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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE CLARIFICACIÓN Y DESINFECCIÓN DEL
SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE LA REFINERÍA ESMERALDAS
TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROPUESTA TECNOLÓGICA
PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO
AUTORA: RAIZA MISHELLE VERA CANTOS
TUTOR: ING. LUIS ALBERTO CALLE GUADALUPE
QUITO
2017
iii
© DERECHOS DE AUTOR
Yo, Raiza Mishelle Vera Cantos, en calidad autora del trabajo de titulación, modalidad
propuesta tecnológica: autorizo a la Universidad Central del Ecuador hacer uso de todos
los contenidos que me pertenecen o parte de los que contiene esta obra, con fines
estrictamente académicos o de investigación.
Los derechos que como autora me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5, 6, 8; 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la digitalización
y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de conformidad a lo
dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
En la ciudad de Quito, a los 7 días del mes junio de 2017.
Raiza Mishelle Vera Cantos
C.C. 0803312529
iv
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, Luis Alberto Calle Guadalupe, en calidad de tutor del trabajo de titulación, modalidad
propuesta tecnológica, Estudio de los procesos de clarificación y desinfección del sistema
de tratamiento de agua de la Refinería Esmeraldas, elaborado por la estudiante Raiza
Mishelle Vera Cantos, de la Carrera de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Central del Ecuador, considero que el mismo reúne los
requisitos y méritos necesarios en el campo metodológico y en el campo epistemológico,
para ser sometido a la evaluación por parte del jurado examinador que se designe, por lo
que lo APRUEBO, a fin de que el trabajo sea habilitado para continuar con el proceso de
titulación determinado por la Universidad Central del Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 7 días del mes de junio del 2017.
Ing. Luis Alberto Calle Guadalupe
TUTOR
v
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos por su confianza y apoyo incondicional en cada meta que me
he propuesto.
A mi pequeña Sarahí por llegar a alegrar mi vida.
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios porque con el simple hecho de despertar cada día, me demuestra lo grande e
infinito de su amor.
A mi madre Sonia Cantos, por todo su amor, preocupación, comprensión, confianza, y
cada palabra de ánimo que a pesar de la distancia me reconfortaba cuando tenía un mal
día.
A mi padre Reinaldo Vera, por siempre estar conmigo, y ser el mejor modelo de hombre
trabajador y honesto para mis hermanos y para mí.
A mis hermanos Javier y Rosario, por su apoyo, sus consejos y por guiarme con su
ejemplo de perseverancia en todo lo que me propongo.
A mi sobrina Sarahí porque a pesar de que recién llegas a mi vida eres y serás muy
importante el resto de mi existencia. Gracias porque pensar en ti me da calma en los malos
momentos.
A la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, por todos los
conocimientos impartidos a lo largo de la carrera.
A EP Petroecuador por su apertura y predisposición para el desarrollo del presente
trabajo. De forma particular a el Ing. Henry Troya, Dr. Edgar Campoverde, Dr. José Once
y a la ingeniera Karina Pazmiño.
A mis amigas y amigos por todos los momentos compartidos lo largo de estos años. En
especial a Liss por este largo tiempo viviendo juntas y a pesar de estar lejos de nuestras
familias, siempre estuviste ahí con una palabra, una palabra o un gesto que me animó a
seguir adelante. A Conny por brindarme su amistad incondicional desde los 12 años. A
mis amigos Vale, Day, Andre, Vane, Katito y Pato, por hacer de esta época universitaria
uno de los recuerdos más felices e inolvidables de mi vida.
vii
CONTENIDO
Pág.
LISTA DE TABLAS ....................................................................................................... xi
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... xiii
LISTA DE ANEXOS ..................................................................................................... xv
RESUMEN .................................................................................................................... xvi
ABSTRACT ................................................................................................................. xvii
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 18
1. MARCO TEÓRICO ................................................................................................... 20
1.1. Usos del agua en la Refinería Esmeraldas ....................................................... 20
1.1.1. Agua para consumo humano. ........................................................................... 20
1.1.2. Principales parámetros controlados para el agua potable. ............................. 20
1.1.2.1. Turbidez.. .......................................................................................................... 21
1.1.2.2. pH. .................................................................................................................... 21
1.1.2.3. Color.. ............................................................................................................... 21
1.1.2.4. Sólidos totales disueltos.. ................................................................................. 21
1.1.2.5. Dureza.. ............................................................................................................. 21
1.1.2.6. Cloro residual. .................................................................................................. 22
1.1.2.7. Cloruros. ........................................................................................................... 22
1.1.2.8. Hierro. ............................................................................................................... 22
1.1.2.9. Amonio. ............................................................................................................ 22
1.1.2.10. Coliformes Fecales.. ....................................................................................... 22
viii
1.2. Tratamiento del agua en la Refinería Esmeraldas............................................ 23
1.2.1. Proceso de Clarificación. ...................................................................................... 23
1.2.1.1. Coagulación. ...................................................................................................... 23
1.2.1.1. Floculación. .................................................................................................. 25
1.2.1.3. Sedimentación. ................................................................................................. 25
1.2.2. Proceso de desinfección. .................................................................................. 25
1.2.2.1. Cloro gaseoso. .................................................................................................. 25
1.2.2.2. Hipoclorito de sodio.. ....................................................................................... 26
1.2.2.3. Hipoclorito de calcio. ....................................................................................... 27
1.3. Prueba de Jarras ............................................................................................... 27
1.4. Intensidad de mezcla. .............................................................................................. 28
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ...................................................................... 29
2.1. Proceso experimental .............................................................................................. 29
2.2. Evaluación actual de los procesos de clarificación y desinfección ........................ 30
2.2.1. Descripción del proceso de clarificación y desinfección..................................... 30
2.2.2. Caracterización del agua cruda y clarificada.. ..................................................... 34
2.2.3. Falencias en los procesos de clarificación y desinfección. ................................... 35
2.2.3.1. Parámetros fuera de la Norma INEN1108. ........................................................ 35
2.2.3.2. Condiciones del proceso clarificación ............................................................... 35
2.2.4. Pruebas de dosificación de coagulante y floculante. ........................................... 36
2.2.4.1. Materiales y sustancias utilizadas para las pruebas de dosificación de
coagulante PAC líquido .................................................................................................. 36
2.2.4.2. Procedimiento para pruebas de dosificación de coagulante PAC líquido ........ 36
2.2.5. Pruebas de dosificación de cloro (agente desinfectante). ..................................... 37
2.2.5.1. Materiales y sustancias necesarias para las pruebas de dosificación de cloro.. 37
ix
2.2.5.2. Procedimiento para las pruebas de dosificación de cloro ................................. 38
2.2.6. Pruebas de tiempo de floculación y velocidad de agitación. ............................... 38
2.2.6.1. Procedimiento para pruebas de tiempo de floculación y velocidad de
agitación ......................................................................................................................... 38
3. CÁLCULOS Y RESULTADOS ..................................................................... 40
3.1. Análisis estadístico de la turbidez del agua cruda. .................................................. 40
3.1.1. ......................................................................................................................... 41
3.1.1.1. Frecuencia absoluta ........................................................................................... 41
3.1.1.2. Frecuencia relativa ............................................................................................. 41
3.1.1.3. Frecuencia acumulada ....................................................................................... 42
3.1.1.4. Porcentaje parcial .............................................................................................. 42
3.2. Análisis estadístico de la turbidez del agua clarificada ........................................... 43
3.2.1. Análisis por intervalos para el agua tratada. ......................................................... 44
3.3. Dosificación de coagulante y floculante .................................................................. 46
3.3.1. Promedio de turbidez semanal .............................................................................. 46
3.3.2. Resultados de la prueba de jarras para el PAC líquido......................................... 47
3.3.2.1. Resultados de la prueba de jarras para floculante Interpc 50 ............................ 48
3.3.2.2. Resultados de la prueba de jarras para el floculante N8110 .............................. 49
3.3.3. Resultados de la prueba de jarras para el PAC sólido .......................................... 50
3.3.3.1. Resultados de la prueba de jarras para el floculante Interpc 50 ........................ 51
3.3.3.2. Resultados de la prueba de jarras para el floculante N8110 .............................. 52
3.4. Porcentaje de remoción de turbidez......................................................................... 52
3.5. Cálculo de la cantidad de coagulante a escala de Refinería .................................... 54
3.5.1 Cálculo modelo para la cantidad de Policloruro de Aluminio (PAC líquido) ....... 54
3.6. Velocidad de agitación y tiempo de floculación ..................................................... 56
x
3.7. Tiempo de sedimentación ........................................................................................ 60
3.7.1. Resultados de las pruebas de sedimentación. ....................................................... 60
3.8. Dosificación de productos desinfectantes .............................................................. 65
3.8.1. Dosificación de cloro gaseoso. ............................................................................ 65
3.8.2. Dosificación de hipoclorito de calcio .................................................................. 67
3.8.3. Dosificación de hipoclorito de sodio .................................................................... 68
4. DISCUSIÓN ............................................................................................................... 71
5. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 73
6. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 74
CITAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 75
ANEXOS ........................................................................................................................ 77
xi
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Condiciones de operación de los clarificadores Y_ME3001A y B (EP
Petroecuador, 2016). ....................................................................................................... 31
Tabla 2. Valores aproximados de las dosis aplicadas de coagulante y floculante.......... 32
Tabla 3. Caracterización del Agua cruda........................................................................ 34
Tabla 4. Caracterización del Agua clarificada................................................................ 35
Tabla 5. Tiempos recomendados para la selección de gradientes. (Arboleda, 2000)..... 39
Tabla 6. Turbidez del agua cruda ................................................................................... 40
Tabla 7. Valores mínimo y máximo de la turbidez del agua cruda ................................ 41
Tabla 8. Intervalos de turbidez ....................................................................................... 41
Tabla 9. Análisis estadístico de la turbidez del agua cruda ............................................ 42
Tabla 10. Turbidez del agua clarificada ......................................................................... 43
Tabla 11. Valores mínimo y máximo del agua tratada ................................................... 44
Tabla 12. Intervalos de análisis para la turbidez del agua tratada .................................. 44
Tabla 13. Análisis estadístico de la turbidez del agua tratada ........................................ 45
Tabla 14. Turbidez del agua cruda para la prueba de jarras ........................................... 46
Tabla 15. Promedio semanal de turbidez del agua cruda ............................................... 47
Tabla 16. Prueba de jarras para el PAC líquido ............................................................. 47
Tabla 17. Prueba de jarras PAC líquido y floculante interpc 50 .................................... 48
Tabla 18. Prueba de jarras para el PAC líquido y el floculante N8110 .......................... 49
