes, y su debilidad enrequerir de grandes áreas

para su instalacin, as como bajos porcen ta jes de remo -cin. Para los separadores de

placas cor rugadas, las pr in-cipales desventajas son la

po ca ca pa cidad de ma ne joademás de bajos porcentajesde remocin, siendo la faci-lidad en la operacin la ven-taja principal. Los sistemasde otación con aire induci-do son una opcin tcnica-mente viable, ya que loscostos de inversin compara-dos con los sistemas FADson bajos, necesitan pocaárea de separacin y presen-tan alta eficiencia; sin em-

bargo, los costos de mante -nimiento (gran consumo deenerga) opacan las bondadesde estos sistemas, aunadocon su relativa dificultad

para la operacin.Los sistemas de

flotacin con aire

disuelto (FAD) aligual que los sis-temas con aire in-ducido (FAI) re-

presentan opcionesviables debido alas ventajas pre-sentadas, más enel caso de los sis-temas FAD los

porcent ajes de re -mocin son mayo-res, los costos demantenimiento son

bajos (bajo consu-

mo de energa), ylas áreas de insta-lacin pequeas,siendo la únicadesventaja que loscostos de inver-sin son mayorescomparados conlos del sistema deflotacin con aireinducido. Tcnica-

TABLA IVCOMPARACIóN TéCNICA ENTRE SISTEMAS

DE SEPARACIóN CRUDO-AGUAParámetro Separador API Separador CPI FAI FAD

Material deconstruccin

Aceroal carbn

Separador: acero alcarbón Placas: bra

de vidrio, aceroal carbn con

recubrimiento epxico

Aceroal carbn

Aceroal carbn

Área efectivade separacin (m2) 5,5 x 10-2 2,1 x 10-3 2,4 x 10-5 2,4 x 10-5

Presin de operacin Atmosfrica Atmosfrica Hasta 103kPa 138-483kPa

Productos qumicos Pretratamiento Pretratamiento Pretratamiento Pretratamiento

Costos de Inversin Alto Alto BajoDos veces

el costo de FAI

TRH 1-2h 1-2h 4-6min 6-10min

Separacin de crudo 60% 72% 90% 98%Costo de

mantenimiento Bajo Moderado Alto Alto

Consumo de energa - - Alto consumo Bajo

Requerimientocontinuo de operador

Desnatadoresmanuales

Desnatadoresmanuales

Nose requiere

Nose requiere

Caudales manejadosen el mercado 15-600gpm 5-1200gpm 70-3800gpm 1-1800gpm

Figura 4. Efecto de la relación aire/sólidos en el porcentaje deslidos eliminados a 276kPa.



217MAR 2011, VOL. 36 Nº 3

mente, los siste-mas FAD y FAIrepresentan lasmejores opcionesde tratamiento

pa ra la remo cinde slidos y acei-tes, siendo la flo-tacin con aire di-suelto preferidadebido a las carac-

tersticas descritasanteriormente (Re-ynolds y Richards,1996; AWWA,1999; Kawamura,2000; Metcalf yEddy, 2003; DiBernardo y DiBernardo, 2005;Pacheco y Arruda,2005).

Con respecto alanálisis econmi-co, ste fue reali-zado empleando elmtodo del valor

present e neto(VPN) y el de latasa externa de re-torno (TER). LaTabla V indica loscostos considera-dos para los sistemas FAD yFAI por ambos mtodos,donde la eleccin de la me-

jor alternativa de tratamientose bas en el análisis econ-mico de ambos, ya que losseparadores API y de placas

corrugadas fueron descarta-dos tcnicamente. En la ta- bl a se mu est ra el anális iseconmico de comparacinde alternativas basado en elmtodo del VPN, cuyo crite-rio se basa en seleccionar aquella opcin cuyo VPNsea menor; el análisis se rea-liz para tres capacidadesdistintas, siendo en este casola mejor opción el sistemaFAD, cuyo VPN es menor

pa ra to da s la s capa cidad esde tratamiento en compara-

cin con el sistema FAI, aúncuando la inversin necesa-ria es mayor para sistemasFAD que para sistemas FAI,debido a que los costosanuales de tratamiento sonmayores para el mtodo FAIque para sistemas FAD, ob-servando el punto crtico enel consumo energtico de lossistemas FAI. De acuerdo al

mtodo TER, se seleccionacomo mejor alternativa elsistema cuya tasa externa deretorno sea mayor o igual ala tasa de rendimiento mni-ma atractiva (TREMA). Si laTER es menor que la TRE-

MA esto indica que la mejor alternativa es la otra opcincontra la cual se compar.En virtud de esto se selec-cion al sistema FAD comola mejor opción de trata-miento. Para todas las capa-cidades analizadas, la TER es menor a la TREMA, cuyovalor corresponde al 28%, yde esta forma los sistemasFAD son mejor opción quelos sistemas FAI por los cri-terios mencionados (De Gar-mo y Sullivan, 1997).

