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trabajo final para el curso de fisica para la nota final de trabajo , realizado en las ultimas semanas del curso realizado por alumnos de la utp...

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Universidad Tecnológica del Perú Escuela Profesional de Ingenieras

NOMBRE DEL PROYECTO

“ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UN SISTEMA ECOLÓGICO DE DESALINIZACIÓN DE AGUA DE MAR PARA LA COSTA DEL PERÚ”

AUTORES

1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

TORRES AQUISE, Lady Estephany TORRES AQUISE, Lisset Karina UCAÑAY PACHECO, Junior Jordy UMPIRE LLERENA, Fernando Mauricio YAURI TINTAYA, José Manuel ZEGARRA URDAY, Daniela Rosa ZEVALLOS LIZARRAGA, Jean Pierre

U21100084 U21100056 1634257 U20311074 U20302621 U19215597 U18101417

DOCENTE

Ing. Alberto Gerónimo PACCI TITO

Arequipa - Perú 2021

CALCULO APLICADO A LA FISICA

AULA: 13133

INDICE GENERAL 1

RESUMEN:........................................................................................................................................... 8

2

ABSTRAC:............................................................................................................................................9

3

OBJETIVOS:....................................................................................................................................... 10 3.1

Objetivo General:......................................................................................................................10

3.2

Objetivos Específicos:................................................................................................................10

4

JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO:........................................................................................................10

5

PROCESO Y TÉCNICAS DE DESALINIZACIÓN:......................................................................................12 5.1

OSMOSIS INVERSA:...................................................................................................................12

5.2

MODELOS BASADOS EN LAS ECUACIONES DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA:....................15

6

5.2.1

Modelos estáticos:............................................................................................................15

5.2.2

Modelos termodinámicos irreversibles:............................................................................15

5.2.3

Modelos no porosos o de membrana homogénea:...........................................................15

5.2.4

Modelos porosos:..............................................................................................................17

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA:...........................................................................................................21 6.1

AGUA DE MAR EN LA ZONA COSTERA DEL PERÚ:......................................................................21

6.1.1

ASPECTOS NOR MATIVOS..................................................................................................21

6.1.1

CARACTERISTICAS QUIMICAS GENERALES DE LOS OCEANOS............................................31

6.1.2

AGUA POTABLE: SERVICIO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO EN COCACHACRA......32

6.1.3

D I A G N O S T I C O D E L S I S T E M A A G U A EXISTENTE.............................................32

7

DEFINICIÓN DE ESPECIFICACIONES:..................................................................................................33

8

DETERMINACIÓN DEL SITIO..............................................................................................................34

9

DISEÑO CONCEPTUAL:......................................................................................................................35 9.1

ALTERNATIVAS:..........................................................................................................................35

9.2

PROCESO ANALITICO JERARQUICO:..........................................................................................36

10

DISEÑO BÁSICO.............................................................................................................................38

10.1

DEMANDA HÍDRICA VALLE DE TAMBO......................................................................................38

10.2

DEMANDA DE AGUA PARA USOS NO AGRARIOS.......................................................................38

10.2.1

USO POBLACIONAL............................................................................................................38

10.2.2

USO INDUSTRIAL...............................................................................................................39

10.2.3

USO MINERO (NO CONSUNTIVO)......................................................................................39

10.2.4

USO PISCICOLA..................................................................................................................39

10.2.5

USO ENERGÉTICO (NO CONSUNTIVO)...............................................................................39

10.2.6

DEMANDA ACTUAL CON FINES NO AGRARIOS..................................................................39 2

CALCULO APLICADO A LA FISICA 11

AULA: 13133

DISEÑO DETALLADO......................................................................................................................39

11.1

TORRE DE CAPTACIÓN...............................................................................................................39

11.2

DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁNTARA.....................................................................................42

11.3

PRETRATAMIENTO.....................................................................................................................42

11.3.1

DESINFECCIÓN:..................................................................................................................42

11.3.2

COAGULACIÓN:.................................................................................................................43

11.3.3

DECLORACIÓN:..................................................................................................................43

11.3.4

ANTI-INCRUSTANTE...........................................................................................................43