Tabla 19. Prueba de jarras para el PAC sólido ............................................................... 50
Tabla 20. Prueba de jarras para el PAC sólido y el floculante Interpc 50 ...................... 51
Tabla 21. Prueba de Jarras para el PAC sólido y el floculante N8110 ........................... 52
Tabla 22. Porcentajes de remoción de los dos coagulantes ............................................ 53
Tabla 23. Porcentajes de remoción utilizando los dos floculantes ................................. 53
Tabla 24. Resultados de la cantidad de coagulante PAC líquido actual a utilizar ......... 54
Tabla 25. Resultados de la cantidad de floculante Inter pc 50 actual a utilizar.............. 55
xii
Tabla 26. Resultados de la cantidad de PAC sólido a utilizar ........................................ 55
Tabla 27. Resultados de la cantidad de floculante N8110 a utilizar............................... 55
Tabla 28. RPM para los gradientes seleccionados ......................................................... 56
Tabla 29. Resultados para diferentes intensidades de agitación para las condiciones
actuales ........................................................................................................................... 56
Tabla 30. Resultados para diferentes intensidades de agitación para el PAC líquido y
el floculante N8110 ........................................................................................................ 57
Tabla 31. Resultados para diferentes intensidades de agitación para el PAC sólido y
el floculante Interpc50 .................................................................................................... 58
Tabla 32. Resultados para diferentes intensidades de agitación para el PAC sólido y
el N8110 ......................................................................................................................... 59
Tabla 33. Tiempo de sedimentación para las condiciones actuales de la empresa ........ 60
Tabla 34. Tiempo de Sedimentación utilizando PAC líquido y el floculante N8110 .... 61
Tabla 35. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el polímero floculante
líquido ............................................................................................................................. 62
Tabla 36. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el floculante N8110 ...... 64
Tabla 37. Comparación entre conjunto coagulante- floculante utilizado actualmente
en la Empresa y el conjunto coagulante-floculante sólidos ............................................ 65
Tabla 38. Resultados de la dosis de cloro suministrada en la desinfección del agua ..... 65
Tabla 39. Cloro libre residual promedio ......................................................................... 65
Tabla 40. Dosificación del hipoclorito de calcio ............................................................ 67
Tabla 41. Dosificación del hipoclorito de sodio ............................................................. 68
Tabla 42. Promedios de cloro libre residual con hipoclorito de calcio .......................... 69
Tabla 43. Promedio cloro libre residual hipoclorito de sodio ........................................ 70
Tabla 44. Resultados del análisis microbiológico para las mejores condiciones de
desinfección .................................................................................................................... 70
xiii
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Equipo simulador de la prueba de jarras a escala de laboratorio .................... 28
Figura 2. Esquema de distribución de agua clarificada (EP Petroecuador, 2016) .......... 30
Figura 3. Esquema del clarificador del sistema de tratamiento de aguas (EP
Petroecuador, 2016) ........................................................................................................ 31
Figura 4. Intervalos de turbidez del agua cruda.............................................................. 43
Figura 5. Intervalos de turbidez del agua clarificada ...................................................... 45
Figura 6. Turbidez vs dosis de coagulante PAC líquido ................................................ 47
Figura 7. Turbidez vs dosis de floculante interpc 50 ...................................................... 48
Figura 8. Turbidez vs dosis de floculante N8110 ........................................................... 49
Figura 9. Turbidez vs dosis de coagulante PAC sólido .................................................. 50
Figura 10. Turbidez vs dosis de floculante interpc 50 .................................................... 51
Figura 11. Turbidez vs dosis de floculante N8110 ......................................................... 52
Figura 12.Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para las condiciones actuales .......................................................................... 57
Figura 13. Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para el PAC líquido y el floculante N8110 ..................................................... 58
Figura 14. Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para el PAC sólido y el Interpc 50 .................................................................. 59
Figura 15. Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para el PAC sólido y el N8110 ....................................................................... 60
Figura 16.Tiempo de sedimentación con las condiciones actuales de la Empresa vs
turbidez final ................................................................................................................... 61
Figura 17. Tiempo de Sedimentación utilizando PAC líquido y el floculante N8110
vs turbidez final .............................................................................................................. 62
Figura 18. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el polímero floculante
líquido vs turbidez final .................................................................................................. 63
xiv
Figura 19. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el floculante N8110
vs turbidez final .............................................................................................................. 64
Figura 20.Resultados de la dosis de cloro suministrada en la desinfección del agua..... 66
Figura 21. Cloro libre residual para diferentes dosis de hipoclorito de calcio ............... 69
Figura 22. Cloro libre residual para diferentes dosis de hipoclorito de sodio ................ 70
xv
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Certificado de conformidad de la empresa .................................................... 78
Anexo B. Recolección de muestras ................................................................................ 79
Anexo C. Prueba de jarras .............................................................................................. 80
Anexo D. Determinación del pH del agua cruda y clarificada ....................................... 82
Anexo E. Determinación de la turbidez del agua cruda y clarificada ............................ 83
Anexo F. Determinación de cloro libre residual en el agua tratada ............................... 84
Anexo G. Dosificación de cloro en la planta .................................................................. 85
Anexo H. Clarificadores de agua cruda .......................................................................... 86
Anexo J. Resultados del análisis microbiológico del agua clarificada ........................... 87
Anexo K. Resultados microbiológicos para las mejores condiciones de desinfección .. 88
Anexo L. Norma INEN 1108: Agua Potable. Requisitos ............................................... 89
xvi
ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE CLARIFICACIÓN Y DESINFECCIÓN DEL
SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE LA REFINERÍA ESMERALDAS
RESUMEN
Se efectuó el estudio de los procesos de clarificación y desinfección del sistema de
tratamiento del agua proveniente del Río Esmeraldas, para verificar si el agua tratada es
apta para el consumo del personal de la Refinería Esmeraldas.
Se realizó la caracterización físico-química y microbiológica del agua a la entrada y salida
de los procesos, según la norma INEN 1108; y diariamente se controló la turbidez del
agua cruda y clarificada. Mediante la prueba de jarras, se determinaron las mejores
condiciones para el proceso de clarificación, como la dosificación de los coagulantes PAC
líquido y sólido, y de los floculantes Interpc 50 y N8110. Con los datos se construyeron
curvas que muestran las dosis adecuadas de químicos según la turbidez del agua a tratar.
Para la desinfección se utilizaron el hipoclorito de calcio y el de sodio, obteniendo las
dosificaciones adecuadas de 2 y 2,80 ppm respectivamente. Mediante el control del cloro
libre residual del agua tratada, se determinó que la dosis a inyectarse debe ser de 120
lb/día de cloro gaseoso.
Las dosis que deben aplicarse para el cumplimiento de la norma son: coagulante PAC
líquido 30 - 60 ppm y de floculante Interpc 50 0,33 - 0,60 ppm
PALABRAS CLAVES: /CLARIFICACIÓN/ DESINFECCIÓN/TRATAMIENTO
DEL AGUA/ PRUEBA DE JARRAS/ REFINERÍA ESMERALDAS/ AGUA
POTABLE/
xvii
STUDY OF THE PROCESSES OF CLARIFICATION AND DISINFECTION OF
THE WATER TREATMENT SYSTEM OF THE ESMERALDAS REFINERY
ABSTRACT
The study of the clarification and disinfection processes of the water treatment system
from the Esmeraldas river was carried out to verify if the treated water is suitable for the
consumption of the Esmeraldas refinery staff.
The physicochemical and microbiological characterization of the water was performed at
the entrance and the exit of the processes, according to the norm INEN 1108; Also, the
turbidity of raw and clarify water was controlled daily. The best condition to the
clarification process, such as the dosage of the liquid and solid PAC clots, and the Interpc
50 and N8110 flocculants were determined by the jar test. The data were used in the
construction of curves that show de appropriate doses of chemicals according to the
turbidity of the water to be treated. Calcium and sodium hypochlorite were used for the
disinfection, obtaining the adequate dosages of 2.00 and 2.80 ppm respectively. By
controlling the residual free chlorine of the treated water, it was determined that the dose
to be injected should be of 120 pounds / day of chlorine gas.
The doses that are applied for the compliance with the standard are: coagulant PAC liquid
30 - 60 ppm and flocculant Interpc 50 0.33 - 0.60 ppm
KEYWORDS: /CLARIFICATION/DISINFECTION/ WATER TREATMENT /JAR
TEST/ REFINERÍA ESMERALDAS/ DRINKING WATER
18
INTRODUCCIÓN
A nivel mundial el 22 % de consumo de agua dulce está destinado al área industrial.
Mientras que, en el Ecuador, el porcentaje de recurso hídrico consignado para uso
industrial es del 7%. Los procesos industriales requieren de agua para distintos fines, de
modo que se clasifican en: agua de procesos y agua para servicios auxiliares. Estos
últimos incluyen la producción de agua para el consumo humano. (SENAGUA, 2012)
Las fuentes de agua son receptores de desechos procedentes principalmente de
actividades industriales, por tal motivo no son aguas de óptima calidad para el consumo
humano. La Refinería realiza la captación del importante recurso hídrico con aguas
procedentes del Río Esmeraldas (agua cruda). El agua cruda presenta valores de turbidez
desde 20,95 a 74,13 NTU y además una carga de 1,6 x 102 ufc/100 ml de coliformes
fecales, por lo tanto, no es apta para el consumo humano, según la norma INEN 1108.
Actualmente, la Refinería Esmeraldas cuenta con un sistema de tratamiento para el agua
proveniente del río, el cual está conformado por los procesos de clarificación y
desinfección. En el proceso de clarificación, se adiciona una dosis indeterminada de
coagulante PAC líquido y floculante interpc 50. Y simultáneamente se realiza la
desinfección,con la inyección de 80 a 100 lb/día de cloro gaseso. Sin embargo, el agua
resultante de este tratamiento presenta valores de turbidez desde 5,58 a 13,11 NTU y el
cloro libre residual mg/l, se encuentra de 0,07 a 0,20 mg/l, estos resultados indican que
estos parámetros están fuera de la norma INEN 1108 y por lo tanto el agua tratada no
puede ser considerada como agua potable.
Por tal motivo el presente trabajo de titulación, está enfocado a que se realice un estudio
de los procesos de clarificación y desinfección del sistema de tratamiento de agua de la
Refinería, para mejorar los procesos actuales. Por lo cual, es necesario, que se evalúe el
desempeño de los procesos de clarificación y desinfección actuales. Y además definir la
forma de desinfección más adecuada para obtener agua con las condiciones aptas para
consumo humano.
19
Es así, que, para el desarrollo del estudio, se examinó el funcionamiento y estructura de
estos procesos, mediante revisión de diagramas y la visita a la planta. Posteriormente, se
caracterizó el agua cruda, y agua clarificada. Los análisis que se incluyen son
principalmente turbidez, color, pH, sólidos totales disueltos, dureza total, cloruros, cloro
residual, arsénico, hierro, nitritos, nitratos, plomo y coliformes fecales. Se identificaron
dos parámetros que no cumplían con la norma, los cuales son la turbidez y el cloro libre
residual del agua tratada. De modo que se procedió a realizar un monitoreo diario de los
mismos, encontrando que en el 66,67% de los días que se realizaron las mediciones, el
agua tratada presentó valores de turbidez superiores a 5NTU que es límite máximo para
el agua potable. El valor promedio del cloro libre residual se encontró en 0,10 mg/l
mientras que la norma INEN 1108 indica, que debe estar en un rango de 0,3 a 1,5 mg/l.
Para mejorar el desempeño del proceso de clarificación es necesario encontrar la mejor
dosificación de coagulante y floculante. Para esto, se realizó la prueba de jarras utilizando
los coagulantes PAC líquido y PAC sólido. Se emplearon dosis de 30 a 60 ppm de PAC
líquido con lo que se logró reducir la turbidez a valores menores a 5 NTU. Además, se
agregó desde 0,33 a 0,60 ppm de floculante Interpc 50, obteniéndose valores de turbidez
aproximadamente de 2 NTU el cual es el propósito de la empresa. Al compararse con el
otro floculante N8110 se evidenció que con 0,2 ppm se obtuvo la turbidez de 2 NTU en
el agua tratada. Al utilizar de 20 a 40 ppm de PAC sólido, se consiguió reducir la turbidez
a 2 NTU sin agregarle floculante. También se determinó que el mejor tiempo de
floculación de 27 minutos y que la intensidad de agitación no debe exceder los 50 rpm.
Además, se efectuaron pruebas de cloro libre residual del agua tratada, encontrando que
la dosificación de cloro gaseoso debe ser de 120 lb/día pues se obtiene 0,7 mg/l de cloro
residual y por lo tanto cumple con la norma. También se probaron el hipoclorito de calcio
y sodio, con los cuales se logró que el agua tratada cumpla con la norma adicionando 2,00
mg/l y 2,80 mg/l respectivamente.