Los parámetros calculadosen base a los resultados obte-nidos experimentalmente paraefectuar el diseo a escalareal son resumidos en la Ta-

bla VI. Estos fueron realiza-dos seleccionando las condi-ciones ptimas del equipo,mientras que los caudales dealimentacin fueron estable-cidos en base a los volúme-

TABLA VSELECCIóN DE ALTERNATIVAS. MéTODOS VPN Y TER

Mtodo VPN 100gpm 500gpm 1000gpm

Capital invertido FAD FAI FAD FAI FAD FAI

Costo de equipos 95.202.000 61.920.000 199.950.000 157.380.000 399.900.000 299.280.000Costos de transporte y nacionalizacin 28.560.600 18.576.000 59.985.000 47.214.000 119.970.000 89.784.000Costo de instalacin 14.280.300 9.288.000 29.992.500 23.607.000 59.985.000 44.892.000Costos total de equipos 138.042.900 89.784.000 289.927.500 228.201.000 579.855.000 433.956.000Costos de instrumentos y control 13.804.290 8.978.400 28.992.750 22.820.100 57.985.500 43.395.600Costos elctricos 15.184.719 9.876.240 31.892.025 25.102.110 63.784.050 47.735.160

Costo total de Inversin 167.031.909 108.638.640 350.812.275 276.123.210 701.624.550 525.086.760Gastos anuales

Mano de obra y mantenimiento 16.703.191 10.863.864 35.081.228 27.612.321 70.162.455 52.508.676Energa consumida 156.322.200 208.429.600 312.644.400 416.859.200 312.644.400 416.859.200Suministros operacionales 2.505.479 1.629.580 5.262.184 4.141.848 10.524.368 7.876.301Labor 24.964.200 24.964.200 24.964.200 24.964.200 24.964.200 24.964.200Productos qumicos 48.072.420 48.072.420 236.689.746 236.689.746 479.955.250 479.955.250Servicios de laboratorio 3.744.630 3.744.630 3.744.630 3.744.630 3.744.630 3.744.630Supervisor 3.744.630 3.744.630 3.744.630 3.744.630 3.744.630 3.744.630Total gastos anuales (O+M) 256.056.750 301.448.924 622.131.018 717.756.575 905.739.933 989.652.887

Valor de Salvamento 16.703.191 10.863.864 35.081.228 27.612.321 70.162.455 52.508.676Factores(P/A, 28%, 10) 3 3 3 3 3 3(P/F, 28%, 10) 0,0847 0,0847 0,0847 0,0847 0,0847 0,0847

VP Total 1.002.645.305 1.093.129.887 2.381.535.318 2.620.070.886 3.656.470.047 3.755.732.056Tasa Externa de Retorno

Cálculo de Depreciacin(P/A, 28%, 10) 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03Depreciacin de equipos 432.809 281.502 909.015 715.483 1.818.031 1.360.591%ΔTER, B,A -77,48 -127,77 -47,27

TABLA VIPARÁMETROS DE DISEñO

Y DIMENSIONAMIENTO DEL FADParámetros de diseo del FAD (resultados experimentales)

Presin ptima de operacin: 276kPaPorcentaje de reciclo de agua tratada: 40%

Tiempo de recirculacin: 51,5seg

TRH: 6Temperatura: 25,2ºC

Saturacin del aire a presin atmosfrica: 16,588cm 3·l-1·atm-1

Relacin aire/slido (A:S): 0,2807Carga hidráulica: 10 l·m-2·s-1

Dimensionamiento del FAD para diferentes caudales(condiciones ptimas de operacin)

Qalimentacin (m3/da)

Qreciclo (m3/dia)

Aotación

(m2)Dcámara

(m)Altura

(m)545 218 0,88 1,06 2,01

1090 436 1,77 1,50 2,851635 654 2,65 1,84 3,482180 872 3,53 2,12 4,022725 1090 4,42 2,37 4,503270 1308 5,30 2,60 4,93

3815 1526 6,18 2,81 5,324360 1744 7,06 3,00 5,694905 1962 7,95 3,18 6,045450 2180 8,83 3,35 6,365995 2398 9,71 3,52 6,676540 2616 10,60 3,67 6,977085 2834 11,48 3,82 7,257630 3052 12,36 3,97 7,538175 3270 13,25 4,11 7,798720 3488 14,13 4,24 8,059265 3706 15,01 4,37 8,309810 3924 15,90 4,50 8,54



218 MAR 2011, VOL. 36 Nº 3

nes manejados en el mercado.Tambin se muestra el di-mensionamiento a escala realde equipos de flotacin y eldiseo en unidades cilndri-cas (separadores con diseosverticales), tal y como es f-sicamente el equipo a escala

piloto. Los volúmenes varanentre 545 y 9810m3/da (100-1800gpm), por lo que las uni-

dades tendrán desde 2m dealtura hasta un máximo de8,54m, con diámetros asocia-dos entre 1,06 y 4,50m (Ste-venson, 1999; Kawamura,2000; Metcalf y Eddy, 2003;Sincero y Sincero, 2003;AWWA, 2005; Crittenden et al ., 2005; Di Bernardo y DiBernardo, 2005).

Conclusiones

Desde el punto de vistatcnico y econmico los sis-temas FAD resultan ser unaopcin en la remocin deslidos suspendidos, grasasy aceites de aguas de for-macin, obtenindose altos

po rc en tajes de re mo ción yclarificacin (90 y 77% deremocin de aceites y gra-sas y de slidos suspendi-dos, respect ivamente) en

pe rodo s de t iemp o cor to s(6-10min) para las condicio-nes de operacin de 276kPa(40psi) de presin y 40%del reciclo tratado, ademásde requerir un bajo consu-

mo de energa y poca áreade separacin efectiva encomparacin con los siste-mas tradicionales para lascondiciones analizadas.

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