11.4

FILTROS.....................................................................................................................................43

11.4.1

PRIMERA ETAPA DE FILTRACIÓN (FILTROS DE ANILLOS):...................................................43

11.4.2

SEGUNDA ETAPA DE FILTRACIÓN (FILTROS DE VARIAS CAPAS):.........................................44

11.4.3

TERCERA ETAPA DE FILTRACIÓN (FILTROS DE CARTUCHO):...............................................45

11.5

SELECCIÓN DE MEMBRANAS, RECUPERADOR Y BOMBAS.........................................................46

11.5.1

SIMULACIÓN DE OPERACIÓN REAL:..................................................................................46

11.5.2

SISTEMA RECUPERADOR DE PRESIÓN:..............................................................................47

11.5.3

BOMBA DE ALTA PRESIÓN:................................................................................................48

11.5.4

BOMBA DE RECIRCULACIÓN:.............................................................................................49

11.6

DISEÑO DE TUBERÍAS................................................................................................................49

11.7

DISEÑO A DETALLE DEL BASTIDOR:...........................................................................................49

12

Evaluación de Costos.....................................................................................................................51

12.1

Costos de la construcción de la torre de captación...................................................................51

12.2

Costos de las tuberías...............................................................................................................54

13

Conclusiones.................................................................................................................................55

14

Recomendaciones.........................................................................................................................55

15

Bibliografía.................................................................................................................................... 56

16

Anexos...........................................................................................................................................56

16.1

Ecuaciones................................................................................................................................56

16.2

Maqueta....................................................................................................................................57

16.2.1

Planta Desalinizadora de agua de mar..............................................................................57

3

CALCULO APLICADO A LA FISICA

AULA: 13133

INDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Leyenda de Cocachacra con sus actividades de agricultura....................................11 Ilustración 2. Leyenda de Cocachacra..........................................................................................12 Ilustración 3. Flujo simplificado de una planta de desalinizacion por electrodialisis (KirkOthmer,2004)................................................................................................................................13 Ilustración 4. Esquema simplificado de una planta de desalinizacion de agua de mar mediante O.I (Kirk-Othmer,2004)................................................................................................................13 Ilustración 5. Procesos de difusion a traves de menbranas...........................................................14 Ilustración 6. Agua de mar en la zona costera del Peru................................................................21 Ilustración 7. Cuerpo de agua de la provincia de Arequipa..........................................................31 Ilustración 8. Vista panoramica de la localidad de Cocachacra....................................................33 Ilustración 9. Arequipa y sus provincias.......................................................................................34 Ilustración 10. Islay y sus provincias............................................................................................34 Ilustración 11. Costa del sur del pais(Islay-Arequipa)..................................................................35 Ilustración 12. La fuerza neta que ejerce el movimiento del fluido a la estructura es de 5712.35 N....................................................................................................................................................42 Ilustración 13. Simulacion en software WAVE.............................................................................47 Ilustración 14. Diseño de tuberia..................................................................................................49 Ilustración 15. Estructura metalica del bastidor de membranas....................................................50 Ilustración 16. Muestra de relacion...............................................................................................51 Ilustración 17. Maqueta 1..............................................................................................................58 Ilustración 18. Diferente angulo de la maqueta............................................................................58 Ilustración 19. Poza de agua tratada..............................................................................................59 Ilustración 20. Planta de tramiento...............................................................................................59 Ilustración 21. Vista de superior de la maqueta............................................................................59 Ilustración 22. Vista superior de la maqueta 2..............................................................................60 Ilustración 23. Vista general de la maqueta..................................................................................60