En base a estos resultados, se concluyó que utilizando dosis de 30 a 60 ppm de PAC
líquido, 0,33 a 0,60 ppm del floculante Interpc 50, y 120 lb/día de cloro gaseoso, se logra
que el agua tratada por la Refinería Esmeraldas, sea apta para consumo humano.
20
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Usos del agua en la Refinería Esmeraldas
La Refinería Esmeraldas, requiere constantemente de agua para la ejecución de los
procesos en las diferentes unidades de la planta. El agua clarificada se distribuye hacia:
sistema contra incendios, reposición a torres de enfriamiento, filtros de arena y carbón,
sistema de enfriamiento de bombas para el área de efluentes, y además es llevada a
servicios administrativos, comedor, casetas de operadores, laboratorio, balao y tanqueros.
(EP PETROECUADOR, 2016)
1.1.1. Agua para consumo humano. Debido a que el agua generalmente se encuentra
expuesta a continua contaminación, es necesario que las entidades competentes
establezcan límites con el fin de controlar las impurezas presentes en la misma, de acuerdo
a los usos que se le asigne. Principalmente en el caso del agua potable, es muy importante
el conocimiento y cumplimiento de estos parámetros, para salvaguardar la integridad de
los seres humanos.
En Refinería Esmeraldas, se utiliza la norma INEN 1108 de agua potable como referencia
para controlar la calidad del agua clarificada, la cual es utilizada para consumo de todo el
personal de la empresa.
1.1.2. Principales parámetros controlados para el agua potable. La norma INEN
1108, establece todos los requisitos para un agua apta para consumo humano.
Los parámetros mayormente controlados en la Refinería Esmeraldas son: turbidez y pH,
debido a que son los factores que más influyen en la coagulación química. Sin embargo,
además se realizan análisis de rutina correspondientes a sólidos disueltos totales, dureza
total, cloro residual, cloruros, hierro, y amonio, los cuales también son mencionados en
la norma.
21
Conjuntamente, se controlan los requisitos microbiológicos del agua cruda, de manera tal
que los Coliformes fecales se encuentren dentro de los límites permisibles, pues en caso
contrario la presencia de los mismos, provocarían enfermedades en los consumidores.
1.1.2.1. Turbidez. Según Spellman y Drinan, la turbidez es una propiedad que ayuda a
cuantificar la cantidad de luz que atraviesa una columna de agua con partículas orgánicas
dispersas e inorgánicas, donde la dispersión de la luz se incrementa con la carga de
partículas en suspensión; por lo tanto es un parámetro que se mide en Unidades
Nefelométricas de Turbidez (NTU) (Spellman & Drinan, 2004).
1.1.2.2. pH. Aunque podría decirse que no tiene efectos directos sobre la salud, sí puede
influir en los procesos de tratamiento del agua, como la coagulación y la desinfección
(Vargas, 2004).
El pH del agua está controlado por el equilibrio alcanzado por los compuestos disueltos
en el sistema. En las aguas naturales, el pH es principalmente función del sistema de
carbonatos. El agua con bajo pH puede corroer las tuberías de distribución, lo que implica
que algunas sustancias, principalmente iones metálicos, pueden entrar en el agua tratada
(Spellman & Drinan, 2004).
1.1.2.3. Color. Es debido a la presencia de sustancias orgánicas disueltas o coloidales,
sustancias inorgánicas disueltas, así como cuerpos vivos presentes (CEPIS, 2002).
1.1.2.4. Sólidos totales disueltos. Los sólidos totales disueltos, se refieren al total de
sólidos que se encuentran en disolución en una muestra de agua, pues también pueden
existir sólidos en suspensión o sólidos sedimentados (Spellman & Drinan, 2004).
1.1.2.5. Dureza. Vargas (2004) refiere que la dureza en el agua corresponde a la suma
de los cationes polivalentes expresados como la cantidad equivalente de carbonato de
calcio, y aunque no se ha definido si tiene efectos perjudiciales contra la salud humana,
si puede causar la obstrucción de tuberías (Vargas, 2004).
22
1.1.2.6. Cloro residual. El cloro residual, es aquel que se encuentra presente en el agua,
después de que se han eliminado a todos los microorganismos presentes en la misma
(CEPIS, 2002).
1.1.2.7. Cloruros. Las aguas superficiales normalmente no contienen cloruros en
concentraciones tan altas como para afectar el sabor, excepto en aquellas fuentes
provenientes de terrenos salinos. A partir de ciertas concentraciones, los cloruros pueden
ejercer una acción disolvente sobre ciertas sales presentes en el agua y componentes del
cemento, confiriéndoles una acción corrosiva, en especial a pH bajo (Vargas, 2004).
1.1.2.8. Hierro. El hierro puede estar en el agua como hierro II (Fe 2+) y como hierro III
(Fe 3+). Es difícil encontrar el hierro III en aguas naturales. Las sales de hierro II son más
solubles y por ello se pueden encontrar en aguas naturales. Cuando la alcalinidad del agua
es muy alta, el Fe 2+ pasa a Fe(OH)2 (hidróxido de hierro II) y cuando es oxidado por el
oxígeno pasa a Fe (OH)3 insoluble. Puede provocar color, sabor, y además pueden existir
bacterias del hierro, que destruyen las tuberías de distribución (CEPIS, 2002).
1.1.2.9. Amonio. Es el producto final de la reducción de las sustancias orgánicas e
inorgánicas nitrogenadas y puede originarse por fijación química del nitrógeno
atmosférico, las proteínas animales o vegetales (por putrefacción mediante acción
bacteriana) o reducción de nitritos. Se le considera un constituyente normal de aguas
superficiales y está relacionado con descargas recientes de desagües (Vargas, 2004).
1.1.2.10. Coliformes Fecales. CEPIS (2002) expone que los coliformes fecales, forman
parte de un grupo de bacterias coliformes, que son responsables de la contaminación fecal.
Se consideran también Coliformes termotolerantes, pues tienden a crecer en temperaturas
de incubación superiores 44, 5 °C. La presencia de estas bacterias en el agua se asocia
directamente con la transmisión de agentes patógenos, es por ello la vigilancia y el control
del agua procedente de fuentes naturales y su tratamiento para consumo humano (CEPIS,
2002).
23
1.2. Tratamiento del agua en la Refinería Esmeraldas
El tratamiento del agua, se refiere a un conjunto de procesos físicos y químicos a los que
se somete para reducir las impurezas existen en la misma, de modo que cumpla ciertas
condiciones, dependiendo del uso que se le desee dar. (EPA, 2011)
El agua cruda ingresa a la planta de tratamiento procedente del Río Esmeraldas, donde se
realiza la captación del agua. Posteriormente es trasladada hacia un desarenador, durante
un tiempo de residencia de 4 horas, en el cual se separan las partículas de mayor tamaño.
Se dispone de dos fosas de bombas: La primera, es la fosa de alto caudal, que consta de
tres bombas con la finalidad de llenar las piscinas de agua cruda y la segunda fosa de bajo
caudal, consta de tres bombas que ayudan a mantener el nivel de agua en el desarenador.
(EP PETROECUADOR, 2016)
Finalmente, el agua es bombeada hacia las piscinas de agua cruda A y B, donde se
mantiene en reposo, previo al proceso de clarificación y desinfección.
Una vez el agua es clarificada, es distribuida para el consumo de los trabajadores y
también es enviada a otros tratamientos con el fin de ser utilizada en los diferentes
procesos de la planta.
1.2.1. Proceso de Clarificación. La Refinería cuenta con tres clarificadores, pero
actualmente se encuentran operando dos. Este proceso consiste en la remoción total de la
materia suspendida en el agua. Para la extracción total de la materia suspendida, se
requiere de las operaciones unitarias coagulación, floculación y sedimentación. (EP
Petroecuador, 2016)
1.2.1.1. Coagulación. El proceso de clarificación del agua comienza con la coagulación.
Esta operación unitaria tiene como función principal desestabilizar las cargas
electronegativas de las partículas presente en el agua, y transformar los agregados
impuros que se encuentran en suspensiones finas o en estado coloidal en partículas que
puedan ser removidas por decantación, por medio de la adición de sustancias químicas y
la aplicación de energía del proceso de mezclado (Gafari & al, 2008).
24
Estas sustancias químicas, denominadas coagulantes son generalmente sales de aluminio
o de hierro, aunque también se pueden utilizar polímeros inorgánicos. En la empresa
actualmente se trabaja con Policloruro de aluminio en estado líquido.
Según Ye et al. (2007) el Policloruro de aluminio forma parte de los coagulantes
alternativos que han sido descubiertos en el último vigésimo período del siglo XXI donde;
a diferencia de los coagulantes convencionales tienen características de especiación
química, por lo tanto son potencialmente los posibles sustitutos a mediano plazo de los
coagulantes convencionales como el Sulfato de aluminio (Ye & al., 2007).
Por otra parte, Van Benschoten y Edzwald (1990) afirman que las características
poliméricas del PAC le permite formar flóculos que se agrupan en pequeñas esferas con
tamaño que oscila entre 25 y 100 mm; y que actúan bajo fluctuaciones en las condiciones
físicas y químicas del agua en que se encuentren. Sin embargo, su eficiencia también se
ve afectada por algunos parámetros como la composición del agua cruda y las condiciones
de operación específicas (Benschoten & Edzwald, 1990).
Otro factor importante durante la coagulación es la velocidad de mezclado, y se produce
realizando una mezcla rápida, por lo cual los químicos se inyectan a un metro de la entrada
de cada clarificador, debido a que es un punto que presenta gran turbulencia. Luego se
produce una mezcla lenta durante aproximadamente 20 minutos, lo cual contribuye a la
floculación (EP Petroecuador, 2016).
Reacción de hidrólisis del PAC
El polihidroxicloruro de aluminio (PAC) experimenta una reacción de hidrólisis variable,
por lo tanto, una vez que se logran tipificar por la presencia de aluminio en forma de
Al2O3, de sulfatos (SO4)2- y de hidróxido (basicidad); se obtiene una hidrólisis por etapa
(Shen & Dempsey, 1998). Los productos siguientes se obtienen derivados de estas
reacciones:
- Dímeros: [Al2(OH)2(H2O)8]+4;
- Complejos con grupos hidroxilo: [Al8(OH)20], [Al8(OH)22]+2, [Al8(OH)24],
[Al13O4(OH)24(H2O)12]+7, [Al14(OH)38]
+8, [Al30Cl9(OH)81(H2O)38]+5;
25
1.2.1.1. Floculación. La floculación es un proceso posterior a la coagulación,
donde mediante una agitación lenta del agua se provoca el aumento el tamaño y la
densidad de los precipitados causados por su aglomeración. Con esta operación se logra
que una determinada cantidad de partículas sedimenten más rápido formando una masa
voluminosa (EP Petroecuador, 2016)
1.2.1.3. Sedimentación. Es una operación física que separa por la influencia de la fuerza
de la gravedad, las partículas más densas que el agua, se depositan en el fondo del
sedimentador.
El proceso utiliza un clarificador que cuenta con rellenos de sedimentación. Dichos
rellenos son una serie de tubos (circulares, cuadrados o hexagonales) o láminas planas
paralelas con un ángulo de inclinación, dispuestos para que el agua ascienda por las celdas
con un flujo laminar. De esta forma se obtienen periodos de retención muy pequeños de
los flóculos formados: generalmente menores o iguales a 15 min (EP Petroecuador, 2016).
1.2.2. Proceso de desinfección. Barrenechea y Vargas (2004) exponen que la
desinfección como proceso selectivo no provoca la destrucción de todos los organismos
patógenos presentes en el agua. Por eso requiere procesos previos que los eliminen
mediante la coagulación, sedimentación y filtración (Vargas, 2004).
La OPS (2007) señala que operativamente las industrias de manera general, emplean
métodos para la desinfección como: tratamiento físico (calor, radiación), ácidos o bases,
agentes oxidantes (Cl2) y algunos de sus derivados) y los procesos de oxidación avanzada
que abarcan al ozono (O3) y fotocatálisis heterogéneas (OPS, 2007).
1.2.2.1. Cloro gaseoso. CCC (2003) refiere que el cloro se añade al agua durante el
proceso de tratamiento, como cloro elemental (cloro gaseoso). En este estado, forma de
cloro libre, es la responsable de destruir los microorganismos que provocan
enfermedades y la muerte de los seres humanos (CCC, 2003).
Es importante destacar que la dosificación el cloro en estado gaseoso utilizado en la
Refinería Esmeraldas, se realiza en la descarga de las bombas. Además el sistema
26
empleado para la dosificación es un eyector, que toma como flujo motriz el agua cruda
suministrada por las mismas bombas (EP Petroecuador, 2016).
El cloro en estado gaseoso reacciona con agua y se obtiene cloro acuoso disuelto en sus
iones, que a su vez, se oxidan a Cl+ y reducido a Cl- , como se muestra en la reacción 3.
𝐶𝑙2(𝑔) → 𝐶𝑙2(𝑎𝑐) 1
𝐶𝑙2 + 𝐻2𝑂 → 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐻+ + 𝐶𝑙− 2
El ácido clorhídrico obtenido se disocia inmediatamente en sus iones, mientras que por
otro lado se obtiene el ácido hipocloroso, que es débil, como se representa en la semi-
ecuación (5)
𝐻𝑂𝐶𝑙 → 𝐻+ + 𝑂𝐶𝑙− 3
La forma de adición del cloro al agua afecta en gran medida las propiedades alcalinas,
debido a la producción de ambos ácidos (4 y 5) y por tanto su habilidad como
desinfectante disminuye en aguas con valores de pH entre 6 y 9.
1.2.2.2. Hipoclorito de sodio. El hipoclorito de sodio se obtiene por reacción entre el
cloro y el hidróxido de sodio. Para el proceso de desinfección se suministra como solución
acuosa, con una concentración máxima equivalente al 15% p/p Cl2 (cloro gaseoso). La
importancia del uso del hipoclorito de sodio está en su uso; pues a pesar de ser más caro
que el cloro gaseoso, puede contrarrestar el costo de aumentar las medidas de salud y
seguridad, por ende es más fácil y más segura su manipulación (EPA, 2011).
Cuando el hipoclorito de sodio se disuelva en agua, se generan dos sustancias, que juegan
el papel; tanto de oxidantes como desinfectantes. Estos son el ácido hipocloroso (HOCl)
y el ion hipoclorito(OCl-), el cual es menos activo. El análisis del pH del agua determina
la cantidad de ácido hipocloroso que se forma y cuando se utiliza hipoclorito de sodio, se
añade a su vez, el ácido acético para disminuir el pH si este sobrepasa los valores
esperados (LENNTECH, 2016).
Mecanismo de reacción química del Hipoclorito de sodio:
𝑁𝑎𝑂𝐶𝑙 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝑁𝑎+ + 𝑂𝐻− 4
27
Durante la reacción del hipoclorito de sodio con el agua, se obtiene ácido y el ión
hipoclorito (OCl-), y dado que el NaOCl, aumenta el pH del agua, se deben mantener este
valor en un rango de basicidad.
1.2.2.3. Hipoclorito de calcio. También conocido como cal clorada, el hipoclorito de
calcio se emplea como agente blanqueador. Para desarrollar el proceso de desinfección
en las plantas de tratamiento, el hipoclorito de calcio se utiliza granulado, con un 60 por
ciento de pureza, siendo importante la correspondencia entre los cálculos requeridos para
obtener la disolución de dicha sustancia y del grado de turbidez del agua (HEP, 1999).
Quiminet (2011) explica que la función de la cal clorada es eliminar las bacterias, algas,
hongos, moho y los microorganismos que viven en el agua, además su acción es similar
al hipoclorito de sodio, pero a diferencia de este último, se encuentra en estado sólido
(Quiminet, 2011).
Mecanismo de reacción química del Hipoclorito de calcio (Ca (ClO)2 )
𝐶𝑎(𝐶𝑙𝑂)2 → 𝐶𝑎2+ + 2 𝑂𝐶𝑙− 5
Al añadir hipoclorito de calcio al agua se incrementa la alcalinidad y la dureza total,
producto a la presencia de los cationes (Ca⁺ 2 disueltos en el agua, como se muestra en la
selmi-ecuación (6).
2 𝑂𝐶𝑙− + 2𝐻2𝑂 → 2𝐻𝑂𝐶𝑙 + 2 𝑂𝐻− 6
Como el hipoclorito de calcio al reaccionar en agua, eleva el pH de la misma, por lo tanto,
el medio acuoso debe estar acidificado para garantizar el proceso de desinfección (IMTA,
1991).
1.3. Prueba de Jarras
Cogollo (2011) refieren que las pruebas de jarras es un equipo simulador a nivel de
laboratorio de las operaciones de coagulación, floculación, y decantación aplicadas para
el tratamiento y purificación del agua (Cogollo, 2011).
28
Esta técnica se utiliza para determinar las dosis más efectivas de coagulante a añadir en
un agua específica durante el control del proceso de coagulación y floculación en una
planta de tratamiento, fundamentalmente cuando la calidad de dicha agua fluctúe
rápidamente. En este proceso influyen factores como: pH, temperatura, concentración de
coagulante, secuencia de aplicación de las sustancias químicas, grado de agitación y
tiempo de sedimentación (Cogollo, 2011).
El equipo para realizar la prueba de jarras consta de seis agitadores con velocidad variable
y de forma simultánea crean turbulencia en seis vasos de precipitados de 1 litro cada
uno. Esta prueba se basa en la norma ASTM D2035-13. La figura 1 muestra al equipo
donde se realiza esta prueba.
Figura 1. Equipo simulador de la prueba de jarras a escala de laboratorio
1.4. Intensidad de mezcla.
Para definir la intensidad de mezcla se relaciona la intensidad producida por los agitadores en
prueba de jarras (rpm) y el gradiente de velocidad (G) que produce dicha velocidad. Se calcula la
intensidad de mezcla en revoluciones por minuto (RPM), en función de la siguiente expresión.
𝑅𝑃𝑀 = 3 ∗ 𝐺4
5 (1)
Para la coagulación el gradiente de velocidad es de aproximadamente 80 s-1 (100rpm) y
para el proceso de floculación se requiere gradientes menores a 80s-1, generalmente entre
10 y 50 s-1. (Nuñez, 2015)
29
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1. Proceso experimental
El presente estudio tiene como finalidad evaluar el proceso actual de clarificación del
sistema de tratamiento de agua de la Refinería Esmeraldas, y definir el mejor método de
desinfección para el agua. Para lo cual se desarrollaron las siguientes etapas:
Evaluación de los procesos de clarificación y desinfección
En esta etapa se hizo la caracterización del agua cruda y clarificada, de acuerdo a la norma
INEN 1108. También se realizó un control diario de la turbidez del agua cruda y agua
tratada. Y por último se analizó el funcionamiento actual de los procesos de clarificación
y desinfección.
Ensayos preliminares
Para evaluar el proceso de clarificación, fue necesario considerar las fases de coagulación
y floculación, por lo que se realizaron pruebas de dosificación de coagulante y floculante,
empleando los agentes químicos actuales con los que se trabaja en Refinería Esmeraldas,
y además se propuso la utilización de otro coagulante y floculante.
Se elaboró un registro con la dosificación necesaria, en base a la turbidez del agua.
Identificación de las principales falencias de los procesos de clarificación y
desinfección
Para determinar las falencias de los procesos el estudio se realizó en base a la evaluación
realizada previamente, y de esta forma se identificaron los principales parámetros a
mejorar.
30
Definición del mejor método de desinfección para el agua clarificada
Una vez que se seleccionó la mejor dosificación de coagulante, se ejecutaron pruebas para
determinar la demanda de cloro, utilizando el hipoclorito de sodio e hipoclorito de calcio
respectivamente.
2.2. Evaluación actual de los procesos de clarificación y desinfección
2.2.1. Descripción del proceso de clarificación y desinfección. El agua cruda proviene
del Río Esmeraldas, es trasladada posteriormente a las piscinas de retención de agua
cruda, que cuentan con una capacidad total de 54300 m3.
Figura 2. Esquema de distribución de agua clarificada (EP Petroecuador, 2016)
La Refinería cuenta con dos bombas de carga Y-P3009 A y Y-P3009 B para el trasiego
del agua cruda, de capacidad 450 m3/h cada una. Estas bombas transportan el agua hacia
los clarificadores Y-ME3001A y B (dos equipos idénticos), los cuales están dotados con
sistemas de alimentación de reactivos químicos, que a su vez son capaces de tratar 450
m3/h. El agua tratada es distribuida con la ayuda de las bombas Y-P3003 A y B de 450
m3/h cada una, mientras que para el trasiego de la purga de lodos se utilizan las bombas
Y-3002 A y B de capacidad 17 m3/h cada una (EP Petroecuador, 2016).
31
Figura 3. Esquema del clarificador del sistema de tratamiento de aguas (EP
Petroecuador, 2016)
La tabla 1 muestra las condiciones de operación que implementó la Refinería para el
tratamiento de lo sólidos suspendidos en el agua cruda.
Tabla 1. Condiciones de operación de los clarificadores Y_ME3001A y B (EP
Petroecuador, 2016).
Sólidos suspendidos < 15 mg/l
pH 6,0 – 8,5
Presión Diseño 175 psig
Operación 125 psig
Temperatura Diseño 37,8 ° C
Operación 23,9 – 29,4 ° C
32
Tabla 2. Valores aproximados de las dosis aplicadas de coagulante y floculante
Químico Dosis aproximada
(8h)
Coagulante PAC
líquido
50 litros
Floculante Interpc
50
4 litros
Los procesos de coagulación, floculación y sedimentación se realizaron en la Refinería
para el tratamiento del agua cruda, como se explica a continuación:
Coagulación
Existen varios factores que influyen en gran medida en la coagulación, entre ellos se
destacan el punto de dosificación de los productos químicos y el tipo de mezcla.
En el caso de los productos químicos, tenemos a los coagulantes los cuales por tendencia
se mezclan en todo el flujo en tiempos comprendidos de 1 a 3 segundos. Para el tipo de
mezcla, se consideró mezcla rápida, por lo tanto, la inyección del coagulante tuvo lugar
en la zona de mayor turbulencia; es decir a la entrada de cada clarificador o en la descarga
de las bombas (puntos críticos recomendados por la literatura).
En los clarificadores Y-ME3001A y Y-ME3001B el sitio de dosificación de coagulante
se encuentra a 1,0 metros de la entrada de los mismos. Ésta ubicación le permite al
operario y al responsable de área ajustarse a las recomendaciones del lugar de mezclado.
Sin embargo, para la validación del coagulante y verificar su correcta disipación, es
necesario tener un punto de drenaje después de la dosificación.
Otros factores relevantes que intervienen en el proceso de coagulación son: el pH y la
turbidez, debido a que influyen directamente en la cantidad de coagulante dosificado.
En la actualidad en la Refinería se dosifican aproximadamente 50 litros de coagulante
cada 8 horas, pero como el agua cruda proviene del Río Esmeraldas, está sujeta a cambios
continuos de turbidez debido a las condiciones climáticas principalmente en la etapa
invernal. Por lo tanto, existen ocasiones en que la turbidez incrementa; y como se añade
33
siempre la misma dosis de coagulante, el agua tratada obtenida alcanza valores de
turbidez elevados y fuera del rango esperado.