4

CALCULO APLICADO A LA FISICA

AULA: 13133

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Lista de simbolos...............................................................................................................7 Tabla 2. Norma tecnica.................................................................................................................22 Tabla 3. Categorizacion del agua..................................................................................................22 Tabla 4. Cuerpo natural de agua marino-costero clasificado frente al departamento de Arequipa tramo 10 y11.................................................................................................................................25 Tabla 5. Cuerpo natural de agua marino-costero clasificado frente el departamento de arequipa tramo 12,13,14 y 15......................................................................................................................28 Tabla 6. Cuerpo natural de agua marina-costera clasificado frente al departamento de Arequipa tramo 16........................................................................................................................................30 Tabla 7. Caracteristicas quimicas.................................................................................................31 Tabla 8. Definiciones....................................................................................................................34 Tabla 9. Relacion de recuperacion de agua para diferentes metodos y diferentes fuentes hidricas. .......................................................................................................................................................36 Tabla 10. Energia por masa desalinizada......................................................................................37 Tabla 11. Pesos de los criterios de seleccion.................................................................................38 Tabla 12. Tabla del AHP................................................................................................................38 Tabla 13. Criterios de diseño para una torre de captación de agua de mar...................................40 Tabla 14. Especificaciones de los filtros.......................................................................................44 Tabla 15. Caracteristicas...............................................................................................................45 Tabla 16. Membranas SW. Fabricante Dow Filmtec....................................................................46 Tabla 17. Desempeño de intercambiores de presion PX...............................................................48 Tabla 18. Costos de construccion..................................................................................................52 Tabla 19. Costos de accesorios y procesos....................................................................................53 Tabla 20. Costo de filtros..............................................................................................................53 Tabla 21. Tramo de cantara...........................................................................................................54

5

CALCULO APLICADO A LA FISICA

AULA: 13133

LISTA DE SÍMBOLOS PARA LAS VARIABLES DELMODELO MATEMÁTICO

6

Símbolo A

Variable Área superficial de la membrana

CALCULO APLICADO A LA FISICA

C Concentración Tabla 1. Lista de simbolos. Cf Concentración de la corriente de alimentación

Unidad 2 mAULA: 13133 mg/kg(=ppm)

mg/kg(=ppm)

Cp

Concentración de la corriente de permeado

mg/kg(=ppm)

Cr

Concentración de la corriente de rechazo

mg/kg(=ppm)

Cm1

Concentración en la capa límite del lado rechazo Concentración e n la capa límite del lado.permeado Conductividad

mg/kg(=ppm)

Cm2 C Condp

Conductividad eléctrica de la corriente depermeado

mg/kg(=ppm) uS/cm uS/cm

Ff

Flujo másico de la corriente de alimentación

Kg/s

Fp

Flujo másico de la corriente de permeado

Kg/s

Fr

Flujo másico de la corriente de rechazo Flujo másico a través de la membrana desde la capa límite del lado rechazo Flujo másico desde la membrana hacia la capa límite del lado permeado medida del contenido de iones H+ en la corriente de alimentación Selectividad de la membrana

Kg/s

Fm1 Fm2 pHf K

Kg/s Kg/s adimensional bar-1

kA

Constante de permeabilidad al soluto

m/s

kB

Constante de permeabilidad al solvente

Kg/ (m2.s.bar)

Mp mr

Masa de fluido dentro del volumen de control del subsistema permeado Masa de fluido dentro del volumen de control del subsistema rechazo

Kg Kg

Pf

Presión de la corriente de alimentación

Bar

Pp

Presión de la corriente de permeado

Bar

Pr

Presión de la corriente de rechazo

Bar

Pm1

Presión en la capa límite del lado rechazo

Bar

Pm2

Presión en la capa límite del lado permeado

Bar

PLOSSp

Pérdidas de presión en el lado

Bar

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CALCULO APLICADO A LA FISICA

AULA: 13133

8

CALCULO APLICADO A LA FISICA

1

AULA: 13133

RESUMEN: En los últimos años cada vez se hace más recurrente la falta de abastecimiento de agua potable en zonas de nuestra costa peruana, por tal motivo es que proponemos la creación de una planta desalinizadora de agua de mar, como principal solución y así mitigar esta necesidad que se da en parte de nuestro territorio. El diseño de la planta estará limitado a captación y producción de agua potable, dejando alternativas para la distribución del producto, y la disposición de la salmuera con la opción de ser utilizada en beneficio de la población cercana. Para la selección del proceso de desalinización se evaluaron tres alternativas que son: El proceso flash de múltiples etapas, la destilación de múltiples efectos, y el proceso de ósmosis inversa con recuperador de p...