Floculación
Para la utilización del floculante, se empleó un mezclado lento y con tiempos
relativamente altos, pues la función de estos es formar flóculos de alto peso y
aglomerarlos para su rápida decantación. La intensidad de mezcla se encuentra entre 50
y 80 rpm, y depende de la observación de flóculos según la apreciación de los operadores.
Actualmente en la Refinería el floculante es dosificado manualmente cada hora, por los
operadores; por ende, el proceso no se desarrolla de forma continua. Es importante
señalar, que el floculante utilizado es una sustancia muy viscosa y se debe diluir
completamente para que actúe sobre el agua. Para agua potable es recomendable emplear
una dosis máxima de 1 ppm de floculante. Para el proceso se empleó una cantidad
dosificada de aproximadamente 4 litros durante las 8 horas de cada turno.
Sedimentación
La sedimentación tuvo lugar con el empleo de láminas planas paralelas con un ángulo de
inclinación, para garantizar el ascenso del agua por las celdas con un flujo laminar y lograr
periodos de retención de los flóculos formados menores a 15 minutos. Actualmente la
Refinería emplea normalmente cargas superficiales de 100 a 300 m3/m2/día y las
velocidades de sedimentación oscilan de 0.12 a 0.38 cm/seg.
Desinfección
La desinfección se realizó empleando cloro gaseoso. La dosificación tuvo lugar en la
descarga de las bombas Y-P3009 A/B, y el sistema empleado para la dosificación fue un
eyector tomando como flujo motriz el agua cruda suministrada por las mismas bombas
Y-P3009 A/B. La cantidad de agua que se dosificó fue de 80 lb/día, controlada por un
rotámetro instalado en la válvula del cilindro para la salida del gas cloro.
Para validar las 80 lb/día como la dosificación correcta en la eliminación de la carga
orgánica presente en el agua cruda, se obtuvo la curva de cloración, la cual indicó la
34
cantidad de cloro dosificado, y cloro libre. Es importante señalar que el laboratorio de
Refinería Esmeraldas no cuenta con el ensayo de cloro combinado.
2.2.2. Caracterización del agua cruda y clarificada. Se realizó la caracterización del
agua cruda y agua clarificada para conocer las condiciones actuales de entrada de la
primera, y la condición de salida de la segunda, y por consiguiente identificar parámetros
que estaban fuera de la norma INEN 1108.
Los análisis fueron hechos en el Laboratorio de Control de Calidad de la Refinería
Esmeraldas.
Tabla 3. Caracterización del Agua cruda
Parámetros Unidades Resultados Norma INEN 1108
Características físico químicas
pH --- 8,890 6,5-8,5
Turbidez NTU 28,35 5
Color UTC 2 15
STD 116,90 1000
Arsénico mg/l <0,002 0,01
Cloruros mg/l 15,62 250
Cloro residual mg/l 0,00 0,3-1,5
Dureza total mg/l 82,00 300
Amonio mg/l 0,11 1,00
Hierro mg/l 0,10 0,30
Nitritos mg/l 0,07 3,00
Nitratos mg/l 0,10 50,00
Plomo mg/l <0,01 0,01
Características microbiológicas
Coliformes
fecales
Ufc/100ml 1,6 *102 <1
35
Tabla 4. Caracterización del Agua clarificada
Parámetros Unidades Resultados Norma
INEN 1108
Características físico químicas
pH --- 7,994 6,5-8,5
Turbidez NTU 5,58 5
Color UTC 0 15
STD mg/l 119,55 1000
Arsénico mg/l <0,002 0,01
Cloruros mg/l 20,24 250
Cloro residual mg/l 0,07 0,3-1,5
Dureza total mg/l 68,40 300
Amonio mg/l 0,00 1,00
Hierro mg/l 0,17 0,30
Nitritos mg/l 0,12 3,00
Nitratos mg/l 1,60 50,00
Plomo mg/l <0,01 0,01
Características
microbiológicas
Coliformes fecales Ufc/100ml <1 <1
2.2.3. Falencias en los procesos de clarificación y desinfección.
2.2.3.1. Parámetros fuera de la Norma INEN1108. Los parámetros que se encontraron
fuera de la norma en el agua tratada son la turbidez, pues es mayor a 5 NTU y el cloro
libre residual pues no se encuentra en el rango de 0,3-1,5 mg/l. Por lo tanto, se deben
realizar pruebas de jarras para obtener las dosis correctas de coagulante y floculante. Y,
además se necesita ejecutar pruebas de dosificación de cloro y otros desinfectantes para
que el cloro libre residual entre en norma.
2.2.3.2. Condiciones del proceso clarificación. Es necesario hacer pruebas de jarras para
identificar la intensidad de agitación más adecuada, de manera que favorezca a la
floculación. Del mismo modo también se requiere encontrar el mejor tiempo de
floculación que garantice el proceso de clarificación del agua.
36
2.2.4. Pruebas de dosificación de coagulante y floculante. Para la realización de las
pruebas de dosificación de coagulante y floculante se empleó el equipo de jarras con la
finalidad de encontrar la dosis óptima, de forma tal que la turbidez del agua cruda fuese
reducida a valores dentro del límite permisible por la norma INEN 1108 (˂ 5 NTU). En
la Refinería Esmeraldas la dosificación se realiza de forma tal que los valores de turbidez
disminuyan hasta aproximadamente 2 NTU para asegurar la calidad del agua clarificada.
Considerando que la turbidez es un parámetro muy cambiante en la época de invierno, es
imprescindible realizar la prueba de jarras durante varios días para obtener la mejor
dosificación, de acuerdo con la turbidez de agua.
2.2.4.1. Materiales y sustancias utilizadas para las pruebas de dosificación de
coagulante PAC líquido
Agua cruda proveniente de las piscinas.
Coagulante PAC líquido
Floculante polímero interpc 50
Equipo de prueba de jarras
Medidor de pH
Turbidímetro
Balanza electrónica
Vasos de precipitación de 1000 ml
Vasos de precipitación de 250 ml
Pipeta graduada
Jeringas
2.2.4.2. Procedimiento para pruebas de dosificación de coagulante PAC líquido
a) Preparar una solución madre de coagulante.
b) Medir la turbidez y el pH del agua cruda.
c) Añadir el agua en 4 vasos de 1000 ml y ubicarlos en el equipo de jarras.
d) Agregar dosis de coagulante de 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm y 50 ppm.
e) Iniciar una agitación, a velocidad rápida de 100 rpm durante 1 minuto.
f) Posteriormente realizar una mezcla lenta de 40 rpm durante 15 minutos.
g) Esperar 20 minutos para que se efectúe la sedimentación.
h) Extraer muestras de cada vaso con ayuda de jeringas.
37
i) Medir turbidez y pH de cada muestra.
El coagulante utilizado actualmente es el policloruro de aluminio en estado líquido y el
floculante es un polímero denominado interpc 50.
2.2.4.3. Procedimiento para pruebas de dosificación de floculante interpc 50
a) Preparar una solución madre de floculante (1ml=0,2 ppm).
b) Añadir el agua cruda en 3 vasos de 1000 ml y ubicarlos en el equipo de jarras.
c) Añadir la mejor dosis de coagulante seleccionada anteriormente. Realizando la mezcla
rápida y la mezcla lenta.
d) Agregar dosis de floculante de 0,2, 0,6 y 1 ppm. Y continuar con la agitación lenta.
e) Esperar 20 minutos para que se efectúe la sedimentación.
f) Con la ayuda de jeringas extraer muestras de cada vaso.
g) Medir turbidez y pH de cada muestra.
2.2.5. Pruebas de dosificación de cloro (agente desinfectante). La desinfección del
agua es un proceso primordial en el tratamiento para consumo humano, pues mediante el
mismo se produce la eliminación de agentes patógenos causantes de distintas
enfermedades.
La norma INEN 1108 establece un rango de cloro residual en el agua potable de 0,3 – 1,5
mg/l. Dicho parámetro es muy importante debido a que nos indicó la cantidad de cloro
remanente en el agua, al menos por 30 minutos de contacto, y nos garantizó la acción del
cloro sobre los microorganismos pues se produjo el consumo del cloro dosificado.
En la Refinería Esmeraldas el cloro libre residual se encuentra fuera del rango de la norma
INEN 1108, por lo cual fue necesario realizar pruebas de dosificación con hipoclorito de
calcio e hipoclorito de sodio.
2.2.5.1. Materiales y sustancias necesarias para las pruebas de dosificación de
cloro
Balanza electrónica
Vasos de precipitación
Pipeta graduadas
38
Kit de determinación de cloro residual
Hipoclorito de calcio 70%
Hipoclorito de sodio 10%
2.2.5.2. Procedimiento para las pruebas de dosificación de cloro
a) Preparar solución madre de hipoclorito de calcio (1ml=0,4 ppm).
b) Añadir agua clarificada en 6 vasos de precipitación.
c) Agregar diferentes dosis de cloro a cada vaso (0,4 ppm- 4,00 ppm).
d) Determinar el cloro libre residual en cada caso.
e) Identificar la dosificación en la cual, el valor de cloro libre residual se encuentra dentro
de la norma INEN 1108.
f) Repetir el procedimiento para el hipoclorito de sodio
g) Comparar los resultados, para determinar cuál es el mejor agente desinfectante a
utilizar en el agua.
2.2.6. Pruebas de tiempo de floculación y velocidad de agitación. La finalidad de estas
pruebas fue determinar el tiempo de floculación y la velocidad de agitación óptimos para
el proceso de prueba de jarras.
2.2.6.1. Procedimiento para pruebas de tiempo de floculación y velocidad de
agitación
a) Medir la turbidez del agua cruda y colocarla en 6 vasos de 1 litro.
b) Agregar la dosis óptima de coagulante y encender el equipo de jarras a una velocidad
de agitación de 100 rpm durante 1 minuto.
c) A continuación, añadir la dosis óptima de floculante y cambiar a la velocidad de
agitación seleccionada.
d) Posteriormente se ejecuta el procedimiento indicado en la siguiente tabla y se repite el
procedimiento para otras velocidades seleccionadas.
La tabla 5 muestra los valores de tiempos recomendados por la literatura para la selección
de los gradientes de velocidad óptimos.
39
Tabla 5. Tiempos recomendados para la selección de gradientes. (Arboleda, 2000)
Tiempo (min) Procedimiento
0 Comienza la agitación al gradiente seleccionado
7 Se levanta el agitador de la celda No. 1
13 Se levanta el agitador de la celda No. 2
17 Se toma la muestra de la celda No. 1
20 Se levanta el agitador de la celda No. 3
23 Se toma la muestra de la celda No. 2
27 Se levanta el agitador de la celda No. 4
30 Se toma la muestra de la celda No. 3
33 Se levanta el agitador de la celda No. 5
37 Se toma la muestra de la celda No. 4
40 Se levanta el agitador de la celda No. 6
43 Se toma la muestra de la celda No. 5
50 Se toma la muestra de la celda No. 6
2.2.6. Pruebas de tiempo de sedimentación
Mediante estas pruebas se obtuvo el tiempo óptimo de sedimentación utilizando los
diferentes coagulantes y floculantes.
El procedimiento realizado se basó en la propuesta presentada en el libro Teoría, diseño
y control de los procesos de clarificación de agua, como se señala a continuación:
a) Medir la turbidez del agua cruda, y determinar la dosis óptima de coagulante y
floculante.
b) Colocar agua cruda en 6 vasos de precipitación de 1 litro y agregar la dosis óptima de
coagulante realizando la mezcla rápida durante 1 minuto, posteriormente añadir el
floculante y continuar la agitación lenta durante 30 minutos.
c) Una vez transcurrido el tiempo de floculación, levantar los agitadores, y tomar muestras
de cada jarra en intervalos de tiempo de 1 minuto, 5 minutos, 10 minutos, 20 minutos y
60 minutos.
d) Medir la turbidez de las diferentes muestras recolectadas, para seleccionar el mejor
tiempo de sedimentación.
40
3. CÁLCULOS Y RESULTADOS
3.1. Análisis estadístico de la turbidez del agua cruda.
Se monitoreó la turbidez del agua cruda y tratada por 30 días.
Tabla 6. Turbidez del agua cruda
N° Turbidez, NTU
1 20,95
2 22,77
3 23,42
4 24,16
5 25,08
6 27,42
7 28,35
8 28,80
9 29,11
10 30,66
11 31,96
12 32,34
13 36,71
14 39,38
15 40,20
16 42,19
17 44,31
18 45,58
19 47,96
20 48,09
21 48,95
22 50,01
23 53,89
24 56,21
25 57,35
26 61,46
27 62,84
28 63,46
29 64,52
30 74,13
41
3.1.1. Análisis por intervalos. Se realizó un análisis por intervalos, para observar las
variaciones de la turbidez. Para el agua cruda se utilizaron 6 intervalos. En primer lugar,
se establecieron los valores máximos y mínimos.
Tabla 7. Valores mínimo y máximo de la turbidez del agua cruda
Turbidez (NTU)
Mínimo Máximo
20,95 74,13
Tabla 8. Intervalos de turbidez
Intervalos de
turbidez
20,00-30,00 NTU
30,01-40,00 NTU
40,01-50,00 NTU
50,01-60,00 NTU
60,01-70,00 NTU
70,01-80,00 NTU
3.1.1.1. Frecuencia absoluta
𝒇𝒊 = 𝒏ú𝒎𝒆𝒓𝒐 𝒅𝒆 𝒅𝒂𝒕𝒐𝒔 𝒆𝒏 𝒖𝒏 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒗𝒂𝒍𝒐
3.1.1.2. Frecuencia relativa
𝒇𝒓𝒊 =𝒇𝒊
𝒏 (2)
Donde:
f= frecuencia absoluta
n= número total de datos
Cálculo modelo para el primer intervalo
𝒇𝒓𝒊 =9
30= 0,3
42
3.1.1.3. Frecuencia acumulada
𝑭𝒊 = 𝒇𝒊−𝟏 + 𝒇𝒊 (3)
Cálculo modelo para el primer intervalo
𝑭𝟏 = 𝟎 + 𝟗 = 𝟗
3.1.1.4. Porcentaje parcial
% 𝑷𝒂𝒓𝒄𝒊𝒂𝒍 = 𝑓𝑟𝑖 ∗ 100 (4)
Cálculo modelo para el primer intervalo
% 𝑃𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 0,3 ∗ 100 = 30 %
Tabla 9. Análisis estadístico de la turbidez del agua cruda
Intervalos de
turbidez fi fri Fi
Porcentaje
parcial %
20,00-30,00
NTU 9 0,30 9,00 30,00
30,01-40,00
NTU 5 0,17 14,00 16,67
40,01-50,00
NTU 7 0,23 21,00 23,33
50,01-60,00
NTU 4 0,13 25,00 13,33
60,01-70,00
NTU 4 0,13 29,00 13,33
70,01-80,00
NTU 1 0,03 30,00 3,33
Total 30 1,00 100,00
43
Figura 4. Intervalos de turbidez del agua cruda
3.2. Análisis estadístico de la turbidez del agua clarificada
Tabla 10. Turbidez del agua clarificada
N° Turbidez, NTU
1 5,58
2 6,06
3 5,91
4 8,23
5 7,31
6 10,24
7 4,12
8 6,53
9 9,22
10 7,86
11 4,32
12 3,10
13 10,48
14 5,73
15 3,77
16 12,71
17 9,47
18 10,83
19 4,56
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
20,00-30,00NTU
30,01-40,00NTU
40,01-50,00NTU
50,01-60,00NTU
60,01-70,00NTU
70,01-80,00NTU
Po
rce
nta
je %
Intervalos de turbidez
44
Continuación tabla 10
Tabla 11. Valores mínimo y máximo del agua tratada
Turbidez (NTU)
Mínimo Máximo
1,87 13,11
3.2.1. Análisis por intervalos para el agua tratada. Considerando que el agua
tratada debe cumplir con la norma INEN 1108, donde se especifica que el valor
máximo permitido de turbidez para el agua potable es 5NTU, pero que en Refinería
Esmeraldas se pretende mantener este parámetro en 2NTU, se establecieron tres
intervalos, para observar el porcentaje en el que el agua tratada incumple la norma.
Tabla 12. Intervalos de análisis para la turbidez del agua tratada
Intervalos de turbidez
0-2,00 NTU
2,01-5,00 NTU
5,01-13,11 NTU
20 1,87
21 6,18
22 7,05
23 2,03
24 1,99
25 7,08
26 5,66
27 6,96
28 3,71
29 6,4
30 13,11
45
Tabla 13. Análisis estadístico de la turbidez del agua tratada
Intervalos
de
turbidez fi fri Fi
Porcentaje
parcial %
Norma
INEN 1108
0-2,00 NTU 2 0,07 2,00 6,67 30% cumple
con la norma
INEN 1108 2,01-5,00
NTU 7
0,23 9,00 23,33
5,01-13,11
NTU 21 0,70 30,00 70,00
70% supera
el límite
establecido
30 1,00 100,00
Figura 5. Intervalos de turbidez del agua clarificada
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
0-2,00 NTU 2,01-5,00 NTU 5,01-13,11 NTU
Po
rce
nta
je %
Intervalos de turbidez
46
3.3. Dosificación de coagulante y floculante
Tabla 14. Turbidez del agua cruda para la prueba de jarras
3.3.1. Promedio de turbidez semanal
𝑇(𝑁𝑇𝑈) =𝑇1+𝑇2+𝑇3
3 (5)
Dónde: T = Turbidez promedio (NTU)
T1= Turbidez día 1 (NTU)
T2= Turbidez día 2 (NTU)
T3= Turbidez día 3 (NTU)
Cálculo modelo para la semana 1
𝑇(𝑁𝑇𝑈) =20,95+23,42+25,08
3
𝑇(𝑁𝑇𝑈) = 23,15 𝑁𝑇𝑈
N° Turbidez del
agua cruda,
NTU
Semana
1 20,95 1
2 23,42
3 25,08
4 28,80 2
5 29,11
6 32,34
7 39,38 3
8 44,31
9 45,58
10 48,95 4
11 50,01
12 64,52
47
Tabla 15. Promedio semanal de turbidez del agua cruda
Semana Promedio
turbidez del agua cruda, NTU
1 23,15
2 30,08
3 43,09
4 54,49
3.3.2. Resultados de la prueba de jarras para el PAC líquido
Tabla 16. Prueba de jarras para el PAC líquido
Turbidez
agua cruda,
NTU
pH agua
cruda
coagulante
ppm
Turbidez
final, NTU pH final
23,15 8,08 30,00 1,99 7,40
30,08 8,14 40,00 2,03 7,48
43,09 7,99 53,33 2,37 7,41
54,49 8,10 60,00 2,41 7,18
Figura 6. Turbidez vs dosis de coagulante PAC líquido
y = -0,019x2 + 2,431x - 16,03R² = 1
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60
Do
sis
de
coag
ula
nte
, pp
m
Turbidez, NTU
48
3.3.2.1. Resultados de la prueba de jarras para floculante Interpc 50
Tabla 17. Prueba de jarras PAC líquido y floculante interpc 50
Turbidez
inicial,
NTU
pH inicial
Dosis de
floculante
ppm
Turbidez
final,
NTU
pH final
23,15 8,08 0,33 1,91 7,45
30,08 8,14 0,47 1,92 7,53
43,09 7,99 0,60 1,92 7,50
54,49 8,10 0,60 1,85 7,40
Figura 7. Turbidez vs dosis de floculante interpc 50
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 10 20 30 40 50 60
Do
sis
de
flo
cula
nte
, pp
m
Turbidez, NTU
49
3.3.2.2. Resultados de la prueba de jarras para el floculante N8110
Tabla 18. Prueba de jarras para el PAC líquido y el floculante N8110
Turbidez
inicial,
NTU
pH inicial
Dosis de
floculante
ppm
Turbidez
final, NTU pH final
23,15 8,08 0,2 1,65 7,466
30,08 8,14 0,2 0,94 7,484
43,09 7,99 0,2 1,94 7,561
54,49 8,10 0,2 1,93 7,434
Figura 8. Turbidez vs dosis de floculante N8110
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 10 20 30 40 50 60
Do
sis
flo
cula
nte
, pp
m
Turbidez, NTU
Series1
50
3.3.3. Resultados de la prueba de jarras para el PAC sólido
Tabla 19. Prueba de jarras para el PAC sólido
Turbidez
inicial,
NTU
pH inicial
Dosis de
coagulante,
ppm
Turbidez
final,
NTU
pH final
23,15 7,984 20 1,28 7,446
30,08 8,144 30 1,45 7,499
43,09 7,653 30 1,74 7,449
54,49 7,998 40 1,97 7,289
Figura 9. Turbidez vs dosis de coagulante PAC sólido
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10 20 30 40 50 60
Do
sis
de
Co
agu
lan
te, p
pm
Turbidez, NTU
51
3.3.3.1. Resultados de la prueba de jarras para el floculante Interpc 50
Tabla 20. Prueba de jarras para el PAC sólido y el floculante Interpc 50
Turbidez
inicial,
NTU
pH inicial
Dosis de
floculante,
ppm
Turbidez,
final NTU
pH final
23,15 7,984 0,2 1,07 7,438
30,08 8,144 0,2 0,87 7,460
43,09 7,653 0,3 1,78 7,429
54,49 7,998 0,3 1,57 7,169
Figura 10. Turbidez vs dosis de floculante interpc 50
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 10 20 30 40 50 60
Do
sis
de
flo
cula
nte
, pp
m
Turbidez, NTU
52
3.3.3.2. Resultados de la prueba de jarras para el floculante N8110
Tabla 21. Prueba de Jarras para el PAC sólido y el floculante N8110
Turbidez
inicial,
NTU
pH inicial
Dosis de
floculante,
ppm
Turbidez,
final NTU
pH final
23,15 7,984 0,20 0,71 7,530
30,08 8,144 0,20 0,81 7,493
43,09 7,653 0,20 1,63 7,361
54,49 7,998 0,47 1,54 7,315
Figura 11. Turbidez vs dosis de floculante N8110
3.4. Porcentaje de remoción de turbidez
El porcentaje de remoción se calculó mediante la ecuación 6.
%𝑅𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 =𝑇𝑖−𝑇𝑓
𝑇𝑖∗ 100 (6)
Dónde: Ti = Turbidez del agua cruda (NTU)
Tf = Turbidez final del agua (NTU)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 10 20 30 40 50 60
Do
sis
de
flo
cula
nte
, pp
m
Turbidez, NTU
53
Cálculo modelo
%𝑅𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 =(23,15−1,99)𝑁𝑇𝑈
23,15 𝑁𝑇𝑈∗ 100
%𝑅𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 = 91,40 %
Tabla 22. Porcentajes de remoción de los dos coagulantes
Turbidez
del agua
cruda,
NTU
Dosis de coagulante, ppm Turbidez final, NTU % Remoción
PAC
líquido(actual)
PAC
(sólido)
PAC
líquido(actual)
PAC
(sólido)
PAC
l
PAC
S
23,15 30 20 1,99 1,28 91 94
30,08 40 30 2,03 1,45 93 95
43,09 53 30 2,37 1,74 94 96
54,49 60 40 2,41 1,97 96 96
Tabla 23. Porcentajes de remoción utilizando los dos floculantes
Turbidez
inicial,
NTU
Turbidez
final,
NTU
Porcentaje de Remoción,
%
PAC líquido PAC sólido
Polímero
interpc
50,ppm
N8110,
ppm
Polímero
interpc
50, ppm
N8110,
ppm
Polímero
interpc
50
N8110 Polímero
interpc
50
N8110
23,15 1,91 1,65 1,07 0,71 92 93 95 97
30,08 1,92 0,94 0,87 0,81 94 97 97 97
43,09 1,92 1,94 1,78 1,63 96 95 96 96
54,49 1,85 1,93 1,57 1,54 97 96 97 97
54
3.5. Cálculo de la cantidad de coagulante a escala de Refinería
ppm a dosificar 30 ppm
Tiempo de consumo de 1 tanque 4 h.
Caudal de Agua a tratar 420 m3/h.
Densidad del coagulante 1,33 g/mL= 1,33 kg/L
3.5.1 Cálculo modelo para la cantidad de Policloruro de Aluminio (PAC líquido)
30 𝑔
𝑚3 𝑥 420
𝑚3
ℎ 𝑥 4 ℎ 𝑥
𝑘𝑔
1000 𝑔= 50.4 𝑘𝑔
𝑉 =𝑚
𝑑=
50.4 𝑘𝑔
1,33𝑘𝑔𝐿
= 37,9 𝐿 = 38 𝐿
Tabla 24. Resultados de la cantidad de coagulante PAC líquido actual a utilizar
Turbidez agua
cruda, NTU
Mejor dosis de
coagulante, ppm
Cantidad de
coagulante, litros
23,15 30 38
30,08 40 51
43,09 53 67
54,49 60 76
55
Tabla 25. Resultados de la cantidad de floculante Inter pc 50 actual a utilizar
Turbidez
agua cruda,
NTU
Dosis de
floculante
ppm
Cantidad de
floculante,
litros
23,15 0,33 0,4
30,08 0,47 0,5
43,09 0,60 0,7
54,49 0,60 0,7
Tabla 26. Resultados de la cantidad de PAC sólido a utilizar
Turbidez
inicial,
NTU
Mejor
dosis de
coagulante,
ppm
Cantidad
de
coagulante,
kg
23,15 20,00 33,6
30,08 30,00 50,4
43,09 36,67 61,6
54,49 40,00 67,2
Tabla 27. Resultados de la cantidad de floculante N8110 a utilizar
Turbidez
inicial,
NTU
Dosis de
floculante,
ppm
Cantidad
de
floculante,
kg
23,15 0,20 0,336
30,08 0,20 0,336
43,09 0,20 0,336
54,49 0,47 0,784
56
3.6. Velocidad de agitación y tiempo de floculación
Para obtener los valores de velocidad de agitación se requiere conocer el gradiente de
velocidad asociado a la intensidad de la mezcla, dado que el crecimiento del floc depende
en gran medida del contacto entre las partículas de mayor diámetro que a su vez es
inducido por el gradiente de velocidad de la fase líquida. Sin embargo, para el proceso
se determina el grado de intensidad de la mezcla se calcula en función de las revoluciones
por minutos producida por los agitadores, tal y como muestra la ecuación 5.
𝑟𝑝𝑚 = 3 × 𝐺45
Dónde:
G: Gradiente de velocidad
Cálculo modelo
𝑟𝑝𝑚 = 3 × (30𝑠−1)45
𝑟𝑝𝑚 = 46 𝑟𝑝𝑚
Tabla 28. RPM para los gradientes seleccionados
G rpm
30 46
20 33
10 19
Tabla 29. Resultados para diferentes intensidades de agitación para las condiciones
actuales
Tiempo de
mezcla
lenta, min
Turbidez,
NTU
46 rpm
Turbidez,
NTU
33 rpm
Turbidez,
NTU
19 rpm
7 2,76 3,88 7,45
13 1,95 2,24 2,48
20 2,27 2,57 2,30
27 1,92 2,46 2,10
33 2,17 2,01 1,89
40 2,33 2,42 2,54
57
Figura 12.Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para las condiciones actuales
Tabla 30. Resultados para diferentes intensidades de agitación para el PAC líquido
y el floculante N8110
Tiempo de
mezcla
lenta, min
Turbidez,
NTU
46 rpm
Turbidez,
NTU
33 rpm
Turbidez,
NTU
19 rpm
7 3,18 3,36 6,05
13 1,36 2,23 3,41
20 2,55 1,39 2,44
27 1,53 1,18 2,06
33 1,39 0,94 1,76
40 0,85 1,32 1,51
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tíu
rbid
ez, N
TU
Tiempo, min
46 rpm
33 rpm
19 rpm
58
Figura 13. Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para el PAC líquido y el floculante N8110
Tabla 31. Resultados para diferentes intensidades de agitación para el PAC sólido
y el floculante Interpc50
Tiempo de
mezcla
lenta, min
Turbidez,
NTU
46 rpm
Turbidez,
NTU
33 rpm
Turbidez,
NTU
19 rpm
7 6,71 6,87 9,83
13 5,23 4,29 4,41
20 2,30 2,57 3,76
27 2,17 1,59 2,21
33 1,42 1,18 2,03
40 1,92 1,97 1,34
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Turb
idez
, NTU
Tiempo, min
19 rpm
46 rpm
33 rpm
59
Figura 14. Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para el PAC sólido y el Interpc 50
Tabla 32. Resultados para diferentes intensidades de agitación para el PAC sólido
y el N8110
Tiempo de
mezcla
lenta, min
Turbidez, NTU
19 rpm
Turbidez, NTU
46 rpm
Turbidez, NTU
33 rpm
7 11,74 9,83 10,04
13 6,13 4,41 5,51
20 4,26 3,76 3,37
27 3,22 2,06 2,29
33 2,23 1,83 1,44
40 2,06 1,03 1,21
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
0 10 20 30 40 50
Turb
idez
Tiempo, min
46 rpm
33 rpm
19 rpm
60
Figura 15. Tiempo de floculación vs turbidez para diferentes velocidades de
agitación para el PAC sólido y el N8110
3.7. Tiempo de sedimentación
3.7.1. Resultados de las pruebas de sedimentación. Los valores de turbidez disminuyen
en la medida que aumenta el tiempo de sedimentación, dado que se alcanza una
aglutinación de las partículas a sedimentar, en el tiempo esperado.
Tabla 33. Tiempo de sedimentación para las condiciones actuales de la empresa
Fecha 09/03/17
Turbidez inicial, NTU 57,35
pH 7,985
Coagulante PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
Floculante Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Dosis de coagulante,
ppm
50 50 50 50 50 50
Dosis de floculante, ppm 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
0
2
4
6
8
10
12
14
0 10 20 30 40 50
Turb
idez
NTU
Tiempo, min
19 rpm
46 rpm
33 rpm
61
Continuación tabla 33
Jarra N° 1 2 3 4 5 6
velocidad de mezcla
rápida, rpm
100 100 100 100 100 100
velocidad de mezcla
rápida, rpm
40 40 40 40 40 40
Tiempo de
sedimentación, min
1 5 10 20 30 60
Turbidez final, NTU 33,05 8,69 2,90 1,36 1,05 1,32
Figura 16.Tiempo de sedimentación con las condiciones actuales de la Empresa vs
turbidez final
Tabla 34. Tiempo de Sedimentación utilizando PAC líquido y el floculante N8110
Fecha 09/03/17
Turbidez inicial, NTU 57,35
pH 7,985
Coagulante
PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
PAC
líquido
Floculante N8110 N8110 N8110 N8110 N8110 N8110
Dosis de coagulante, ppm 50 50 50 50 50 50
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70
Turb
idez
fin
al (
NTU
)
Tiempo de sedimentación (min)
Tiempo de sedimentación vs Turbidez final
62
Continuación tabla 34
Dosis de floculante, ppm 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Jarra N° 1 2 3 4 5 6
velocidad de mezcla
rápida, rpm 100 100 100 100 100 100
velocidad de mezcla
rápida, rpm 40 40 40 40 40 40
Tiempo de
sedimentación, min 1 5 10 20 30 60
Turbidez final, NTU 26,40 4,03 1,99 1,73 0,67 0,59
Figura 17. Tiempo de Sedimentación utilizando PAC líquido y el floculante N8110
vs turbidez final
Tabla 35. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el polímero floculante
líquido
Fecha 02/03/17
Turbidez inicial, NTU 37,2
pH 8,445
Coagulante
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70
Turb
idez
fin
al (
NTU
)
Tiempo de sedimentación (min)
Tiempo de sedimentación(PAC líquido- floculante N8110) vs turbidez final
63
Continuación tabla 35
Floculante
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc
50
Polímero
interpc 50
Dosis de coagulante,
ppm 30 30 30 30 30 30
Dosis de floculante,
ppm 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Jarra N° 1 2 3 4 5 6
velocidad de mezcla
rápida, rpm 100 100 100 100 100 100
velocidad de mezcla
rápida, rpm 40 40 40 40 40 40
Tiempo de
sedimentación, min 1 5 10 20 30 60
Turbidez final,NTU 12,24 5,93 2,17 1,33 1,02 0,66
Figura 18. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el polímero floculante
líquido vs turbidez final
0
2
4
6
8
10
12
14
0 10 20 30 40 50 60 70
Turb
idez
fin
al (
NTU
)
Tiempo de sedimentación (min)
Tiempo de sedimentación(PAC -polímero floculante líquido) vs turbidez final
64
Tabla 36. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el floculante N8110
Fecha 02/03/17
Turbidez inicial, NTU 37,2
pH 8,445
Coagulante
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
PAC
sólido
Floculante N8110 N8110 N8110 N8110 N8110 N8110
Dosis de coagulante, ppm 30 30 30 30 30 30
Dosis de floculante, ppm 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Jarra N° 1 2 3 4 5 6
velocidad de mezcla rápida,
rpm 100 100 100 100 100 100
velocidad de mezcla rápida,
rpm 40 40 40 40 40 40
Tiempo de sedimentación,
min 1 5 10 20 30 60
Turbidez final, NTU 9,46 2,06 1,51 1,01 0,84 0,53
Figura 19. Tiempo de sedimentación utilizando PAC sólido y el floculante N8110
vs turbidez final
0123456789
10
0 10 20 30 40 50 60 70
Turb
idez
fin
al (
NTU
)
Tiempo de sedimentación (min)
Tiempo de sedimentación (PAC sólido- floculante N8110) vs turbidez final
65
Tabla 37. Comparación entre conjunto coagulante- floculante utilizado
actualmente en la Empresa y el conjunto coagulante-floculante sólidos
Coagulante PAC líquido PAC líquido PAC sólido PAC sólido
Floculante Polímero
interpc 50
N8110 Polímero
interpc 50
N8110
Tiempo de
sedimentación,
min
20 8,33 10 5
3.8. Dosificación de productos desinfectantes
3.8.1. Dosificación de cloro gaseoso.
Tabla 38. Resultados de la dosis de cloro suministrada en la desinfección del agua
N° Dosis de cloro gaseoso, lb/día
80,00 100,00 120,00 130,00 150,00
1
Cloro libre
residual,
ppm
0,07 0,07 0,7 0,7 0,5
2 0,07 0,1 0,6 0,3 0,4
3 0,06 0,2 0,8 0,4 0,4
Promedio 0,07 0,12 0,70 0,47 0,43
Varianza 0,000033 0,0046 0,0100 0,0433 0,0033
Desviación
estándar 0,0058 0,0681 0,1000 0,2082 0,0577
Tabla 39. Cloro libre residual promedio
Dosis de
cloro
gaseoso,
lb/día
Cloro
libre
residual,
ppm
80,00 0,07
100,00 0,12
120,00 0,70
130,00 0,47
150,00 0,43
66
Figura 20.Resultados de la dosis de cloro suministrada en la desinfección del agua
En la figura 20 se muestra el breakpoint (punto de quiebre) obtenido con el suministro de
la dosis de cloro gaseoso en el agua tratada, y este valor corresponde al mínimo de la
curva. La menor cantidad de cloro libre residual determinada es 0,43 mg/l, según el punto
de quiebre y como lo establece la norma INEN 1108.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00
Clo
ro li
bre
res
idu
al, p
pm
Dosis de cloro gaseoso, lb/día
67
3.8.2. Dosificación de hipoclorito de calcio
Tabla 40. Dosificación del hipoclorito de calcio
N° Dosis de hipoclorito de calcio, ppm
0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 2,40 2,80 3,20 3,60 4,00
1
Cloro
libre
residual,
ppm
0,07 0,15 0,25 0,30 0,15 0,25 0,30 0,50 0,60 0,70
2 0,05 0,07 0,10 0,15 0,30 0,45 0,20 0,30 0,40 0,50
3 0,07 0,10 0,20 0,30 0,50 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60
Promedio 0,06 0,11 0,18 0,25 0,32 0,35 0,30 0,42 0,50 0,60
Varianza 0,0001333 0,0016333 0,0058333 0,0075 0,0308333 0,01 0,01 0,0108333 0,01 0,01
Desviación
estándar 0,011547 0,0404145 0,0763763 0,086603 0,1755942 0,1 0,1 0,1040833 0,1 0,1
.
68
3.8.3. Dosificación de hipoclorito de sodio
Tabla 41. Dosificación del hipoclorito de sodio
N° Dosis de hipoclorito de calcio, ppm
0,40 0,80 1,20 1,60 2,00 2,40 2,80 3,20 3,60 4,00
1
Cloro
libre
residual,
ppm
0,01 0,01 0,03 0,05 0,07 0,40 0,35 0,30 0,07 0,05
2 0,01 0,02 0,03 0,05 0,06 0,10 0,40 0,25 0,15 0,07
3 0,02 0,03 0,03 0,05 0,07 0,10 0,40 0,35 0,15 0,07
Promedio 0,01 0,02 0,03 0,05 0,07 0,20 0,38 0,30 0,12 0,06
Varianza
3,33333E-
05 0,0001 0,00 0,00 3,33333E-05 0,03 0,0008333 0,0025 0,0021333 0,0001333
Desviación
estándar 0,00577 0,01 0,00 0,00 0,00577 0,17320 0,0288675 0,05 0,046188 0,011547
69
Tabla 42. Promedios de cloro libre residual con hipoclorito de calcio
Figura 21. Cloro libre residual para diferentes dosis de hipoclorito de calcio
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50
Clo
ro li
bre
res
idu
al, p
pm
Hipoclorito de Calcio, ppm
Dosis
de
hipoclorito
de calcio,
ppm
Cloro
libre
residual,
ppm
0,40 0,06
0,80 0,11
1,20 0,18
1,60 0,25
2,00 0,32
2,40 0,35
2,80 0,30
3,20 0,42
3,60 0,50
4,00 0,60
70
Tabla 43. Promedio cloro libre residual hipoclorito de sodio
Dosis
hipoclorito
de sodio,
ppm
Cloro
libre
residual,
ppm
0,40 0,01
0,80 0,02
1,20 0,03
1,60 0,05
2,00 0,07
2,40 0,20
2,80 0,38
3,20 0,30
3,60 0,12
4,00 0,06
Figura 22. Cloro libre residual para diferentes dosis de hipoclorito de sodio
Tabla 44. Resultados del análisis microbiológico para las mejores condiciones de
desinfección
Parámetro Unidades Resultado Norma INEN
1108
Coliformes fecales ufc/100ml <1 <1
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50
Clo
ro li
bre
res
idu
al, p
pm
Hipoclorito de Sodio, ppm
71
4. DISCUSIÓN
Los resultados de la caracterización del agua cruda, que se muestran en la tabla 2,
indican que la turbidez es de 10,54 NTU lo cual está por encima de la norma INEN
1108 que establece que se debe encontrar en un valor de máximo 5NTU. Al
enfocarnos en el monitoreo diario de este parámetro, se observó que, presenta
muchas variaciones, ya que está influenciada por las condiciones climatológicas,
desde 20,95 NTU hasta 74,13 NTU como se observa en la tabla 5. Además, según
la tabla 7, el mayor porcentaje de las mediciones de turbidez se encuentra en los
siguientes valores, en el 30 % de los días se encuentra en un intervalo de 20-30
NTU, 23,33 % se encuentra entre 40,01 NTU y 50 NTU, el 16,66 % están entre
30,01 NTU y 40 NTU.
En el monitoreo diario de la turbidez del agua tratada, encontramos que el 70% de
las mediciones, se encuentra entre 5,01 y 13,11 NTU, incumpliendo la norma
INEN 1108 y sólo en el 30% de días, se presentan valores menores a 5 NTU como
se puede apreciar en la tabla 10.
En la caracterización del agua tratada se pudo evidenciar que el valor de cloro
libre residual fue de 0,07 mg/l, al utilizar de 80-100 lb/día de cloro gaseoso, es
decir estuvo fuera del rango establecido por la norma que es 0,3-1,5 mg/l, tal como
se exponen en la tabla 3. Finalmente se logra que el agua tratada entre en la norma
al utilizar 120 lb/día de cloro gaseoso.
Actualmente en la Refinería se emplean aproximadamente 50 litros de coagulante
y 4 litros de floculante por cada turno de 8 horas, sin considerar la turbidez del
agua cruda según la tabla 2. Mediante pruebas de jarras se determinó las dosis de
PAC líquido y polímero interpc 50 para valores de turbidez promedio,
construyendo así una curva que se muestra en las figuras 4 y 5, donde observamos
que, al incrementar la turbidez del agua cruda, se requiere mayor cantidad de
químicos, pues es necesario aplicar desde 30 a 60 ppm de coagulante, es decir de
72
38 a 76 litros según la tabla 26 y desde 0,33 a 0,60 ppm que equivalen a 0,5 hasta
0,7 litros de floculante según la tabla 27.
En la tabla 16 se observan los resultados de remoción de la turbidez del agua, con
los dos coagulantes PAC líquido y sólido respectivamente, donde para los mismos
valores de turbidez con el sólido se obtiene un porcentaje de remoción del 94 al
96%, con menor dosificación de coagulante. Además de que se obtienen valores
de turbidez menores a 2 NTU sin agregar floculante, mientras que con el
coagulante líquido para alcanzar estos valores necesariamente se debe utilizar el
floculante.
La intensidad de agitación adecuada para el proceso de clarificación es de 46 rpm,
y se debe tener presente que este valor no sobrepase 50 rpm, pues se produciría el
rompimiento de los flóculos y aumentaría la turbidez del agua. Estos resultados
se pueden apreciar en las tablas 30, 31 y 32.
Mediante las pruebas de jarras se determinó que el tiempo de floculación se podría
reducir a 27 minutos, para garantizar valores de turbidez menores o iguales de 2
NTU, ya que este es el valor del parámetro que maneja la Refinería, según las
tablas 30, 31 y 32.
Se realizaron pruebas utilizando dos agentes desinfectantes, el hipoclorito de
calcio y el hipoclorito de sodio. Al utilizar el hipoclorito de calcio, se obtuvo que
con una dosis de 2,00 ppm los valores de cloro libre residual ingresan en el rango
establecido por la norma INEN 1108. Mientras que con el hipoclorito de sodio es
necesario aplicar 2,80 ppm del mismo para que el agua tratada cumpla con la
norma.
73
5. CONCLUSIONES
El agua cruda, proveniente del Río Esmeraldas, presenta altos valores de turbidez
y coliformes fecales, por lo tanto, es necesario su tratamiento pues no cumple con
las condiciones de la norma INEN 1108 para que sea apta para consumo humano.
El agua clarificada de la Refinería Esmeraldas no cumple con los valores de
turbidez señalados por la norma INEN 1108 pues presenta más de 5 NTU que es
el límite máximo establecido.
El coagulante PAC líquido en conjunto con el polímero floculante, utilizados
actualmente en Refinería Esmeraldas, garantizan más del 90 % de remoción de la
turbidez del agua cruda, debido a que se logró disminuir valores de turbidez que
se encontraban entre 23,15 y 54,49 NTU hasta un aproximado de 2 NTU.
El coagulante PAC sólido, se logra remover más del 90 % de la turbidez, con dosis
desde 20 a 40 ppm, y obtener valores de turbidez final menores de 2 NTU, el cual
es el valor requerido por la empresa, aplicando menores dosis del químico y
omitiendo el uso del floculante.
Al utilizar el hipoclorito de calcio para el proceso de desinfección del agua, se
logra que los valores de cloro libre residual estén dentro de la norma INEN 1108
con una dosis de 2,00 ppm, mientras que con hipoclorito de sodio se requiere una
dosis mayor de 2,80 ppm.
La intensidad de agitación adecuada para el proceso de clarificación es de 46 rpm,
hasta 50 rpm.
74
6. RECOMENDACIONES
Establecer un programa de monitoreo para la turbidez del agua cruda, de forma
tal que se administre la cantidad correcta de químicos, y evitar que el agua
incumpla los requisitos de agua potable.
Proponer el uso del coagulante PAC sólido, pues al utilizarlo se alcanzan valores
de turbidez menores que 2 NTU, garantizando así, que este parámetro permanezca
dentro de los límites permitidos por la norma INEN 1108. Además, se podría
omitir el uso de floculante, lo cual constituye un beneficio económico.
Implementar el análisis microbiológico en el laboratorio, pues es de suma
importancia controlar frecuentemente que el agua cumpla con estos parámetros,
ya que es utilizada por los trabajadores de toda la empresa.
75
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Aspectos Físico-Química e Ingeniería, 650 - 656.
77
ANEXOS
78
Anexo A. Certificado de conformidad de la empresa
79
Anexo B. Recolección de muestras
Figura B.1. Toma de muestra de agua cruda
Figura B.2. Toma de muestra de agua clarificada
80
Anexo C. Prueba de jarras
Figura C.1. Muestra de agua cruda
Figura C.2. Proceso de coagulación a escala de laboratorio
81
Figura C.3. Floculación
Figura C.4. Sedimentación
82
Anexo D. Determinación del pH del agua cruda y clarificada
Figura D.1. pH metro Metler Toledo
83
Anexo E. Determinación de la turbidez del agua cruda y clarificada
Figura E.1. Turbidímetro HF Scientific
84
Anexo F. Determinación de cloro libre residual en el agua tratada
Figura F.1. Kit de ensayos para el análisis colorimétrico del agua tratada
Figura F.2. Ensayos de colorimetría para el cálculo del cloro residual libre
85
Anexo G. Dosificación de cloro en la planta
Figura G.1. Dosificador de cloro gaseoso controlado mediante un rotámetro
Figura G.2. Cilindro de cloro gaseoso
86
Anexo H. Clarificadores de agua cruda
Figura H.1. Los clarificadores de agua cruda Y-ME3001A y Y-ME3001B
Figura H.2. Clarificadores de agua cruda vista superior
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Anexo J. Resultados del análisis microbiológico del agua clarificada
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Anexo K. Resultados microbiológicos para las mejores condiciones de desinfección
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Anexo L. Norma INEN 1108: Agua Potable. Requisitos
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